空调大温差研究_5_空调冷水大温差系统设计方法

　　2001年第31卷第2期?64?　

　　技术交流园地

　　空调大温差研究(5):空调

　　冷水大温差系统设计方法

　　湖南大学　殷　平☆

　　提要　就冷水机组、空调机组、水泵等的选择,介绍了空调冷水大温差系统的设计方法,指出空调冷水大温差系统与常规温差的空调系统有本质区别,应选用大温差专用空调机组,采用

　　定露点设计法,水力计算宜采用优化设计,以使冷水大温差系统获得更佳的经济性。

　　关键词　大温差　冷水系统　设计方法

　　Researchoflargetemperaturedifferenceinaironing(5):designmethodofthesystemwithaargteerence

　　betweensupplydwAbstract　Presthegmetdofthesystemwithalargetemperaturedifferencebetweensupandtnwateinrespectsofspecificationofchillerunits,airconditioningunitsand,etc.

　　Pointsoutthatthereisanessentialdifferencebetweenthelarge

　　temperatureferenceairconditioningsystemandconventionaltemperaturedifferenceairconditioningsystem.Suggestsdesignerstochoosethespecialairconditioningunitandadoptthefixeddew2pointtemperaturedesignmethodandoptimizedhydrauliccalculationinordertoobtainbettereconomicaleffect.

　　Keywords　largetemperaturedifference,chilledwatersystem,designmethod★HunanUniversity,China

　　0　引言备水路串联的方法又过于复杂,因此目前冷水大温差系统主要用于全空气系统。广州地铁二号线19个站台的集中

　　)冷水大温差式空调系统就采用了10℃温差

　　(7℃/17℃

　　采用冷水大温差的常规空调系统,在设计方法上与采用普通温差的常规空调系统不同,这点从文献[1]的阐述中可以清楚地看到。为获得所需要的大温差,目前有两种不同的设计方法,方法一是专门设计大温差系统用的空调机组,使其进出表冷器的冷水温度达到要求的温差;方法二是使新风机组和空调机组的冷水系统串联,冷水机组出来的冷水先通过新风机组的前置表冷器,升温后,再进入空调机组,空调机组出来的冷水进入新风机组的后置表冷器,最后回到冷水机组。上海由境外设计的工程就采用了后一种方法[2]。笔者认为方法二系统复杂,一次投资增加,且新风机组的冷水量一般小于空调机组水量,两者很难匹配,因此本文仅介绍方法一。另外由于风机盘管机组采用10℃温升将牵涉到一系列问题,如,冷量减少、水阻力增加、去湿能力、加工工艺问题等等,需要专门进行研究,而采用空调设

　　技术。

　　1　设计步骤

　　1.1　确定室内设计参数

　　冷水大温差系统室内空气计算参数的确定与常规全空气空调系统相同,但是如果同时采用送风大温差,则室内空气计算参数的确定将有所不同。正如笔者在文献[3]中所

　　☆殷平,男,1944年3月生,大学,教授

　　410012湖南省长沙市湖南大学

　　(0)13902250756

　　E2mail:yinping@http://www.wendangwang.com收稿日期:2000-02-24

　　稿件修回日期:2001-01-12

　　1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

　　　暖通空调HVAC

　　技术交流园地?65?

　　述,大温差送风系统,最佳的设计方法是采用定露点法,因此对冷水大温差系统来说,首要的是确定机器露点L,图1为二次回风大温差系统空气处理示意图

　　。

　　由于定露点法的机器露点需要通过计算最后确定,在确定送风量时,可以预先假设机器露点。根据国内表冷器的实验结果,8排表冷器,迎面风速2.5m/s,10℃

　　),机温升(7℃/17℃

　　图1　大温差空调系统空气处理示意图

　　选择计算;③水泵已按照10℃温升选型,因此如果此时仍然采用常规空调机组,空调系统很可能因为空调机组的冷水温升过小而冷量不够,后果将十分严重。

　　如文献[1]所述,对于同一台空调机组,采用冷水大温差的结果是机组冷量减少,为了达到设计所需要的冷量,或是增加表冷器的排数,或是增加表冷器的迎风面积,或是降低冷水初温,究竟采用哪种方法,需要进行具体的经济分析,一般建议采用增加表冷器迎风面积的方法。

　　空调机组的表冷器计算方法可以参考文献[4],在具体计算时,有几点需要特别注意:

　　①由于系统采用的是定机器露点法,所以表冷器的计算应采用设计型,即已知表冷器风量、空气初终参数、冷水初终温、冷量、冷水量,需确定表冷器的排数、表面管数、表面管长、管程数和水流速;

　　,所以表冷器水阻力不应超过50kPa。

　　,因此应1.3器露点参数可以假设为:tL=11.5℃,露点

　　湿球温度tLS=11.3℃,露点的焓hL=32.36kJ/kg;10排),机器露表冷器,迎面风速2.5m/s,10℃温升(7℃/17℃点参数可以假设为:tL=10.5℃,露点湿球温度tLS=10.3℃,露点的焓hL=30kJ/kg。如果空调机组计算所得机器露点与假设不合,应重新假设机器露点进行计算,利用计算机,可以很容易完成这项工作低于假设值,无需重新计算,行的。[,,4排表冷器即18可达到10℃温差,可将冷水初温提高到9～10,或采用更大的温差,其经济性更佳。下送风系统采用冷水大温差系统时,不需要再采用大温差送风系统。

　　1.2　空调机组设计计算

　　,因要求的冷水温差选择适合的冷水机组,而且还可以通过压缩机、冷凝器、蒸发器和电机的不同组合选择出多种型号的冷水大温差机组,同时还可以根据用户的需要,将重点放在价格上,或重点放在蒸发器的压降上进行选择。设计时,设计师可以根据自己的需要提出具体要求,由生产厂家通过计算机软件确定适合的冷水机组型号。

　　1.4　水系统设计计算和水泵的选择

　　国内空调水系统计算通常都是采用假定速度法。在进行冷水大温差水系统设计时,笔者建议采用优化设计方法,以便获得更佳的经济效益。下面简要说明笔者提出的以

　　[6]

　　“最小年费用法”为基础的空调水系统优化设计方法[7]。

　　当送风温度和空气处理过程的初终参数确定后,即可选择空调机组。正如笔者在文献[1]中指出,冷水大温差空调系统用的空调机组与常规空调系统用的空调机组有原则性的不同。

　　国内空调教科书和设计手册介绍的表冷器计算方法,都不限定冷水温升,都是假设水流速,在给定的冷水初温的条件下,确定冷水终温和冷量。另一方面,虽然空调机组的国家标准将冷水温升5℃作为空调机组必须保证的性能参数之一,但是令人遗憾的是,目前国内绝大多数空调机组生产厂,均未掌握如何控制冷水温升这一技术。根据调查,目前这些生产厂采用的都是管程数等于排数的加工工艺,其结果是,小风量的空调机组出现小温差,大风量空调机组出现大温差。对于采用常规温差的空调系统,由于:①冷水机组的水量是按照5℃温升确定的;②管内水流速普遍偏低;③系统安全系数较大,因此空调机组无法保证规定的5℃温差,对系统影响并不明显。

　　但是冷水系统采用大温差后,由于:①冷水机组的水量已按照10℃温升设计;②水系统的管径已按10℃温差

　　所谓最小年费用法,就是把需要进行经济比较的几种方案,从开始施工到施工结束年的所有投资,用规定的年利率折算到基准年(项目完工年),然后把它平均分摊到项目经济运行期的每一年;再和年运行费用相加,称为年费用。对各方案的年费用进行比较,年费用最小的为最经济方案,故称为最小年费用法。

　　进行冷水系统优化设计时,其目标是使冷水系统的年运行费用达到最小,优化的目标函数为

　　Z=

　　+Cf

　　(1)

　　式中　Z———年折算费用,元/a;

　　I———空调水系统的一次投资,元;f———现值系数,f=

　　i———年利率;t———回收年限。

　　tt;i(1+i)

　　1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

　　2001年第31卷第2期

　　?66?技术交流园地　

　　C———年运行费用,元/a。

　　室内空气设计参数:tN=26℃。

　　2.2　空调负荷

　　(2)

　　空调水系统的一次投资按下式计算

　　I=

　　∑In+

　　Ib+Ip

　　人体负荷:qR=96311810.89/1000=

　　1551.5kW

　　式中　In———第n段管段的管材、配件及保冷材料的费

　　用,元;

　　　Ib———安装费用,元;

　　Ip———水泵的费用,元。

　　灯光负荷:qD=5028893/1000=1444.7kW建筑负荷:qJ=3028893/1000=866.8kW设备负荷:qS=66kW

　　室内冷负荷:Q=1551.5+1444.7+866.8+66

　　(3)

　　运行费用按下式计算:

　　C=Np?Ceτ+R

　　=3929kW

　　式中　Np———水泵耗电量,kW;

　　Np=

　　室内湿负荷:W=96310.1840.89

　　=1577.2kg/h=0.438kg/s

　　η

　　W———水泵水量,m3/s;

　　H———水泵扬程,m;

　　热湿比:ε=3929/0.438=8968.2kJ/kg

　　2.3　确定室内相对湿度和送风量

　　假定空调机组机器露点参数:tL=11℃,tLS=10.8℃,hL=31.43kJ/kg。

　　采用正压送风空调机组,0.2℃,确定送风点S:tS=℃,hS=31.63kJ/

　　kgS,确定

　　η———水泵运行效率;

　　　Ce———电价,元/(kW?h);

　　τ———空调系统年运行时间,h/a;

　　R———年维修和管理费用,元/a。

　　与优化计算相关的量包括:

　　①价格指标:电价及保温材料价格,水泵价格;②管材规格:不同规格的管材的质量;③空调系统年运行小时数。优化计算的约束条件:

　　;;

　　③管内流速≤vmax,不过正如文献[1]所述,采用水系统最优化设计,在给定的常规水泵扬程下,最高水速限制已失去意义,计算结果一般不会超过2.5m/s。

　　④水力平衡的相对误差5%。

　　由于国产水泵型号规格较少,在同一水量下,同一种水泵,一般只有几个扬程可供选择,其中有一个扬程应该是最优的,因此水泵的扬程既是约束条件,又是优化目标。冷水大温差系统的水系统优化设计就是在已知冷水机组蒸发器水阻力、空调机组的水阻力、各末端用户所需流量、管道布置、管段长度的条件下,根据几种可供选择的水泵扬程,确定在某一扬程下,年费用最小;当回收年限一定时,即确定在某一扬程下,水系统的一次投资最少。

　　2　实例

　　,49%,hN=52.83

　　:L=3929/(52.83-31.63)=185.4kg/s=

　　154.4m3/s=556200m3/h2.4　空调机组选择计算

　　①确定新风比和混合点参数

　　n=

　　L==0.147L556200

　　混合点参数:tC=27.5℃,tCS=20.3℃,hL=58.75

　　kJ/kg。

　　②确定空调机组性能参数,确定机组台数

　　每层送风量:185400m3/h,选用10000m3/h吊挂式柜式空调机组19台,3层共57台。机组迎面风速1.9

　　m/s,机组风机全压450Pa,效率0.72,电机处在气流中,风

　　机温升0.8℃,风道温升0.2℃。

　　风机温升后参数:tC=28.15℃,tCS=20.3℃,hL=

　　58.67kJ/kg。

　　冷水进出水温度:tW1=7℃,tW2=17℃。

　　出风参数:tL=10.78℃,tLS=10.75℃,假设机器露点满足要求。

　　冷量:Q=89.8kW,水量:W=7725kg/h。

　　2.5　确定冷水机组

　　下面以一个超市水系统设计为例,说明冷水大温差系统设计方法。

　　2.1　基本资料

　　建筑物功能:3层超级市场;

　　空调面积:28893m2,每层9631m2,客流量0.33人/

　　m2,新风量8.5m3/(人?h);室内人数9631人,总新风量

　　81863.5m3/h;

　　冷水机组总冷量:Q=89.857=5119kW

　　选用两台2813kW(800rt)美国某公司产离心式冷水机组,冷水机组电机功率505kW;

　　蒸发器水阻力:Δp1=18.83kPa;

　　由于冷水机组的冷量有10%的安全量,所以水泵和水管温升不再考虑。

　　2.6　水泵选择和水系统计算

　　室外空气设计参数:tW=33.5℃,tWS=27.7℃,hW=

　　88.83kJ/kg;

　　1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

　　　暖通空调HVAC技术交流园地?67?

　　①水泵选择

　　冷水机组冷水量:WJ=241920kg/h;冷水水泵水量:WB=242m3/h;

　　蒸发器水阻力:Δp1=18.83kPa;

　　空调机组水阻力:Δp2=16.03kPa;

　　设备阻力:Δp=34.89kPa,在此水量下,可供选择常用水泵扬程有:19,25,33,35m,取安全系数1.15,扣除设备阻力,系统可资用压力为:15.44,21.44,29.44,31.44m。

　　②水系统计算

　　根据系统总水量WZ=2420002=484000kg/h,可资用压力15.44,21.44,29.44,31.44m,根据业主的要求回收年限定为3年,年利率8%,对冷水系统进行优化设计,优化结果如表1所示。

　　表1　水系统优化设计结果

　　水泵可资用扬程/m水管质量/kg水管费用/元配件、保温费用/元安装费/元

　　水泵一次投资/元　

　　水系统总投资/万元一次投资比较/%水泵功率/kW

　　水泵运转费用/万元运转费用比较/%年费用/万元

　　年费用比较/%

　　15.4421.4429.4431.44637374396341513337583824192637752490792025501835611266121195589722442448539038736863729977490413=105213=132163=197333=27123315633964859199101.881.277.6965.881251009681222=44302=60372=552=20.5227.9834.51.7359.3976.64109129

　　由表1可以看出,不同的水泵扬程,水系统的一次投资和运转费用是不同的,当空调系统每天工作12h,每年工作

　　335天,商业用电1.16元/(kW?h),以25m扬程水泵为最佳。

　　3　结论

　　空调冷水大温差系统的设计方法不同于普通温差冷水系统,设计时应注意:①冷水机组应按大温差选型;②应采用大温差专用空调机组,确保冷水机组进出水温达到设计所需的大温差;③建议采用定露点设计法计算,以减少一次投资和运转费用,并获得更好的室内空气品质和人体舒适感;④水力计算宜采用优化设计,以获得更好的经济效益。参考文献

　　1　殷平.空调大温差系统研究(4):空调冷水大温差系统经济性分

　　析.暖通空调,2001,31(1).

　　2　霍小平..暖

　　通空调,1996,26(4):58-3　.(:,2000(5)66.

　　.见:殷平,主编.现代空

　　).北京:中国建筑工业出版社,1999.

　　.表冷器和加热器的设计计算.见:殷平,主编.空调设计

　　(第2辑).长沙:湖南科学技术出版社,1997.

　　6　吴民强.泵与风机节能技术问答.北京:中国电力出版社,1989.7　殷平,蒋传遐.空调水系统优化设计方法.待发表.

　　?书讯?

　　《流体力学　泵与风机》

　　王宇清主编　估价12.50元

　　该书是中等专业学校供热通风与空调专业和建筑水电设备专业的基础课教材。全书共分两篇。第一篇流体力学,内容包括:流体静力学;流体动力学的连续性方程和能量方程;流动阻力能量损失;管路计算;孔口管嘴出流与气体射流。第二篇泵与风机,内容包括:泵与风机原理、构造和性能参数;离心式泵与风机的运行分析;泵与风机的调节及选择。

　　《通风与空气调节工程》

　　赵淑敏主编　估价15元

　　该书是中等专业学校供热通风与空调专业主干课教材。内容包括工业通风和空气调节两大部分。全书较全面地论述了通风、空调系统的组成,设备的构造及工作原理,一般风道系统和水管系统的设计计算方法及系统的测试调整等。

　　《供热系统调试与运行》

　　赵庆利主编　估价12.50元

　　《热工学与换热器》

　　余　宁主编　估价15元

　　该书为中等专业学校供热通风与空调专业基础课教材。内容包括:热力学第一定律,理想气体的热力性质及热力过程,热力学第二定律,水蒸气,湿空气,稳定导热,不稳定导热的基本知识,对流换热器,辐射换热等。该书每章都有小结,习题编排具有针对性。

　　该书是中等专业学校供热通风与空调专业主干课教材。其主要内容:①介绍了供热系统运行调节的专业理论基础、常用调节控制法、调节设备及适用情况;②介绍了供热系统运行、维护保养及有关管理方法;③概念性地介绍了供热系统微机自控的原理、方法及主控设备知识。

　　以上书籍均由中国建筑工业出版社编辑出版,除作为教材外,还可供有关工程技术人员参考。

　　1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.