空調(diào)大溫差能耗分析

1、空調(diào)大溫差能耗分析 作者：龍激波 裴清清閱讀：932 次上傳時(shí)間：2005-11-17推薦人：source00 (已傳論文 360 套)簡(jiǎn)介： 本文對(duì)空調(diào)大溫差這一空調(diào)領(lǐng)域的新技術(shù)，從送風(fēng)大溫差、冷凍水大溫差及與變流量、冰蓄冷相結(jié)合的冷水大溫差和低溫送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析。與常規(guī)系統(tǒng)比較，大溫差技術(shù)能減少系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，節(jié)約能源尤其是高品位的電能，能減少系統(tǒng)的一次投資。關(guān)鍵字：大溫差 風(fēng)系統(tǒng) 水系統(tǒng) 節(jié)能 1. 概述隨著空調(diào)系統(tǒng)和空調(diào)設(shè)備的大量涌現(xiàn)，空調(diào)的能耗已經(jīng)成為一個(gè)引人注目的問(wèn)題。城市建設(shè)的發(fā)展，建筑能耗已占全國(guó)總能耗的30%左右，而空調(diào)耗能一般占整個(gè)建筑能耗的60%以上，且比例不斷增加。城

2、市每年的用電高峰在夏季，空調(diào)在此時(shí)間內(nèi)的耗電要占總發(fā)電量的30%左右，有的地區(qū)，如廣州地區(qū)高達(dá)50%60%1，因此，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能要求提到了十分重要的位置?？照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了許多諸如變風(fēng)量空調(diào)、變水量空調(diào)、大溫差空調(diào)、蓄冷空調(diào)等技術(shù)在空調(diào)中的應(yīng)用。空調(diào)大溫差是指相對(duì)于國(guó)內(nèi)空調(diào)常規(guī)設(shè)計(jì)的送風(fēng)、水溫差為5 而提出的，指空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)、水溫差大于常規(guī)溫差2。在國(guó)內(nèi)大溫差技術(shù)正處于發(fā)展時(shí)期，到目前為止，技術(shù)在實(shí)例中的應(yīng)用還比較少，與較早應(yīng)用該技術(shù)的發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的大溫差技術(shù)還處在吸收和探索的階段，仍然有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步深入研究和解決。目前，大溫差系統(tǒng)可分為：大溫差送風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)溫差可達(dá)14

3、20；大溫差冷凍水系統(tǒng)，進(jìn)出口水溫差可達(dá)610；大溫差冷卻水系統(tǒng)，進(jìn)出口水溫差可達(dá)68；此外還有和冰蓄冷相結(jié)合的低溫送風(fēng)大溫差和冷凍水大溫差系統(tǒng)，風(fēng)側(cè)溫差可達(dá)1723，水側(cè)可達(dá)1015等2。2. 大溫差技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用2.1 送風(fēng)大溫差系統(tǒng)大溫差送風(fēng)溫度一般為49，常規(guī)空調(diào)送風(fēng)溫度為1316。采用大溫差送風(fēng)系統(tǒng)，合理調(diào)節(jié)新風(fēng)比例，可使人體的熱舒適感沒(méi)有明顯改變,但系統(tǒng)的耗能卻有較大幅度的變化,適當(dāng)加大送回風(fēng)溫差可減少水路、風(fēng)路系統(tǒng)的容量,降低水泵、風(fēng)機(jī)的功率。在國(guó)外，舒適性空調(diào)的送風(fēng)溫差遵循這樣一個(gè)原則：在空調(diào)房間氣流組織合理的范圍內(nèi)，所選擇的送風(fēng)溫度應(yīng)盡可能低3。2.1.1 大溫差送風(fēng)

4、系統(tǒng)的特點(diǎn)大溫差送風(fēng)系統(tǒng)具有較大溫差較小風(fēng)量的特點(diǎn)，因送風(fēng)溫度的降低，送風(fēng)溫差的增大，使送風(fēng)量大大減小(可減小到常規(guī)空調(diào)的50%)4，可節(jié)省系統(tǒng)的一次投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用,若大溫差技術(shù)能與冰蓄冷技術(shù)和變風(fēng)量系統(tǒng)相結(jié)合,將會(huì)取得更明顯的經(jīng)濟(jì)效益。另外，大溫差送風(fēng)系統(tǒng)是在較低的送風(fēng)溫度下運(yùn)行,因送風(fēng)溫度降低，系統(tǒng)管道及設(shè)備外部結(jié)露的可能性增大,對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)的保溫的要求比較高，在設(shè)計(jì)中應(yīng)給予足夠重視。2.1.2 大溫差送風(fēng)的實(shí)現(xiàn)方法目前大溫差送風(fēng)的實(shí)現(xiàn)有加大常規(guī)空調(diào)的送回風(fēng)溫差和采用低溫送風(fēng)的方法, 低溫送風(fēng)可結(jié)合冰蓄冷技術(shù)運(yùn)行，這兩種方法要求空調(diào)末端設(shè)備作相應(yīng)的改動(dòng),以適應(yīng)新的傳熱條件,低溫送風(fēng)要解決

5、出風(fēng)口結(jié)露的問(wèn)題。目前大溫差送風(fēng)的送風(fēng)溫度低至4，送風(fēng)溫差可達(dá)204。與常規(guī)送風(fēng)溫度相比，當(dāng)送風(fēng)溫度為7時(shí)，風(fēng)管尺寸減少30%36%，空氣處理設(shè)備的外型尺寸減少20%30%，送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)功率可減少13%27.7%，系統(tǒng)投資可減少14%19%5。我國(guó)目前推行冰蓄冷技術(shù)還存在一些障礙6，主要是： 我國(guó)目前大部分省市電價(jià)峰谷電價(jià)差政策不穩(wěn)定，如果有穩(wěn)定的峰谷電價(jià)差政策，且峰谷電價(jià)差在3:1以上和減免電力貼費(fèi)時(shí)，可采用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。 與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比，冰蓄冷系統(tǒng)增加蓄冰裝置，因此一次投資高30%40%。占地多。 系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜。2.1.3 大溫差送風(fēng)系統(tǒng)的能耗分析同一項(xiàng)工程，假定一切條件均相同，忽

6、略空氣的物性參數(shù)在常規(guī)送風(fēng)與大溫差送風(fēng)時(shí)的變化，對(duì)常規(guī)溫差和大溫差分析時(shí)，送風(fēng)量和風(fēng)道阻力都會(huì)發(fā)生變化2?？照{(diào)系統(tǒng)的總送風(fēng)量與送風(fēng)溫差的關(guān)系為： （1）式中：g空氣質(zhì)量送風(fēng)量kg/s，qx室內(nèi)顯熱負(fù)荷kw，cp空氣定壓比熱j/(kg)，tn室內(nèi)干球溫度，to送風(fēng)溫度。鋼板風(fēng)道摩擦阻力計(jì)算：m=1.0510-2-1.211.925 （2）式中：m風(fēng)管單位沿程阻力pa/m，風(fēng)管直徑m，風(fēng)速m/s。相應(yīng)風(fēng)機(jī)的軸功率計(jì)算：（3）l=g/式中：l空調(diào)送風(fēng)量m3/s，h風(fēng)道系統(tǒng)全壓損失pa，tf風(fēng)機(jī)全壓效率，空氣密度kg/m3。從理論上對(duì)以下五種方案進(jìn)行比較：方案風(fēng)量管徑風(fēng)速阻力nfldvr1ldvrmn

7、20.5l0.707dv1.521rm0.761n30. 67l0.816dv1.279rm0.853n40.5ld0.5v0.263rm0.132n50.67ld0.67v0.459rm0.306n比較以上方案，當(dāng)系統(tǒng)的送風(fēng)管道不變時(shí)，隨著送風(fēng)溫差的增大，單位管長(zhǎng)的沿程阻力和所需風(fēng)機(jī)功率減小。當(dāng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫差增大一倍時(shí)，風(fēng)機(jī)功率為常規(guī)送風(fēng)的13.2%。進(jìn)行大溫差設(shè)計(jì)時(shí)，一般使系統(tǒng)的風(fēng)速同常規(guī)溫差風(fēng)速基本不變，因此，單位管長(zhǎng)的沿程阻力將隨著送風(fēng)溫差的增大而有所增加，但系統(tǒng)的管道直徑減少，總體上風(fēng)機(jī)的軸功率隨著送風(fēng)溫差的增大而呈下降的趨勢(shì)。當(dāng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫差增大一倍時(shí)，風(fēng)機(jī)功率為常規(guī)送風(fēng)的76%。

8、2.2 空調(diào)水大溫差系統(tǒng)在空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行中，目前水系統(tǒng)的輸配用電量一般占系統(tǒng)總耗電量的15%20%。而且按名義工況設(shè)計(jì)的空調(diào)系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行中，大多是采用定流量系統(tǒng)，全年大部分時(shí)間處于非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，且運(yùn)行時(shí)間內(nèi)冷水溫差很小，有時(shí)僅為0.51.0，在小溫差大流量情況下工作，造成冷水泵能量的大量損耗7。采用冷水大溫差運(yùn)行，因其冷水特性為小流量大溫差，可降低冷水泵輸送能耗，容易滿足部分負(fù)荷運(yùn)行的特性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行。2.2.1 冷水大溫差設(shè)計(jì)的特點(diǎn)大溫差冷水系統(tǒng)可以節(jié)約系統(tǒng)的循環(huán)水量，相應(yīng)減少水泵的揚(yáng)程及運(yùn)行費(fèi)用，減少管道的尺寸，節(jié)約系統(tǒng)的初投資。冷卻水大溫差設(shè)計(jì)時(shí)，可以減少冷卻塔尺寸，節(jié)約冷卻

9、塔的占地面積，減少水泵的流量和水管的尺寸，當(dāng)冷卻水溫度比常規(guī)水溫高2時(shí)，可減少運(yùn)行費(fèi)用3%7%，節(jié)省一次投資10%20%8。2.2.2 大溫差水系統(tǒng)的運(yùn)行分析與風(fēng)機(jī)的性能分析相似，用水泵的相似理論進(jìn)行分析，當(dāng)冷水供回水溫差增大一倍時(shí)，冷卻水泵的運(yùn)行能耗減少68.5%。國(guó)內(nèi)已有這方面的文獻(xiàn)，這說(shuō)明采用冷水大溫差運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。但這種分析方法只對(duì)水泵的能耗進(jìn)行分析，而沒(méi)有考慮管道系統(tǒng)的阻力變化對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，是片面的，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，管內(nèi)水速一般采用12/（國(guó)際上允許的管內(nèi)流速比國(guó)內(nèi)高得多）。因此，流速不變時(shí)，由于管徑減少，單位管長(zhǎng)的磨擦阻力增加，實(shí)際運(yùn)行時(shí)不能達(dá)到68.5%的節(jié)

10、能效果。與常規(guī)空調(diào)設(shè)計(jì)相比，在相同冷負(fù)荷的情況下，冷凍水大溫差時(shí)的冷水量較常規(guī)溫差時(shí)小，冷凍水泵和冷凍水管道的型號(hào)規(guī)格相應(yīng)地需要減小，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)水管布置、水量分配和水流速不變時(shí)，系統(tǒng)的局部阻力變化很小。假定系統(tǒng)管道為鋼管，系統(tǒng)內(nèi)冷凍水在各溫差下的流速不變，忽略管道系統(tǒng)的局部阻力.在各溫差下各型號(hào)水泵的效率相等9。鋼管的沿程阻力按以下公式計(jì)算：p=7.22910-4vw1.852d-1.167 （4）水泵軸功率： （5）式中：p水管沿程阻力m/m，n1水泵軸功率，1水泵全壓效率，d管內(nèi)徑 m，vw管內(nèi)平均流速m/s，w空調(diào)冷凍水量m3/s，p水系統(tǒng)全壓損失pa。（6）當(dāng)水管布置、水量分配和管內(nèi)水速

11、相等時(shí),管內(nèi)局部阻力基本不變,供回水溫差增加一倍,即水量減少一半,水管直徑2=0.7071,水管摩擦阻力增加了50%,而水泵電機(jī)功率降為原來(lái)的75%。即在冷水大溫差下，水系統(tǒng)運(yùn)行可節(jié)能約25%。為了取得更好的節(jié)能效果，可以采用冷水大溫差與變流量技術(shù)相結(jié)合方法。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的平均負(fù)荷率為30%50%。即采用定流量設(shè)計(jì)時(shí)，按大溫差設(shè)計(jì)的空調(diào)系統(tǒng)，在全年大部分時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的冷水溫差將不能達(dá)到設(shè)計(jì)值，冷水泵全年處于滿負(fù)荷運(yùn)行，能耗基本不變。在空調(diào)系統(tǒng)中，水泵投資約占空調(diào)系統(tǒng)總投資的0.5%1%，與大溫差相結(jié)合的變流量系統(tǒng)，可以通過(guò)雙級(jí)泵或變主流的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)冷凍水的變流量運(yùn)行。、雙級(jí)泵系統(tǒng)，是

12、通過(guò)一次泵保證冷水機(jī)組的定流量運(yùn)行，而用二次泵變流量運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷側(cè)流量的變化，因變頻調(diào)速水泵的調(diào)節(jié)范圍在50%以上的效率較高，目前二次水泵可以在50%以上的范圍內(nèi)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。、變主流系統(tǒng)和單級(jí)泵系統(tǒng)相似，只是冷凍水泵是變速泵而不是定速泵，可以隨負(fù)荷變化而改變進(jìn)入冷水機(jī)組的水流量，其流量一般可控制在60%100%之間。這二種方法的節(jié)能效果，與單級(jí)泵相比，雙級(jí)泵系統(tǒng)可節(jié)能50%，變主流系統(tǒng)可節(jié)能59%10。因此，與大溫差相結(jié)合的變流量空調(diào)水系統(tǒng)，采用雙級(jí)泵系統(tǒng)時(shí)，與常規(guī)空調(diào)的單級(jí)泵相比，節(jié)能可達(dá)到62.5%，采用變主流系統(tǒng)時(shí)節(jié)能可達(dá)到69.3%。2.3 大溫差運(yùn)行冷水機(jī)組分析冷水大溫差設(shè)計(jì)節(jié)約

13、了系統(tǒng)的循環(huán)水量，相應(yīng)減少了水泵揚(yáng)程及耗電量。由于冷卻水供回水溫差的增大，使冷水機(jī)組的冷凝溫度上升。在冷凍水側(cè)，蒸發(fā)器換熱面積保持不變的情況下,通過(guò)冷水換熱系數(shù)與流速的關(guān)系、總傳熱系數(shù)與流體對(duì)數(shù)平均溫差的關(guān)系、蒸發(fā)器的總傳熱熱阻與冷水側(cè)熱阻的關(guān)系以及殼管式蒸發(fā)器中對(duì)數(shù)平均溫差的表達(dá)式,可推得冷水出口溫度two、進(jìn)出口溫差tw與制冷劑蒸發(fā)溫度的關(guān)系為7:（7）式中：t0大溫差工況時(shí)制冷劑蒸發(fā)溫度(),two冷水出口溫度()，tw冷水進(jìn)出口溫差()。由上式可知，在冷凍水出口溫度恒定時(shí),制冷劑蒸發(fā)溫度隨冷凍水進(jìn)出口溫差的增大而提高,隨其減小而降低。在冷凍水進(jìn)出口溫差恒定時(shí),制冷劑蒸發(fā)溫度隨冷凍水出口

14、溫度的上升而提高,隨其降低而降低。因此,對(duì)于大溫差運(yùn)行工況,與名義工況條件相比,雖然冷凍水進(jìn)出口溫差增大,但制冷劑蒸發(fā)溫度隨冷凍水進(jìn)出口的溫度變化而變化，其值可能升高也可能降低。對(duì)冷水機(jī)組制冷量與能耗分析如下：制冷量計(jì)算： q0=ktm （8）（9）（10）式中：q0冷水機(jī)組冷量kw，tm制冷劑與冷凍水對(duì)數(shù)平均溫差，1冷凍水側(cè)換熱系數(shù)，2制冷劑側(cè)換熱系數(shù)。水側(cè)換熱系數(shù)：在計(jì)算中，我們選取適當(dāng)?shù)乃魉?，使溫差時(shí)的雷諾數(shù)re104，處于旺盛紊流區(qū)。nu=0.023re0.8r0.3 （11）（12）文獻(xiàn)11核算冷凍水大溫差時(shí)對(duì)冷量的影響和對(duì)傳熱面積的要求顯示：常規(guī)溫差與大溫差10（進(jìn)水17，回水7

15、）相比，大溫差時(shí)傳熱系數(shù)減少，但增大了對(duì)流換熱兩側(cè)的傳熱溫差由（3.99到4.33），在冷負(fù)荷不變的情況下，按常規(guī)溫差設(shè)計(jì)的冷水機(jī)組，不改變傳熱面積同樣可以實(shí)現(xiàn)冷水大溫差運(yùn)行。資料分析顯示9，當(dāng)冷水機(jī)組的冷水出口溫度不變時(shí),將冷水溫升加大1倍,電機(jī)功率變化很小,或沒(méi)有變化,甚至有所下降,而壓降則明顯減小。當(dāng)冷水機(jī)組在冷水進(jìn)出口溫差相同時(shí),隨著冷水出口溫度的降低,單位質(zhì)量制冷量能耗增加;制冷效率相應(yīng)有所降低。在冷水進(jìn)口溫度相同時(shí),隨著冷水進(jìn)出口溫差的增大, 冷水機(jī)組蒸發(fā)溫度降低,單位質(zhì)量有效能損失呈明顯上升。機(jī)組的冷量和軸功率均相應(yīng)下降,但是下降的幅度有很大的不同,蒸發(fā)溫度降低1,冷量減少1.8

16、%6%;而軸功率減少00.5%。降低蒸發(fā)溫度,則電機(jī)功率增加,尤其是冷水初溫降低至5時(shí),電機(jī)功率明顯上升。但當(dāng)冷水溫差不變時(shí)，冷水機(jī)組進(jìn)出口水溫越低，制冷劑的蒸發(fā)溫度越低，相應(yīng)冷水機(jī)組的效率就越低，因此，在大溫差下冷水機(jī)組的制冷量可能小于常規(guī)溫差的制冷量，需對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行分析。2.5.1 送風(fēng)大溫差系統(tǒng)末端裝置送風(fēng)大溫差系統(tǒng)，尤其是與冰蓄冷相結(jié)合的低溫送風(fēng)系統(tǒng)，在風(fēng)口處易產(chǎn)生結(jié)露；室內(nèi)的換氣次數(shù)減少，影響室內(nèi)的氣流組織，易形成局部過(guò)冷和局部過(guò)熱的現(xiàn)象；且送風(fēng)溫差增大，冷風(fēng)直接送到工作區(qū)時(shí)，人體感覺(jué)不舒適。因此，設(shè)計(jì)送風(fēng)大溫差系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮空調(diào)房間的氣流組織良好，當(dāng)實(shí)際送風(fēng)量不能達(dá)到良好氣流組織

17、所需的送風(fēng)量時(shí)，可采用冷風(fēng)與部分室內(nèi)空氣混合后再送入室內(nèi)。2.5.2 冷水大溫差系統(tǒng)末端裝置對(duì)于同一空調(diào)末端機(jī)組，式（10）中，冷水溫度由常規(guī)溫差t（進(jìn)水溫度t1，回水溫度t2）改為大溫差t（進(jìn)水溫度t1，回水溫度t2），管內(nèi)水流速減少，水側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)1和表冷器的傳熱系數(shù)k值減少。但式（11）中tmax與tmin相應(yīng)發(fā)生變化，對(duì)數(shù)平均溫差tm隨冷水溫差的增大而增大。由式（9）可知當(dāng)采用冷水大溫差后，同一空調(diào)機(jī)組的制冷量可能增大也可能減少。經(jīng)試算，在給定的大溫差t下，取合適的t1和t2，空調(diào)機(jī)組的冷量不變。此時(shí)若降低冷水供、回水溫度（即t=t，t1t1，t2t2），假定風(fēng)側(cè)參數(shù)不變，由式（1

18、1）可知，分子tmax-tmin保持不變，分母ln(tmax/tmin)減少，tm增大。由式（9）得冷量q增大，因此在保證相同冷量時(shí)，降低冷水大溫差的供回水溫度，可以減少空調(diào)機(jī)組的型號(hào)尺寸，降低系統(tǒng)的一次投資。反之若升高冷水供、回水溫度，空調(diào)機(jī)組的冷量將減少，為保證系統(tǒng)的冷量，可增加表冷器的排數(shù)或增加表冷器的迎風(fēng)面積，增加系統(tǒng)的一次投資費(fèi)用。其經(jīng)濟(jì)性需對(duì)具體項(xiàng)目進(jìn)行綜合分析比較。3. 結(jié)論送風(fēng)大溫差減少了送風(fēng)量，冷水大溫差減少了冷水量，使管道、輸送設(shè)備和處理設(shè)備等型號(hào)和尺寸相應(yīng)減少，節(jié)省了空調(diào)系統(tǒng)的一次投資和運(yùn)行費(fèi)用。然而，增大了管道系統(tǒng)和各設(shè)備結(jié)露的可能性，對(duì)系統(tǒng)的保溫提出了更高的要求。空調(diào)大溫差對(duì)冷水機(jī)組和空調(diào)末端裝置的影響比較復(fù)雜。其節(jié)能效果需對(duì)具體項(xiàng)目進(jìn)行具體分析和比較。與冰蓄冷相