汤继保

（合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

随着社会经济的迅速发展，空调系统为人们的工作生活带来了舒适的环境，成为了当前人们现代化生产生活中的必需品，同时空调系统也成为大型建筑物中能耗比例最高的设备。而在空调系统运行中，冷却水系统作为重要部分，并且在运行过程中对资源能源消耗较大，降低冷却水系统能耗对空调系统节能具有重要意义。

常规中央空调的冷却水系统一般采用冷却塔加冷却水泵的方式，利用冷却塔来降低循环冷却水的温度。常规的空调冷却水系统采用32 ℃/37 ℃设计（温差为5 ℃），大温差冷却水系统（温差为6～10 ℃）从冷却水系统改进，分析大温差冷却水对冷水机组的主要性能影响，实现冷水机组运行过程中能够实现能源节约，同时不会影响冷水机组性能正常运行。通过大温差冷却水对冷水机组主要性能以及对冷却水泵等的影响分析，从地区适用性等方面探讨了使用自然冷源大温差冷却水空调系统具有可行性，长期使用可以产生较明显的经济效益，为空调系统的设计提供借鉴。

1 大温差冷却水对冷却水泵的影响理论分析

在研究大温差冷却水对冷却水机组性能影响时，首先分析大温差冷却水对空调系统冷却水泵的影响，这也是基于冷却水泵在整个冷水机组性能影响中的重要性而出发的。水泵的流量G 和功率N 计算见式（1）和式（2）。

其中，Q 为系统的总冷负荷，C 为水的比热容，ρ 为水的密度，Δt 为冷却水的供回水温差，g 为自由落体加速度，H 为水泵的扬程，η 为水泵的效率，1.1 为水泵流量的附加系数。

根据式（1），在总冷负荷相同的情况下，如果使用温差为6～10 ℃的冷却水，则冷却水的流量将比采用传统5 ℃温差减少16.7%～50%，整个冷却水泵的功率也会出现降低。在现今常规空调系统中，冷却水系统的组成主要分为水系统管路、冷凝器和冷却水泵以及冷却塔等部分。在设备实际布置中，一般冷却塔常常布置在房屋建筑的顶部，冷却水管路较长，管路阻力较大，因此冷却水泵的扬程也较高。而使用温度较低的一次冷却水系统，冷却水系统的设置简单，不存在冷却塔等部件，此种运行情景下，大温差冷却水系统对冷却水泵的运行要求则会降低，即使在降低冷却水流量减小水泵扬程后，冷却水泵仍可以满足实际的运行需求。

2 大温差冷却水对冷水机组的性能影响分析

2.1 理论分析

目前，国内外对空调机组性能进行评价主要有以下几个指标，分别是EER（Energy Efficiency Ratio，能效比）、SEER（Seasonal Energy Efficiency Ratio，季节能效比）、COP（Coefficient Of Performance，制冷系数）、IPLV（Integrated Part Load Value，综合部分性能系数）和APLV（Application Part LoadValue，部分负荷应用值）。对冷水机组的实际性能进行评价目前普遍采用的是使用COP 这个性能指标。COP 是一个综合经济指标，就是机组制冷量与机组能耗之比，其值越高说明冷水机组运行的经济性越好，反之则越差。以此在研究大温差冷却水对冷水机组性能影响分析中主要借助制冷系数即COP 进行理论上的分析。

首先从冷却水温差对冷凝换热器的影响进行分析，换热器的传热方程为：

式中 K——冷凝器传热系数，W/（m2·℃）

A——冷凝器传热面积，m2

Δtm——冷凝器冷却水对数平均温差，℃

t0——冷凝温度，℃

t1——冷却水出口温度，℃

t2——冷却水进口温度，℃

同一冷水机组当冷凝器侧换热量一定时，随着冷却水温差的逐渐增大，冷却水流量随之降低，冷凝器的传热系数随着冷却水流量的变化而变化，QLN=QLN′，则。其中，R 和R′不同冷却水流量时冷凝器传热热阻，（m2·℃）/W。

冷凝器传热热阻R 包括制冷剂侧热阻、冷却水热阻、污垢热阻、管壁热阻等。对于同一换热器，当冷却水流量变化时，只有冷却水侧热阻变化，其余热阻均基本保持不变。

冷却水传热系数与水流速的对应关系为：

式中α——冷却水侧传热系数，W/（m2·℃）

υ——冷却水流速，m/s

当换热量不变时，冷却水流量与冷凝器冷却水进出口温差成反比，对于相同的冷凝器，水流量与流速成正比，则水侧热阻与冷却水进出口温差的关系为其中，Rw、Rw′分别为不同流量时冷凝器水侧热阻，（m2·K）/W。

对于管壳式冷凝器，在冷却水进出口温差改变的情况下，制冷剂侧热阻、污垢热阻、管壁热阻基本不变，主要变化量是冷却水热阻，冷却水热阻约占整个冷凝器热阻的35%～40%，取其所占比例为37.5%进行计算，大温差冷却水时冷凝器的总传热热阻为

因此整理后可得：

结合上式进行计算，图1 为进水温度为22 ℃、24 ℃、26 ℃、28 ℃、32 ℃，进出水温差在5～15 ℃时的冷凝器冷凝温度变化曲线图。

图1 冷却水进出口温差与冷凝温度变化关系

由图1 可以看出，随着冷却水进出口温差不断增大，冷凝器冷凝温度也在不断提升。冷却水进水温度恒定时，随着冷却水进口温度差不断增大，冷水机组的制冷剂的冷凝温度也出现升高的现象。对于冷水机组性能来讲，制冷剂冷凝温度的变化对整个冷水机组的运行有较大的影响。

如图2 所示，假设蒸发温度不变，当冷凝温度由tk升高到时，制冷循环由“1—2—3—4—1”变为“1—2′—3′—4′—1”。单位制冷量q0=h1-h4=h1-h3，当tk升高时，h3增加，因此（h1-h3）减小，理论比功w0=h2-h1，当tk 升高到tk'时，压缩比增加，h2增加到h'2，w0随tk 的升高而增加，tk升高时，q0降低，w0升高，因而制冷系数COP 下降。

2.2 假定运行工况分析

对大温差冷却水对冷水机组性能影响，根据实际运行工况进行假定分析。假定冷水机组制冷量恒定，根据冷却水流量的变化状况进行具体分析。运行工况1，假定冷水机组冷却水进口温度不变，出口温度发生变化，冷却水流量也出现变化。运行工况2，假定冷水机组冷却水进口和出口温度都出现变化，但变化是相同幅度，即在温差相同下整个冷却水的流量不会出现变化。

图2 冷凝温度变化时制冷循环的变化

运行工况1 分析，将冷却水出口温度变化控制在25～37 ℃，根据上面分析，冷却水的流量与其进出口温差呈反比关系，即冷却水进出口温差越大，其流量就会变得越小。随着冷却水进水温度不断降低、出水温度不断升高，那么整个冷却水流量则会降低（图3）。

图3 冷却水出水温度与其流量的关系

图4 为运行工况1 冷却水进出口温差与机组COP 的关系：在冷却水进水温度恒定的状况下，如果冷却水出水温度增大，则整个冷水机组的COP 会降低，但所需的冷却水流量减小；如果进出水温差不断减小，则整个冷水机组的COP 不断增大，但冷却水流量也呈现出上升的趋势。

图4 运行工况1 冷却水进出口温差与COP 的关系

其次，针对运行工况2 进行分析，在冷却水进出口温差控制在特定范围内，保证整个冷却水流量恒定的情景下，对相同进出水温差状况下空调机组制冷性能系数进行分析。图5 为运行工况2 冷却水的进口温度与机组COP 的变化关系，由图可得，相同冷却水进出口温差和流量恒定条件下，冷却水温度越低，整个空调机组的制冷性能系数越高，即空调机组的制冷性能越好。如果在冷却水进水温度恒定条件下，进出口温差不断增大，那么整个冷却水流量将会降低，整个空调机组的制冷性能则会降低。因此，理论上使用温度较低的冷却水，可以通过增大进出口水温差的方法达到较好的制冷效果。

图5 运行工况2 冷却水的进口温度与COP 的关系

3 不同水源情景下大温差冷却水对冷水机组性能影响分析

为了进一步分析大温差冷却水对冷水机组性能影响，通过深井水和江河水两种不同的自然水源作为一次冷却水进行分析。通过试验测定发现，我国温和地区夏季气候条件下，深井水的水温为19～24 ℃，而江河水的温度为22～31 ℃，两种水源测量温度均比空调机组冷却塔所使用的冷却水水温低。而对于深井水来讲，深井水的温度比较稳定，不会受到外部环境的影响，而江河水的水温变化会受到外部环境变化，取水深度、补给水等的影响，江河水的水温会出现较大的波动变化。

借助以上深井水和江河水进行试验分析：将深井水用作为冷水机组的冷却水时，其进出口温差可达到10 ℃，实际测定冷水机组的制冷性能系数达到了6 左右，大大高出冷水机组的额定制冷系数值。将江河水作为冷水机组的冷却水时，由于江河水温度会随外部环境等因素的影响不断出现变化，在外部环境温度较高的情景下，整个冷水机组的制冷性能系数可大到或者略高于额定值；而在江河水温度较低的情景下，空调机组的制冷性能系数则会提高，且提高范围能够达到6 左右。整体而言，冷却水使用水源的温度越低，整个制冷性能系数则越高。

在针对深井水和江河水温度测定基础上，进一步明确如果使用深井水作为冷水机组的冷却水，则要求打井地点距离供冷建筑物较近，且要求该地区地下水资源丰富。如果使用江河水作为冷水机组的冷却水，则要求江河水取水口与供冷建筑尽量接近，取水口距离水面要有一定的深度，同时输送管道也需采取一定的保温措施，否则江河水的水温则会上升，影响冷水机组制冷性能系数。

4 结束语

综上所述，在针对大温差冷却水对空调机组制冷性能影响分析基础上，能够得出冷却水的进口温度越低，冷水机组的COP 值越高，大温差小流量冷却水系统能够对提高冷水机组的能效比起到积极作用，即使冷却水的进口温度较高时，大温差冷却水系统的制冷性能系数也接近常规空调系统的额定值，而由于大温差冷却水系统的冷却水泵运行能耗降低，同时节省了冷却塔能耗，大温差冷却水系统具有节能优势。在近水源地或水资源丰富的地区，采用深井水、江河水等自然冷源的大温差冷却水空调系统具有节能优势，具有一定的推广前景。