制冷系统冷却水侧大温差运行能耗分析

(上海电力学院能源与机械工程学院 上海 200090)

空调水系统输送能耗约占整个空调系统能耗的25%[1]，降低输水系统能耗对空调节能具有重要意义。大量研究表明，大温差冷冻水空调运行具有可靠性和经济性[2-5]，但大温差冷却水技术仍在探索之中。对于常规空调而言，大温差冷却水技术在冷却水供回水温差不大于10 ℃时是可行的[6]。文献[7-9]介绍了大温差冷却水技术在系统稳定运行时的节能优势。刘雪峰[10]研究了冷却水温差控制对离心式冷水机组性能的影响，虽然大温差运行增大了机组能耗，但相对于冷却水泵的节能要小得多。廖丹[11]对冷却水温差与热泵系统各部件的经济模型进行了分析，当电价不大于16 元/(kW5h)时，冷却水温差越大越好。当冷却水温差比常规温差高2 ℃时，可减少运行和投资费用分别为3%～7%和10%～20%[12]。冷却水大温差设计由于节约了水系统循环水量，相应减小了水系统的输送能耗，但也造成冷凝压力升高、功耗增大等问题。因此本文研究了空调冷凝器参数、压缩机功耗及进出口压力、冷却水泵功耗随冷却水温差的变化规律，并深入分析在冷却水大温差运行时，单位制冷量压缩机、冷却水泵和热泵空调系统的功耗情况及空调机组性能系数和系统性能系数的变化规律，从而得出空调系统节能效果最好的运行温差。

1 研究方法

热泵实验系统如图1所示，由循环水系统、热泵系统和用户系统3部分组成。水源热泵机组选用水-水整体式MSR-J036，其额定工况参数如表1所示。

图1 热泵机组实验系统Fig.1 Heat pump experiment system

制冷剂制冷剂充注量/kg名义制冷(热)量/kW额定输入功率/kW最大工作压力/MPa制冷 制热制冷 制热排气侧 吸气侧R221.15108.32.12.82.800.95

1)循环水系统包括A、B水箱所在回路。机组运行时，打开阀门A、D，关闭阀门B、C，A水箱里的水经过A阀门由水泵输送到热泵机组中，循环冷却水在冷凝器中吸收制冷剂从室内带来的热量，升温的冷却水经阀门D回到B水箱中，完成循环。其中A、B水箱内各安装有一组5 kW的温控加热器且外部包覆一层3 cm厚的橡塑保温海绵。当冷却水温度低于设置温度时，加热器自动启动；反之，加热器自动断电。保温海绵能够阻止冷却水与外界的换热，保持冷却水处于实验温度。

2)热泵系统，该系统中用户侧是蒸发器，液态制冷剂吸热蒸发变成气态制冷剂，使用户侧冷冻水温度降低，制冷剂经过压缩机升温升压作用后进入冷凝器，由循环冷却水带走热量重新变成较高温度和压力的液态制冷剂，经过节流阀变成低温低压的液体，回到蒸发器，完成循环。

3)用户侧系统包括C水箱回路系统和风机，系统运行前C水箱中充满水，循环水在蒸发器中被制冷剂吸收热量，温度降低的冷冻水进入C水箱中，然后经过给水泵输送到用户，通过风机与室内热空气换热，降低室内温度。

2 理论计算

本实验以夏季热泵机组制冷模式为例，主要研究在用户水源侧冷却水进口温度一定时，冷却水进出口温差对热泵性能及能耗的影响。用户侧供回水温度保持7/12 ℃不变，供回水流量为1.47 m3/h，根据分析确定热泵进口水温为26 ℃，初始进口体积流量为1.2 m3/h，常规热泵空调冷却水进出口温差为5 ℃。通过改变冷却水流量，使冷却水进出口温差在6～10 ℃变化，热泵处于大温差运行状态，每次实验时间约为25～30 min。通过实验，研究不同温差运行热泵机组和系统工况的影响。

蒸发器制冷量[13]：

Q0=KAΔtm=cpGΔt

(1)

(2)

式中：Δtm为蒸发器冷却水与制冷剂的对数平均数；K为冷凝器传热系数，W/(m2·K)；A为冷凝器传热面积，m2；t0为冷凝温度，℃；G为冷却水的质量流量，kg/s；Δt为冷却水进出口温差，℃。

同一机组当冷凝器侧换热量一定时，随着水源侧温差的增大，冷却水流量随之降低。凝汽器的传热系数也随流量的变化而改变[14]，故：

则

(3)

式中：R、R′为不同流量时冷凝器的总传热热组，K/W。

冷凝器传热热阻R包括制冷剂侧热阻、管壁热阻、污垢热阻、冷却水热阻等[15-16]。在冷却水流量发生变化时，对于确定的换热器，只有水侧热阻发生变化，制冷剂侧和管壁的热阻基本保持不变。水侧换热系数与水流速度的0.8次幂成正比[17-18]，即α∝υ0.8。

由式(1)可知，当制冷量不变时，冷却水流量与其进出口温差之间成反比；对于相同管路，水流量与流速成正比，三者关系可用式(4)表示：

(4)

联立式(3)式(4)可知水侧热阻与温差的关系：

(5)

对壳管式冷凝器而言，在冷却水进出口温差改变的情况下，制冷剂热阻、冷凝管管壁热阻及污垢热阻基本不变，主要改变的是冷却水侧热阻，这一热阻一般约占整个冷凝器热阻的35%～40%[19]，计算时取其所占比例为40%。因此，大温差冷却水下冷凝器的总传热热阻为：

(6)

整理上式，可得：

(7)

3 实验结果分析

在制冷模式下，随着水源侧冷却水流量的降低，流经凝汽器的冷却水温差不断增大，根据前文的推倒公式可计算出凝汽器的冷凝温度，根据制冷剂R22的特性利用refprop软件计算制冷剂的参数。在水源侧进水温度不变时，随着进出冷凝器的冷却水温差的增大，制冷剂的冷凝压力如图2所示。

由图2可知，在冷却水进口温度一定时，冷凝温度和冷凝压力随着冷却水温差的增大而不断增大。由于蒸发器参数基本保持不变，冷凝器的冷凝压力与冷却水温差成正比，为了满足制冷剂蒸气能够在凝汽器中充分放热，使压缩机做功增加，压缩机排气压力增大，因为蒸发参数不变，压缩机吸气压力基本保持不变，压缩机排气和吸气压力随循环冷却水温差的变化如图3所示。

图3 压缩机排气和吸气压力随循环冷却水温差的变化Fig.3 Variations of compressor exhaust and suction pressure with temperature difference of circulating cooling water

图4 节流阀进气和出气压力变化Fig.4 Variation of inlet and outlet pressure of throttle valve

因为蒸发器的参数基本保持不变，蒸发器进口制冷剂压力基本不变，又由图2可知，冷凝压力随着冷却水温差的增大而不断增大，使节流阀的进口压力不断增大，节流阀损失增大，节流阀进气和出气压力变化如图4所示。

制冷热泵机组单位制冷量的能耗q1(kW)为：

(8)

式中：Q为热泵供给用户的制冷量，kW；W为热泵循环水泵功耗，kW。

热泵空调机组压缩机的轴功率随冷却水温差的变化如图5所示。以温差为5 ℃的冷却水为基准，不同冷却水温差压缩机单位制冷量能耗变化如表2所示。由表2可知，空调制冷量一定时，空调单位制冷量能耗随着冷却水温差的增大而增大，结合图2和图4可知，冷凝压力随着冷却水温差的增大而增大，蒸发器的参数基本不变，导致节流损失不断增大，空调效率减小。当冷却水温差小于8 ℃时，空调单位制冷量能耗增量变化较为平缓；当冷却水温差大于8 ℃时，热泵空调机组单位制冷量能耗增量变化较为剧烈。分析可知，热泵空调机组不能无止境的增大冷却水温差，随着冷却水温差的增大，机组制冷量在不断降低，热泵空调的单位能耗越大，反而造成热泵有效能源利用率降低。

3.1 给水泵能耗分析

实验采用的给水泵为MS轻型不锈钢卧式变频单级离心泵，根据水泵定律[20]可知，对同一台冷却水泵，由于水泵转速不同引起水泵流量的变化，在理论情况下，水泵功率与冷却水流量的关系可表示为：

(9)

图5 压缩机轴功率随循环冷却水温差的变化Fig.5 Variation of compressor shaft power with temperature difference of circulating cooling water

温差/℃单位制冷量/W压缩机能耗增量/W5222.2206224.121.907225.733.518228.316.099234.1911.9710243.9021.68

但实际运行中给水泵的功率与流量不符合三次方的关系。本实验主要研究冷却水大温差运行对热泵机组性能的影响，由电量感应器和电流表测得水泵功率随流量变化的关系，在制冷量一定时，随着冷却水温差的增大，流量不断减小，水泵的能耗必然降低。该实验水泵功率的变化如表3所示。

由表3可知，当蒸发器吸热量一定时，流经冷凝器冷却水的流量与温差成反比，即随着冷却水温差的不断增大，冷却水流量持续减少，水泵的能耗逐渐降低，给水泵的单位制冷量能耗逐渐降低。当冷却水体积流量从24.45 L/min减小至17.51 L/min时，即冷却水温差从5 ℃增至7 ℃时，给水泵的单位制冷量能耗变化较为剧烈；冷却水流量从17.51 L/min减小至12.44 L/min时，给水泵单位制冷量能耗变化较为平缓。以5 ℃循环水温差水泵为基准，随着温差不断增大，水泵单位制冷量能耗不断降低，水泵的节能效果增加。虽然冷却水温差的增大使冷却水流量减小，降低了循环水泵的能耗，但同时增大了热泵机组的能耗，节能效果还需要具体分析。

表3 不同体积流量下冷却水泵单位制冷量能耗Tab.3 Energy consumption of unit refrigerating capacity of cooling water pump in different volume flow rate

3.2 大温差热泵空调运行的节能分析

图6 热泵空调单位制冷量能耗变化Fig.6 Variation of energy consumption of unit refrigerating capacity of air conditioning

以常规热泵空调单位制冷量能耗为基准，大温差运行热泵空调系统单位制冷量能耗关系如图6所示，其中x轴上方表示相对能耗增加量，x轴下方表示相对能耗减少量，即节能量。由图6可知，以常规热泵空调为基准时，随着循环水温差的增大，空调机组的单位制冷量能耗增量不断增大，在冷却水温差为8 ℃时，空调单位制冷量能耗突然变大；由水泵能耗曲线可知，给水泵的相对能耗减少量也随着温差的增大而不断增大，当温差在5～8 ℃时，单位制冷水泵的节能速率不断增大；而温差在8～10 ℃变化时，虽然给水泵的节能量也不断增大，但其变化率减小。从系统节能曲线可知，空调系统大温差运行时，系统节能效果先增大，随后逐渐减小。分析图6可知，虽然大温差热泵空调具有一定的节能作用，但节能效果随循环水温差的增大而先增大后减小。在温差为8 ℃时，热泵系统的节能效果最佳。

图7所示为热泵空调机组及其系统能效比的变化。热泵机组能效比随着冷却水温差的增大而不断减小；但热泵系统能效比随着冷却水温差的增大，先增大后逐渐减小。在循环水温差为8 ℃时，热泵系统能效比最大。结合图6和图7可知，虽然随着冷却水温差增大给水泵的节能效果不断增强，但整个系统的节能量先增大后缓慢减小，热泵系统能效比也先增大后减小。从第1部分及上述分析可知，冷却水温差增大，制冷剂的冷凝压力增大，蒸发器各参数不变，压缩机的出口压比增大，压缩机功耗急剧增大且增大速率比给水泵能耗降低速率快，导致热泵系统能效比在冷却水温差不断增大时呈先增大后逐渐减小的趋势。所以冷却水大温差运行热泵并非温差越大越好，冷却水温差在7～9 ℃时，空调运行最为节能。

图7 热泵机组及其系统能效比变化Fig.7 The energy efficiency ratio variation of heat pump air conditioner and its system

4 结论

在循环冷却水进口温度保持26 ℃不变时，改变循环冷却水流量，研究了不同冷却水温差下常规热泵空调与常规温差热泵空调单位制冷量能耗的关系。结果表明：虽然大温差热泵主机的单位制冷量能耗高于常规热泵，但大温差冷却水给水泵的单位制冷量的能耗低于常规热泵空调给水泵的单位能耗，且其能耗减少量大于热泵主机耗能增量。总体而言，大温差热泵系统的单位能耗是降低的，具有一定的节能效果。

随着循环冷却水温差的增大，热泵空调机组的能效比逐渐减小；但其系统能效比随着循环水温差的增大而先增大后减小。在冷却水温差为8 ℃时，系统能效比达到最大，为3.173。因此，热泵空调在大温差运行时并非温差越大越好，而是有一定的温差限制。分析可知，循环水温差在7～9 ℃时，大温差热泵空调运行能够有效降低能耗。

本文受上海市科技委能力建设计划项目(15110501000)资助。(The project was supported by the Shanghai Science and Technology Commission′s Capacity Construction Project (No.15110501000).)