冷冻水系统大流量小温差的分析

邓曙光

空调技术

冷冻水系统大流量小温差的分析

邓曙光

（上海市机电设计研究院有限公司，上海200040）

根据冷却盘管的静态特性曲线，分析了实际运行的冷冻水系统中存在的盘管动态特性、通断控制、进风焓值低、旁通、经过盘管的风量偏小、盘管换热量不足等因素，并利用相对冷量－相对流量图对这些因素引起的冷冻水系统大流量小温差现象进行图示，供设计、运行参考。

冷冻水； 大流量小温差

0 引言

空调系统的能耗主要由制冷机、水泵与风机能耗构成，其中制冷机的能耗约占60%，水泵、风机的能耗约占40%[1]。近几年来制冷机的能效比提高较快，对名义制冷量大于2100kW的水冷离心式制冷机COP要求不小于5.9。而水泵的效率变化较小，为了减少冷冻水的输送能耗，在满足末端供冷的前提下，避免出现大流量小温差的现象。但实际运行的冷冻水系统中大流量小温差现象很普遍，本文分析了引起大流量小温差现象的一些因素。

1 盘管换热静态特性

盘管换热静态特性指盘管的换热量与流量之间的关系，如图1所示，工况点与原点连线的斜率表示对应工况下冷冻水供回水温度，在部分负荷时，回水温度明显变高于设计工况下的回水温度；加之一个中央空调系统大部分时间运行在部分负荷，应该出现小流量大温差的现象，但这与实际运行情况不符合。

2 盘管动态特性

空调箱调节阀的开度一般由回风温度控制，采用

PDI算法，使回风温度保持在设定值（一般为26℃）。根据现场观察，回风温度基本能控制在26℃，但调节阀开度却一直不断变化，振荡不停，有时甚至全开。从自动控制过程来看，是通过调节阀调节冷冻水供水量，来调节送风温度，从而调节回风温度，这个过程包含了3个惯性环节：回风温度－传感器－控制器－执行器－冷冻水流量，冷冻水－盘管－送风温度，送风温度－室内冷负荷－回风温度。从控制效果看，由于惯性环节的存在，使得回风温度变化缓慢。但由于传感器的随机误差不可避免，这就使得回风温度的变化与传感器随机误差叠加的总的温度变化被惯性环节放大，从而使得控制器的输出信号加大。同时调节阀采用PID控制时，受到1mm阶跃信号时，执行机构上升时间约为0.3s，误差带宽度为稳态输出值的2%时，调整时间约为0.22s[2]，受到机械部分的限制，阀芯的移动速度仍可达到4mm/min、5.3mm/min、16mm/min、21mm/min等[3]。这就使得调节阀的输出一直在振荡，说明即使在很短的时间内，部分负荷状态点一直在盘管特性曲线上移动，而不会固定在某一点。在某时间间隔内，A点与B点为波动的两个工况点，冷冻水相对流量分别为mA、mb，相对制冷量分别为qA、qb，记盘管的额定流量为M，额定冷量为Q。令处于A点与B点的工况持续的时间分别为dτA、dτB，按照平均制冷量计算方法，在dτA+dτB时间内的相对冷量为：

为了便于图示，取dτA=dτB，

按静态考虑，在图2中表示为C点，按照动态考虑，对冷冻水流量也进行加权计算，在图2中表示为D点，从图2可以看出D点的流量要大于C点，D点的回水温度要低于C点。这说明在实际系统中回水温度要比按稳态计算得到的回水温度低。

3 通断控制

风机盘管的电动两通阀只有两种工作状态：开启、关闭。当阀门运行良好时，阀门关闭时，没有水流经盘管，工况点可表示为图3中的A点；阀门开启时，风机盘管所在区域的温度可以维持在一个范围内，单个风机盘管的工况点范围可表示为图3中的线段BC。当1台风机盘管开，另1台风机盘管关闭时，理想状态下的工况点将落在AB中点与AC中点的连线上；某个区域内的总体特性由这个房间风机盘管开启个数与各个风机盘管的工况点共同决定，总的当量工况点的应位于ABC组成的三角区域内，实际运行中，风机盘管冷冻水进出口的可资用压力一般大于额定工况下的需要的压力，单个风机盘管的工作点范围可表示为图3中的线段DE，从而某个区域内的总的当量工况点的应位于ADE组成的三角区域内。这也导致了大流量小温差现象，而且系统中风机盘管的比例越大，大流量小温差现象越明显。

4 进风焓值低

对于一次回风定风量系统，盘管选型是按室外新风与室内回风混合点空气状态来确定盘管的进风参数，对于设计良好的系统，回风温度基本保持不变，但室外新风空气状态点一直都是在变化的，大部分时间室外新风焓值是低于设计工况的，这就导致盘管的进风状态点焓值大部分时间也是低于设计工况的，图4分别给出了盘管在（干球/湿球温度）25.6/18℃、24/17.5℃、23/17.1℃、21/16.5℃进风状态下的特性曲线。从图中可以看出，盘管进风焓值低，也会引起大流量小温差的现象。

5 旁通

由于设计、施工、运行管理等方面存在不完善的因素，空调水系统中常常出现不正常的旁通现象，如水系统在车间或每幢建筑的入口处的冲洗旁通管上的阀门未关紧，这必然导致大流量小温差的现象；另外，在空调箱进出水管处设置的冲洗旁通管上的阀门没有关紧，也会导致大流量小温差的现象。

为了便于图示，令经过旁通支管上的流量始终与经过盘管的流量相等，旁通支管上的工况点表示为图5中的E点，盘管与旁通管并连后的等效特性曲线如图5中盘管特性曲线2所示，图中D点与旁通管并联后的等效工作点如图5中F点所示，F点与原点的连线的斜率远小于D点与原点连线的斜率，说明F点的温度要小于D点的温度，同时F点的流量要大于D点的流量。对于实际运行的系统，由于旁通支管的阻力远小于盘管支路，等效的盘管特性曲线还要向右移动，这时大流量小温差现象更严重。另外，电动调节两通阀的旁通阀没有关紧，会导致调节阀的调节性能大大下降，甚至丧失，盘管一直以超过所需的流量运行，导致大流量小温差现象。

6 经过盘管的风量偏小

在运行管理中，由于风机供电电压偏低、过滤器未及时清洗、盘管积灰、风机与电机间的传动效率下降、对原空调风管简单的改造等，均可引起经过空调风量的减小，风量减小，这时盘管的析湿系数增大，出风温度降低，盘管的换热系数降低，盘管总的换热量减少，盘管出水温度降低，这时也会引起大流量小温差现象，这时盘管的特性曲线会向下偏移，如图6所示。

7 盘管换热量不足

在进行盘管选型时，某些厂家的选型会依据试验样品的试验结果的经验公式进行放大计算，导致了选

型误差；甚至某些没有试验条件的企业通过抄袭其他厂家的相关样本来选型；有些代加工企业为了节约成本减少盘管的排数，这些均可造成盘管选型偏小，导致盘管换热不足。另外系统长期运行后，盘管内部结垢，外部翅片积尘过多，也导致盘管换热不足。如图7所示，A点为盘管实际的满负荷工况点，但由于盘管换热不足，导致不能满足实际负荷的要求，这时只能通过加大通过盘盘管的冷冻水流量来提高盘管的换热量，但这必然引起大流量小温差的现象，如图7中B点所示。

8 结语

空调冷冻水系统在实际工程中总是存在大流量小温差的趋势，有些是盘管与系统固有的特性造成的，无法避免，如盘管的动态特性引起的大流量小温差现象，但这不会引起冷冻水供回水温差低于设计温差；如通断控制与进风焓值低引起的大流量小温差现象，会引起冷冻水供回水温差低于设计温差。其他各种原因引起的旁通、经过盘管的风量偏小、盘管换热量不足，导致的大流量小温差应尽量避免。当系统出现大流量小温差的现象后，会导致：

（1）部分负荷时水系统中的水流量大于实际需要的水流量，增加了水泵的功耗；

（2）由于水泵的最大流量一定，而系统的供回水温差变小，会影响冷冻机组的额定输出能力；

（3）在高负荷率时部分末端的供冷量不足。

对于运行维护，特别是大型工厂，站房与各车间的末端的运行、维护是由不同人员进行的，第一种情况常常被忽略，对于后两种情况，在没有找到大流量小温差的真正的原因的情况下，一般是通过降低冷冻机的供水温度或增加冷冻机的方式来解决，但这并不是根本的解决方法。因此需从设计、施工、运行管理等多方面着手，减少非系统固有特性引起的大流量小温差现象，才能真正节约水泵的输送能耗。

[1]李彬，肖勇全，李德英，等.变流量空调水系统的节能探讨[J].暖通空调，2006，36（1）：132～136.

[2]王志.电动调节阀动态特性与控制研究[D].山东大学硕士论文，2013：75，76.

[3]施俊良.调节阀的选择[M].北京：中国建筑工业出版社，1986：167～169

Analysis of Large Flow Rate with Small Temperature Difference of Chilled Water System

DENG Shu-guang

（Shanghai Institute of Mechanical&Electrical Engineering Co.，Ltd，Shanghai 200040，China）

Accordingtothestatic characteristic curveofthecoolingcoil，itpresentsrespectivelytheanalysisoflarge flowratewithsmall temperaturedifferenceofchilledwatersystemontherelativecoolingload-relativeflowratediagramafter analyzingthefactorssuchasdynamic characteristic ofthecoolingcoil，on-offcontrol，thelowenthalpyofinlet，thebypass of chilled water system，the low air volume through the cooling coil，the insufficient heat exchange between the air and chilledwater.Itcanbereferredbydesignerandoperator.

chilledwatersystem； largeflowratewithlowtemperaturedifference

TU831

B

2095-3429（2016）02-0059-04

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.014

2016-03-16

修回日期：2016-04-18

邓曙光（1983-），男，江苏盐城人，硕士，工程师，主要从事工业建筑的暖通系统设计工作。