温湿度独立控制空调系统中三种高温冷源的分析研究

■张竞予，强天伟，孙 婧 ■西安工程大学，陕西 西安 710048

温湿度独立控制空调系统需要的冷源温度远高于常规空调系统［1］，由于不承担除湿的任务，冷水温度可以从常规系统的5～7℃提高到16～18℃，这就为很多自然冷源的使用提供了条件，如通过土壤源换热器获取冷水、在某些干燥地区通过直接蒸发冷却或间接蒸发冷却方式获取冷水等。当自然冷源无法利用时，可通过人工即机械制冷方式满足温度控制系统的冷源需求。本文选取常规制冷机组、高温制冷机组和蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组三种冷源进行分析。

1 常规制冷机组

在相同的冷凝温度条件下，随着蒸发温度的提高，逆卡诺循环的COP 显著升高。温湿度独立控制空调系统只需制备16～18℃的冷水即可满足室内温度控制的要求，与制备7℃冷水的常规制冷机组相比，制冷机组的蒸发温度明显升高。当冷凝温度均为37℃时，常规低温出水工况下逆卡诺循环的COP 为9，而在高温出水工况下，逆卡诺循环的COP 可达到13，远高于低温出水工况的冷机性能系数。

常规制冷机组的额定出水工况为5～7℃，若将其直接运行在16～18℃的高温出水工况会对机组产生以下影响:(1)当冷凝温度不变，蒸发温度提高后，制冷循环的压缩比显著降低，对螺杆式和涡旋式等固定内容积的压缩机，会导致较大的过压缩损失。(2)当蒸发温度升高时，对吸气容积固定的压缩机，系统制冷剂流量增加，系统容量也同比增加，这就要求蒸发器、冷凝器的换热量增大。而过大的系统容量将导致供需失配和压缩机电机的过载，影响制冷机的安全运行。(3)系统压差的减小和压缩机制冷剂流量的增加，需要系统的膨胀阀开度显著增加;如果采用常规低温冷水系统原有的膨胀装置用于生产高温冷水，将导致制冷系统过热度增大，系统效能不能全面发挥。此外，冷凝器与蒸发器之间的压缩比降低，将影响制冷机组的回油。

综上，出于对机组安全运行的考虑，常规制冷机组一般限定冷冻水出口温度不高于12～14℃，难以在高温出水工况下保持较优的性能。

2 高温制冷机组

高温制冷机组产生16～18℃的高温冷水，其最大的特点是使机组处于小压缩比工况下运行，例如对离心式压缩机可通过调节入口导叶并调节压缩机转速来满足要求。对于常规制冷机组而言，当冷凝温度tk 为36～40℃，蒸发温度t0 为3～5℃时，R22 蒸汽压缩式制冷机组的压缩比为2.3～2.8;如果取t0 为14～16℃来设计高温制冷机组，R22机组对应的压缩比降为1.7～2.0。

此外，在小压缩比下，节流装置前后的冷媒压差显著减小，需要较大容量的节流装置在小工作压差下依然能保持很好的调节性能;蒸发器和冷凝器应选择大容量、高效换热器，可以从提高换热系数或增加传热面积方面提高蒸发器和冷凝器的传热能力;回油系统应保证在小压缩比的工况下，系统能实现可靠的回油。

选取两台额定冷量为4000kw 的格力机械制冷机组为例进行对比分析。

由表可得，当常规制冷机组直接用于制取高温冷水时的性能要明显低于经过优化设计的高温制冷机组。常规制冷机组在制取16℃和18℃冷水的的COP 分别为6.80 和7.05，而经过优化设计的高温制冷机组运行在这两种工况下的性能分别提高了26%和30%，机组性能得到明显改善。

表1 两种机组在不同出水温度时的性能测试结果

3 蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组

该机组可以充分利用室外干空气能来达到节能的目的，在中湿度地区夏季采用蒸发冷却技术制取的高温冷水并不能达到温湿度独立控制空调系统中16～18℃高温冷水的要求，所以将其与机械制冷结合起来，即利用蒸发冷却制取的高温冷水与机械制冷制取的7℃冷水混合来得到满足显热末端温度控制要求的冷水［2］。机组结构如图所示。

图1 蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组结构图

当在室外空气状态下用蒸发冷却技术制取的高温冷水大于16～18℃不能满足要求时，同时开启蒸发冷却段与机械制冷段，将两种不同温度的冷水按照一定比例混合来得到16～18℃的高温冷水。

而当室外空气状态满足要求即只需开机组的蒸发冷却段就能制取满足要求的高温冷水时，则关闭机械制冷段，像在中等湿度地区的过渡季节大部分时间仅需开启蒸发冷却段就可制取18℃以下的冷水。

查《中国建筑热环境分析专用气象数据集》，根据西安地区的室外气象条件统计6、7、8、9 月份制取18℃冷水时机组的运行情况，得机械制冷段和蒸发冷却段同时运行的时间占总运行时间的56.9%;仅运行蒸发冷却段的时间占总运行时间的43.1%。

以西安某建筑为例对蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组进行设计计算［2］，将计算结果列于下表。

表2 蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组的能效比分析

整个运行期的COP=4.3 ×56.9% +13.4 ×43.1%=8.22

由上表可得，蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组在两种运行模式下，机组的能效比都要远大于常规制冷机组的能效比，在蒸发冷却段与机械制冷段同时运行时该机组相对于常规制冷机组能效比提高了43.8%，而在蒸发冷却段单独运行时其能效比甚至提高了3 倍多。室外气象条件允许蒸发冷却段单独运行时间占整个空调运行期的比例越大，整个机组的能效比越高，节能性越好。

4 结论

本文对三种温湿度独立控制空调系统中的高温冷源做了分析，常规制冷机组系统由于受到机组各部件的限制并不能在高温出水工况下保持较优的性能。高温制冷机组对压缩机及机组各部件进行改进，制取高温冷水时机组的能效比得到很大提高。

由于蒸发冷却技术是利用自然资源干空气能来制冷，其节能性必然远高于常规制冷机组，所以在中湿度地区充分利用室外干空气能采用蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组作为温湿度独立控制空调系统的高温冷源，具有很大的节能潜力。

［1］刘晓华，江亿，张涛.温湿度独立控制空调系统［M］.北京:中国建筑工业出版社，2013:137，147 -153.

［2］孙铁柱.蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组的研究［D］.西安:西安工程大学，2009.