节能环保在制冷空调水系统中的应用

曹 玄

(湖南城市学院市政与测绘工程学院，湖南 益阳 413000)

ln[Δ]t/(tw-t)+1〗=Δt/(2.5+0.413 9Δt0.8)

ΔN=N′-N

Q3=qρwc(to-ti)

Q4=qiρ(ho-hi)



节能环保在制冷空调水系统中的应用

曹 玄

(湖南城市学院市政与测绘工程学院，湖南 益阳 413000)

介绍了变频技术、大温差技术及冷凝器的选择等在制冷空调水系统中节能环保的应用技术，并分别对各节能方式进行了机理和节能分析，分析结果表明三种节能方式在一定程度上都可以达到节能环保的目的，对制冷空调水系统的节能具有重要的意义。

节能环保，变频技术，大温差技术，冷凝器

随着经济的发展及人民生活水平的提高，空调已日渐成为人民生活中不可或缺的一个制冷设备，目前中国已成为全球第二大制冷空调设备消费市场，而空调作为能源消耗的主要设备，与当前能源危机的局势尤其是低碳节能的环保局势有着很大的关系，因此节能环保势必成为制冷空调的一个重要的研究课题。据统计，中央空调的能耗约占建筑能耗的66%，而制冷空调系统中水系统的能源消耗最大，占整个能耗系统的58%左右，如何对制冷空调水系统进行节能环保控制和调节是一个机会同样也是一个挑战。文献对中央空调水系统中冷冻水在不同运行负荷条件下(单级泵定流量、单级泵变流量及二级泵变流量)的节能情况进行了分析研究；文献在暖通空调的应用方面如暖通空调健康性、节能设计及可再生能源的应用等提出了一些节能环保技术。这些文献都在一定程度上分析了节能环保的重要性，但没有具体地涉及制冷空调水系统的节能方式，本文将主要对制冷空调水系统的节能环保的方式进行分析，为制冷空调的节能环保提供一定的指导意义。

1 制冷空调水系统结构

制冷和空调是相互联系又相互独立的两个领域，制冷是一个操作过程，而制冷空调所进行的则是空调中的冷却和减湿操作。制冷空调中水系统的供冷及供热主要是通过水介质来实现的，主要有冷却水系统、冷冻水系统两种形式。图1为制冷空调定流量水系统示意图，冷源以恒量的流量进入水泵流入到冷水机组，在冷水机组运行后经过冷凝器，此时水温将升高，经管道输送到冷却塔冷却，待水温下降后经管道及水泵重新输送到冷水机组和冷凝器中循环利用，如此构成一个水系统。

通过对水系统的结构机理进行分析可知，对制冷空调水系统的节能主要是要控制水系统中的水泵、冷水机组及冷凝器的能量消耗。

2 变频技术在节能环保中的应用

2.1 变频技术

变频技术就是依据频率的变化把直流电转换成不同频率的交流电，或把交流电转换成不同频率的直流电。变频技术的类型主要有交直变频技术、直直变频技术、直交变频技术等。目前变频器是使用最广泛的变频技术，它正朝着数控化、高频率化、数显化、高集成化等方向迅速发展。图2为电流型变频器结构示意图，电路的结构简单、安全、可靠，通常在直流电源上串联一个大电感滤波，大电感的限流作用可为逆变器提供平直、脉动很小的直流电流波，进而逆变器会输出形状为矩形波的交流电流，这些输出的交流电的波形、相位与负载的变化有关。

变频技术随着电力技术等相关理论的不断发展和完善已经进入了一个飞速发展的时代，目前已被广泛地应用于制冷空调系统、电源照明设备、机床设备、电梯设备中。变频技术在制冷空调领域的应用改变了制冷空调水系统存在的高能耗和低效率的状态，有效地提高了制冷空调系统的性能。

2.2 变频技术在水系统节能环保中的应用

制冷空调系统的负荷需求是不断发生变化的，其影响因素很多，如受环境温度的影响等，因此结合制冷空调水系统的结构来使用变频技术才能更好地实现空调的节能环保。比较先进的空调系统一般都采用泵变流量水系统，目前常用的变流量水系统有一次泵变流量和二次泵变流量水系统，为了实现变流量的调节，需要借助变频器的使用。图3为水系统中变频控制示意图，它是通过变频器控制水泵的转速来实现水系统中负荷流量的变化。

对于封闭式的制冷空调水系统而言，水泵的功率与流量的关系为:

(1)

变速水泵的能耗可采用式(2)计算:

(2)

其中，H为水泵扬程；Q为水泵的流量；ρ为水的密度；η为水系统的效率。

由式(1)和式(2)可知，当流量发生变化时，其功耗按相应的比例发生变化。因此在空调水系统采用变频技术对水泵实施变频调速控制，使其根据负荷的变化而相应地不断调节电机的转速，减少能源的消耗，达到节能环保的目的。制冷空调作为主要的耗电耗能设备，为满足节能环保的需求，采用变频调速技术是必然的发展趋势。采用变频技术的制冷空调基本上是在轻载的情况下运行的，与没有采用变频技术的空调相比，在室外的气温和负荷发生变化时可通过变频器改变电机的频率来改变相应的转速，不仅能达到节能环保的目的，还可以改善室内的舒适性，同时还能使空调的启动电流减小，电机的启动平滑，所产生的冲击噪声也随之减小，可改善工作环境，并延长制冷空调的寿命。

3 大温差技术在节能环保中的应用

制冷空调水系统中的能源消耗包括冷水机组的能耗和水泵的能耗，它们都与空调的运行工况有关，因此可以通过调节冷凝温度、蒸发温度等工况来改变冷冻水及冷却水的温差。大温差技术则是根据此原理提出来的，它是指通过调节运行工况的参数，改变水流量来达到改变冷冻水进出口温差及冷却水进出口温差的目的，减少冷水机组能耗的损失而实现节能环保的目的。但在实际运行当中，由于大部分时间是处于非设计工况下，因此大温差运行实际是指冷水进出口温差或冷却水进出口温差中有大于名义工况给定温差运行时的情况。

3.1 制冷空调水系统冷水机组能耗的计算

制冷空调冷水机组中制冷循坏如图4所示，由四个热力过程组成。

根据传热学原理可知，冷水机组的冷冻水出口温度tw、进出口温差Δt与制冷剂蒸发温度t的关系为:

ln[Δ]t/(tw-t)+1〗=Δt/(2.5+0.413 9Δt0.8)

(3)

其中，t为大温差工况下制冷剂的蒸发温度；tw为冷冻水的出口温度；Δt为冷冻水的进出口温差。

由式(3)可知，在冷冻水的出口温度tw保持不变的情况下,大温差工况下的制冷剂蒸发温度t会随着冷冻水进出口温差Δt的减小而降低,反之会随着它的增大而升高。

水系统中冷水机组的单位制冷量的能耗计算公式为:

(4)

其中，W为单位理论功；Q1为单位质量的制冷量；η为压缩机效率，h1,h2,h4分别为制冷循坏图中各个状态点的焓值。

对上式进行分析可知，制冷空调水系统中冷水机组在冷冻水进出口温差保持相同时,单位制冷量的有效能损失随着冷冻水出口温度的降低而增加，反之随着它的增大而明显下降。

3.2 制冷空调水系统水泵能耗的计算

根据流体力学相关知识，制冷空调水系统中水泵的压头、功率和流量的关系为：

(5)

(6)

水泵的能耗计算公式为：

ΔN=N′-N

(7)

对上式进行分析可知，在大温差工况下可通过减少制冷空调水泵的循环水量来降低水系统中水泵的能耗损失，从而达到节能环保的目的。通过分析可知，大温差技术在制冷空调水系统的节能性已得到初步验证，通过大温差技术来降低水系统中的冷水机组和水泵的能耗损失，不仅能达到节能环保的目的，还可以降低制冷空调运行的费用，更好地实现制冷空调的经济性。

4 冷凝器在节能环保中的应用

冷凝器是制冷空调水系统中的一个重要组成部分，对它的选择会直接影响到制冷水系统的节能环保。据统计，在整个制冷空调设备能耗损失中冷凝器的能耗损失就占36%左右，因此，要提高制冷空调系统的能效比，达到节能环保的目的，就需要改善冷凝器的结构来降低冷凝器的能耗损失。现在常使用的冷凝器主要有以下三种形式：蒸发式冷凝器、水冷式冷凝器和空冷式冷凝器。每种冷凝器均有其独特的优点和应用场合，空冷式冷凝器相对于其他两种冷凝器来说它的传热系数比较小，但可以同时用于冷和热两方面，而且设备的维护和管理也比较方便简单；水冷式冷凝器相对于其他两种来说它的结构比较紧凑，体积相对较小，传热系数也比较大，但缺点是要配有相应的冷却塔；而蒸发式冷凝器是一种结构更为紧凑的热交换器，它不仅结合了空冷式、水冷式冷凝器的结构，还配有冷却塔，它是依靠水分的蒸发来进行散热，相比水冷式冷凝器来说它的循环水量只占45%左右，因此更具有节能环保的特点。本文只着重分析蒸发式冷凝器在制冷空调水系统中节能环保的应用。

在蒸发式冷凝器中制冷剂单位质量的制冷量的计算公式为:

Q3=qρwc(to-ti)

(8)

冷凝器排热量计算公式为:

Q4=qiρ(ho-hi)

(9)

其中,q为体积流量;qi为进入的空气的流量;c为水的比热容;ρw为水的密度;ρ为空气的密度;to与ti分别为出口和入口温度;ho与hi分别为出口和入口空气的焓值。以R209为制冷剂的制冷空调水系统为例，取冷凝器的冷凝温度分别为35 ℃，36 ℃，37 ℃，通过式(8)，式(9)进行分析计算得到理论上蒸发式冷凝器在节能上分别占到12.7%，10.3%，8.6%左右，这对于制冷空调的节能环保能起到相当大的作用[9,]10〗。冷凝器的合理选择在一定程度上也会实现制冷空调水系统的节能环保，蒸发式冷凝器所展示出来的优势已得到广泛地认可，目前已被应用在石油化工、食品加工等很多大型制冷工业场合。

5 结语

空调作为全球能源消耗的主要设备，加强对制冷空调水系统结构的改善，降低空调系统的运行成本及能源消耗已成为必然的发展趋势。文中所分析到的变频技术、大温差技术、冷凝器的选择等方法均可以在一定程度上实现制冷空调水系统的节能环保，可为制冷空调的节能提供参考依据。

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Energy saving and environmental protection applied in water system of refrigeration air conditioner

Cao Xuan

(MunicipalandSurveyingEngineeringCollege,HunanCityUniversity,Yiyang413000，China)

This paper describes the application technology of inverter technology, a large temperature difference technology and condenser selection in energy-saving of water system of refrigeration air conditioner, the mechanism and energy-saving about these three energy-saving methods were carried out, the results show that they can achieve the purpose of energy-saving to some extent, which has great significance for energy-saving in refrigeration air conditioner water systems.

energy-saving and environmental protection, inverter technology, large temperature difference technology, condenser

1009-6825(2015)01-0199-03

2014-10-29

曹 玄(1993- )，男，在读本科生

TU831

A