蒸发式冷凝机组的性能分析

朱金鸣 曾振威

蒸发式冷凝机组的性能分析

朱金鸣1曾振威2

1江苏省苏中建设集团股份有限公司上海建筑设计分公司
2深圳市拓普威机电设备工程有限公司

通过对蒸发式冷凝机组和水冷机组的制冷性能和耗水分析，认为蒸发式冷凝机组在小冷量（≤528kW）区间内的系统效率占有优势，在大冷量（＞1163kW）区间则水冷机组系统占优。两者均基于水的蒸发散热则两者的冷却水蒸发量应该一致，但蒸发冷凝机组的飘逸和排污损失大于常规的冷却塔，导致前者的耗水量更大。

蒸发式冷凝机组水冷机组制冷性能耗水

0 引言

蒸发式冷凝器以水和空气作为冷却介质，利用水的蒸发潜热带走汽态制冷剂的冷凝热。与通过显热交换带走冷凝热的风冷机组相比，它有效降低了冷凝温度而获得较高的制冷效率。而与水冷冷凝器相比，由于将冷凝器和冷却塔合二为一，省略冷却水从冷凝器到冷却塔的传递阶段，整体换热效率提高，也能降低冷凝温度，且节约了冷却泵和冷却塔的能耗。综合以上几点，从系统上分析蒸发式被认为是最高效和最节能的冷凝方式而获得专家和用户的青睐。

通过对一些厂家的技术参数进行了一系列分析与比较，笔者认为在大冷量区间内目前蒸发冷凝系统的整体能耗还是比常规的水冷机组差，这个可能是由于虽然解决了冷凝器的问题，但在机组其它组件如压缩机、蒸发器、节流装置及其控制系统还存在很大的优化空间与提高。

1 对水冷机组和蒸发冷凝机组制冷性能的分析

[1]列出了两者机组的主要性能数据如表1。

表1 水冷机组和蒸发冷凝机组制冷性能比较

参照某厂家R134a型WSCZ系列蒸发式冷凝螺杆冷水机组的样本，在300～1760kW的范围内，其系统COP在4.40～4.51之间，平均约为4.45左右，与表1中的数据比较吻合。那么其主机本身的平均COP（略去冷却系统）应为1/(1/4.45-0.014)=4.746。

以表1中水冷式机组系统COP在3.2～3.8为基础，则主机本身的COP在1/(1/3.2-0.038)=3.643与1/(1/3.8-0.038)=4.441之间。参照GB19577-2004《冷水机组能效限定值及能源效率等级》，在小于528kW的冷量区间，该效率高值约等于3级能效，低值甚至低于5级能效；在大于528kW至1163kW的冷量区间，其高值略高于4级能效（5.3），而低值远远低于5级能效；在冷量大于1163kW的区间，高值介于4级与5级之间，低值也远远低于5级能效。它们无法满足GB 50189-2005《公共建筑节能设计标准》规定的大于1163kW螺杆机组所需的最低能效标准（4.6），高值勉强高于528～1163kW所需的4.3，稍高于528kW机组所需的4.1。

因此，很显然，就目前市场销售的螺杆主机而言，其本身的性能系数COP被严重低估，用于产品或系统性能比较比较则失去其合理的基础。

目前为满足GB19577的节能产品要求，冷水机组的性能系数至少应达到2级，其限值分别为4.7（冷量≤528kW），5.1（528<冷量≤1163kW），5.6（冷量> 1163kW）。另外参照GB 18430.1-2007《蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组第1部分：工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组》，单位冷量的冷却水流量为0.215m3/(h·kW)。再依据GB7190.1-2008《玻璃纤维增强塑料冷却塔第1部分：中小型玻璃纤维增强塑料冷却塔》规定的耗电比不大于0.035kW/(m3/h)，则单位冷量的冷却塔耗电为0.0215×0.035=0.007525。而单位冷量的冷却水泵耗电，由于大部分的项目的冷却水泵安装功率基本与冷冻水泵持平，则参照GB 50189-2005《公共建筑节能设计标准》规定允许的空调冷水管道的最大输送比为0.0241，则水冷机组的单位冷量的冷却水泵和冷却塔耗电为0.0241+0.007525=0.031625。以此为基础，水冷机组的系统COP分别为1/(1/4.7+ 0.031625)=4.092（冷量≤528kW）、1/(1/5.1+0.031625)= 4.392（528<冷量≤1163kW）、1/(1/5.6+0.031625)=4.757（冷量>1163kW）。

因此从上面分析中可以看出，2级能效水冷机组与蒸发式冷凝机组相比：

1）在冷量小于528kW的区间内，水冷机组本身的效率与蒸发器冷凝冷水机组基本一致，但其系统效率低约8%。

2）在冷量介于528kW与1163kW的区间内，水冷机组本身的效率与蒸发器冷凝冷水机组高7.5%，但两者的系统效率基本一致。

3）在冷量大于1163kW的区间内，水冷机组本身的效率与蒸发器冷凝冷水机组高18%，系统效率高出6.9%。

4）就机组本身效率而言，蒸发式冷凝机组并没有体现出冷凝温度低2℃所获得的优势，其系统效率主要获益于冷却水系统的能耗降低，但在大冷量区间，其整体效率低于水冷式机组。

5）任何冷量区间都无法达到其宣称的“蒸发式冷凝机组系统比水冷机组节能15%”的效果[1，2]。

6）如果采用高效的水冷机组，则蒸发式冷凝机组的主机效率和系统效率与水冷主机的差距将更大。

2 对蒸发式冷凝机组节水的分析

关于蒸发式冷凝机组的耗水量，存在着两者两种截然不同的说法。文献[2]认为“蒸发式冷凝器属于耗水设备”，其循环水量与5℃温差的冷却塔基本相当，而其耗水量则为冷却塔的4.3倍。而文献[1]与[3]则认为蒸发式冷凝器的循环水量仅为冷却塔的45%～50%，而耗水量仅为冷却塔的5%～10%[4]。

在文献[5]中列出常规冷却塔中设计工况下每7K温差时水的蒸发量约为冷却水流量的1%，而国内一般设计为5℃温差，则蒸发损失为0.714%，飘逸损失为0.001%～0.005%，两者相加为0.715%～0.719%，每kW所需的冷却水流量为0.215m3/h，因此常规冷却塔的耗水量大致为0.0015m3/h·kW。

而参照同样的蒸发式冷凝机组样本，每kW冷量的平均补水量为0.0014m3/h，按照文献[2]与[4]，蒸发1kg的水能带走2450kJ的热量，则0.0014m3/h补水的散热能力为0.0014×1000×2450/3600=0.953kW，即使不考虑其他损失，很显然也是不足的。实际上，按照之前的计算，蒸发式冷凝机组每kW冷量所需的散热量为1/COP+1=1/4.746+1=1.211kW，因此其补水量应不少于0.0018m3/h。ASHRAE[5]认为每kW冷量的蒸发量为0.5～0.6mL/s（0.0018～0.0022m3/h，前者用于空调，后者用于冷冻，后同）。再加上其他排污及飘逸损失，约占蒸发量的1/4～1/2，因此总的耗水量为0.6～0.9mm3/J（0.0022～0.0032m3/(h·kW)）。

本文认为，蒸发式和水冷式均通过水的蒸发潜热排走热量，冷量相同的情况下，则水的绝对蒸发量应该是一致的（此时没有考虑机组COP对排热量的影响）。但从前面的计算可以看出蒸发冷凝机组的飘逸和排污损失要大于常规的冷却塔而导致其耗水量更大。因此文献[2]指出“蒸发式冷凝器实际耗水量约为一般水冷式冷凝器的5%～10%”“表面上是正确的，但实际上稍加分析就会发现这是一种错误的观点。冷却塔中的那1kg水是循环量而不是消耗量。而蒸发式冷凝器中的那1kg水却是消耗量”。而且由于蒸发式冷凝器的水循环量小，其相对补水量反而更大，如果采用通过导电率或杂质浓度来控制补水的话，则补水系统的反应要更迅速。因此相对而言由于蒸发速度快也更容易结垢，且常年运行在潮湿环境中更容易腐蚀[6]。

3 结论

1）虽然理论上蒸发式冷凝器可以有效降低冷凝温度，但分析发现主机本身的制冷性能没有获得理想中的提升，这个可能是制冷系统的其他部件没有优化匹配所导致；

2）在小冷量区间蒸发式冷凝机组的系统效率优于2级能效水冷机组系统；

3）大冷量区间2级能效水冷机组本身和系统效率均优于蒸发式冷凝机组；

4）两者冷却水的蒸发量冷均基于水的蒸发潜热，应该是一致的。但蒸发冷凝机组的飘逸和排污损失大于冷却塔而导致其耗水量更大。

参考文献

[1]吴允昌.蒸发式冷凝机组在地铁车站的应用分析[J].都市快轨交通,2012,25(8):119-122

[2]李军.蒸发式冷凝器的应用分析[J].制冷与空调,2009,9(3): 33-35

[3]刘长鸣.蒸发式冷凝技术在地铁工程中的应用分析[J].制冷与空调,2013,27(4):339-342

[4]朱冬生,刘飞龙,周璇,等.蒸发式冷凝空调系统的节能节水分析[A].见:中国制冷协会2007学术年会?创新与发展[C].2007

[5]ASHRAE.2012 ASHRAE Handbook:Heating,Ventilating,and Air-Conditioning Systems and Equipment[S].Atlanta:ASHRAE, 2012

[6]李林林.蒸发式冷凝器应用于地铁工程的适用性浅析[J].中国新技术新产品,2010,17:104-105

Pe rform a nc e Ana lys is on Eva pora tive-c onde ns a tion Chille r

ZHU Jin-ming1,ZENG Zhen-wei2
1 Shanghai Architectural Design Branch,Jiangsu Suzhong Construction Group Co.,Ltd.
2 Shenzhen Tuopuwei Electrical Equipment Engineering Co.,Ltd

Analyses the COP and water-consumption for evaporative-condensation chiller and water cooled chiller, presents evaporative-condensation system will have a better efficiency than water cooled one for a chiller capacity less than 528kW,it will become reverse for a chiller capacity larger than 1163kW.The evaporation rate will be equal as heat is rejected through water evaporation on both type of chiller,but water-consumption will be larger for evaporative condensation chiller which holds more drift and blowdown loss.

evaporative-condensation chiller,water cooled chiller,COP,water-consumption

1003-0344（2014）06-073-3

2013-12-18

朱金鸣（1958～），男，大学，高工；上海市永和路318弄4号（200072）；021-66058950-1006；E-mail:zhujm0831@126.com