大温差冷水系统中风机盘管机组的供/回水温度研究

陆城军

（上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司，上海 200125）

大温差技术在行业中运用日益成熟，但在地铁行业内，可见的是在广州地铁项目中有对多个车站设置大温差集中供冷的运用；而此次在上海地铁23号线中，也拟将大温差技术引入单个地铁车站冷水系统的设计，拟在上海地区地铁范围内首次运用大温差的车站冷水系统，且是单个车站的大温差冷水系统运用。

在设计运用中，车站的空调末端能很好地适用于大温差系统中，但将空调末端中的常规型风机盘管机组直接置于不同的冷水供/回水温度系统中运用时，在现有文献的研究和分析中，发现了一定的不足之处，因而受到一些质疑，比如，在大温差冷水系统中，供/回水温度的设定参数值是否合适；在与设定供/回水温度为7℃/14℃的大温差冷水系统相比，进一步降低供水温度、而回水温度不变或将供/回水温查差提高至10K时得到的大温差冷水系统的研究方法，哪个更适合大温差风机盘管机组的运用。

本文认为，对含风机盘管机组的冷水系统进行大温差小流量的有必要进行研究。在研究中，本文关注的是，基于适合地铁冷水系统的大温差风机盘管的空调供回水系统最佳参数研究。

1 大温差冷水系统的供/回水温度

1.1 确定供/回水温度的原则

大温差冷水系统中冷水机组的供/回水温度既决定于冷水机组，也更决定于能使得风机盘管在新的供/回水温度下冷量能保持不变的条件。也就是说，供/回水温度不是随意可指定的。例如，我们所提倡的大温差冷水系统其主要特征：在冷水系统中冷水机组的供/回水温度为7℃/14℃。7℃/14℃也是该系统中风机盘管的供/回水温度。为保证空调环境符合设计要求，因此，风机盘管与空调机组在标准工况（进气侧）依然达到《风机盘管机组》GB19232所规定的冷量适合的大温差冷水系统中的风机盘管机组，应能在新的供/回水温度设定中，对空气的冷却处理能力与能效等其他性能均不会因冷水量减少而削弱，且它们的其他标准数值仍符合国标《风机盘管机组》GB/T 19232所规定的额定值。此外，系统中的冷水机组、冷水泵在新的供/回水温度中的总能耗应比标准空调冷水系统减少。

大温差冷水系统研究思路，常规的组合式空调机组都是按使用的大温差的供/回水温度计算制造的，因此，未有不同看法。然后，在采用风机盘管时有着不同的思路。

思路1：降低供水温度，回水温度不变或提高至10K。详见文献[1]、[2]、[6]，这种研究分析有其特点是：

供冷能力：对于相同的进水温度，随着供回水温差不断增大，冷量逐渐减小。

在3℃/13℃、4℃/12℃和5℃/12℃低温大温差工况下，风机盘管的冷量相对于标准工况有所增强，但节能效益和经济效益也有一定的显著。

除湿能力：对于相同的进水温度，随着供回水温差不断增大而减小。

盘管阻力随供回水温差的增大而迅速减小。

思路2：我们所提倡的7℃/14℃大温差冷水系统

“大温差”只是区别“标准”而已，选取多少比较合适？

重点是7℃供水温度不变，在风机盘管外形及安装尺寸、盘管表面根数、排数不变前提下，其主要技术性能如冷量、除湿能力不变的要求下，而能达到最大的7K供/回水温差。其特点如下。

供冷能力：7℃/14℃、6℃/14℃、5℃/14℃供回水温度，冷量都达到国标规定的额定值。

除湿能力：与常规型机组的参数相同。

盘管阻力：7℃/14℃时，稍高于常规型机组。类似的观点也有文献[3]。

上海地铁中常规使用的冷水系统，是标准空调冷水系统7/12℃，23号线拟在上海地区地铁范围内首次运用大温差的车站冷水系统，设计供/回水温度为7/13℃。但同样，也有建议23号线的冷水机组进一步扩大供/回水温差，在相关文献[4]、[5]中也说明，供/回水温度为7/14℃的定义更为适合。

1.2 常规型机组和大温差机组主要技术性能的共性与差异

地铁的空调系统含两大内容，其中之一是循环运行的水系统；另一是含对空调区域提供经处理后空气、达到送风要求的末端装置 (如风机盘管机组、组合式空调箱等)。

要设计大温差的冷水系统，冷水机组无论是采用水冷还是风冷均不存在困难，末端机组中的空调箱选配一般也无难处，关键的是风机盘管机组的选择。

对于末端装置而言，依据《风机盘管机组》GB/T 19232，在进风干球温度27℃、湿球温度19.5℃时，所得到的冷量才可作为其标准冷量。而改变末端装置的进风参数或供/回水温度均会改变其冷量、水阻力等性能。有些企业在常规型机组基础上采取了一些措施，使其风量、冷量、噪声能符合国标GB/T 19232规定的额定值，但在机组的输入功率和盘管水阻力等性能参数中，还有一定的不足，会使得水系统的阻力过大或者过小，使得水系统的阻力失衡，不便于水系统的调节。一种适合的大温差风机盘管机组，它应能在大温差条件下仍具有标准冷量，它的其他技术性能如除湿量、水阻力等也应维持或提升性能参数，详见文献[4]、[5]。地铁空调系统中，主要设备是组合式空调及柜式空调机组，风机盘管机组常规用于出入口及换乘通道空调区域，常将风机盘管机组的系统与非主要负荷区域的空调使用同一根冷水系统的水支管，如在大温差冷水系统中使用了常规风机盘管机组，因水阻力失衡，使得风机盘管机组所在的水系统扰动增大，导致空调末端失衡。而为大温差冷水系统量身打造的大温差风机盘管机组，在冷水水量降低时，也维持了合适的水流速及水阻力与非主要负荷区域的空调的参数相近，很好地避免了这一缺点，很好地维持了水系统的稳定，也便于水系统的调节。

1.3 对除湿功能的质疑

对于大温差风机盘管机组的除湿能力有疑问，那么除了在文献[4]、[5]中有实测对比。说明“常规型机组的除湿能力与大温差机组的除湿能力相同；供水温度相同，供回水温差越小除湿能力越强；对于采用相同的供/回水温差，降低供水温度则有利于除湿能力的提高。”同样采用相同的7℃设计供水温度，则两者的除湿能力也基本相同。

当水系统的供/回水温度发生了变化，制造商应按要求重新设计盘管的性能以便采取措施，如增加排数、改变水流程和翅片的片距，甚至更换盘管系列等。这些能适用于空调箱的措施对于风机盘管机组却因其结构、尺寸等因素而无法全部得到施展，其中盘管的水阻力变化，也自然会受到关注。

大温差机组改变了盘管的水流程，是对盘管结构采取众多措施中的一项，其目的是为弱化水流量减少对水侧传热系数的影响，是保持盘管传热性能的一项重要举措。

2 常规型机组用在大温差冷水系统的考量

地铁空调系统中除了组合式空调机组和部分柜式空调机组外，还会用到风机盘管机组。如在大温差冷水系统中，建议采用大温差风机盘管机组，而非常规型机组。

不同的供/回水温度的水系统均是一个独立的体系。常规型机组是5K供/回水温差水系统中的空调末端装置，若将其用于大温差冷水系统，为了加大供/回水温差，仅降低系统低供水温度而回水温度不变；或既降低供水温度又提高回水温度。对于这两种方案的可行性，取决于其冷量是否达到常规型机组的额定值。同时，还需综合分析减少水量对降低水泵的输入功率与降低供水温度而增加冷水机组的输入功率之间的得失。因此，不应简单地将常规型机组用于大温差空调水系统。只有当水系统能耗不大于5K供/回水温差水系统时，才有实施的可行性。供水温度降低1℃或2℃，而回水温度不变，例如，在6/12℃或7/12℃的冷水系统中，机组的供冷量几乎相等，无实质性差异。如图1所示。

图1 12℃的回水温度下5～7℃供水温度时的供冷量

3 供水温度与冷水机组输入功率的关系

在研究和探索大温差冷水系统时，除了要研究、开发大温差风机盘管机组外，还需考虑冷水机组、空调箱在非标准供/回水温度与温差时能否满足设计要求。

对于冷水机组，没有刻意区分大温差型和常规型冷水机组。大温差冷水系统减少了系统循环水量，降低了水泵的耗用功率，但降低供水温度，会影响冷水机组的效率，所以总体节能效果在具体工程中应认真比较、分析不同供/回水温度水系统方案总能耗值。

在设计供/回水温度为7/14℃的7K冷水系统时，冷水机组是否会因温差加大而降低了效率？文献[4]中所提供的ASHRAE资料[7](图1)，表示了冷水机组的效率可基本不受蒸发器供/回水温差的影响。也如同文献[8]所言：“对于回水温度一般为12～13℃，供水温度5～7℃的冷水机组，大量文献研究结果表明……，在回水温度不变的情况下，供水温度每降低1℃，冷水机组的COP值约降低3%”。依据COP的定义可以理解成冷水机组的输入功率仅与供水温度相关，与回水温度或供/回水温差无关。供水温度每降低1℃，输入功率约增加3%。

4 实例分析

某工程采用供冷量为819kW的冷水机2两台，每台输入功率为159kW；水泵2台，每台水量为155t/h，电机输入功率为32.17kW。5K水系统单台冷水机组与水泵的总功率为191.17kW。若该工程采用大温差冷水系统，则如何选择系统供/回水温度并进行节能效果预测？

假设冷水机组蒸发器的压力损失占整个水系统压力损失的25%，当系统供水温度为7℃时，若水系统温差由5K加大为6K，水泵输入功率可减少7.1kW；若系统供/回水温差加大至7K，则水泵输入功率可减少11.6kW。

若系统供水温度由7℃降低为6℃，供/回水温差仍为6K，则水泵输入功率仍减少了7.1kW，但冷水机组因冷水温度降低1℃需增加3%的轴功率，使泵、机总的输入功率仅减少了2.1kW。

当供水温度由7℃降低为5℃，冷水机组输入功率约需增加6.1%。此时，若仍采用供/回水温差6K，则因水泵流量减少获得的能耗减量不能冲抵冷水机组的能耗增量，使泵、机总输入功率增加了2.9kW。说明在一些设计工况中，提升1K供/回水温差，或者降低1℃供水温度，或者两者同时采用的水系统与常规水系统总功率相近，为提升节能效果，建议在保持7℃供水温度的条件时，再加大供/回水温差值。

5 结语

（1）采用含风机盘管机组的大温差冷水系统，必须采用与该大温差冷水系统相匹配的大温差型机组，保证水系统的阻力平衡。

（2）供水温度相同，供回水温差越小除湿能力越强；对于采用相同的供/回水温差，降低供水温度则有利于除湿能力的提高。而采用相同的7℃设计供水温度，则大温差机组与常规机组两者的除湿能力也基本相同。

（3）大温差风机盘管机组及其冷水系统，仍应采用供水温度7℃为前提，加大供/回水温差为首推方案，比如，回水温度7℃及以上。

在国内一些区域，在地铁项目中采用集中冷水系统的设计，给周边的地铁车站供冷，采用7～10K供/回水温差，更大的温差的运用，更降低了系统水量的节能和运用效果。而本文从理论上来说明分散的地铁车站的大温差冷水系统运用，采用7℃供水、7K供/回水温差是较合理的大温差冷水系统方案。对于7K供/回水温差冷水系统，空调产品的制冷能力、能效和采购费用仍能保持5K冷水系统的水准，但水泵与日常运行费用下降是十分明显的，也是较优的。另在一些地铁项目设计中，对设备管理用房的空气处理采用风机盘管机组代替空调机组，进一步扩大了风机盘管机组在地铁水系统中的数量及重要性，所以有必要对风机盘管机组的节能性及在水系统中的整体效果进行研究。