关键词： 大温差 风系统 水系统 节能

　　1. 概述

　　随着空调系统和空调设备的大量涌现，空调的能耗已经成为一个引人注目的问题。城市建设的发展，建筑能耗已占全国总能耗的30％左右，而空调耗能一般占整个建筑能耗的60％以上，且比例不断增加。城市每年的用电高峰在夏季，空调在此时间内的耗电要占总发电量的30％左右，有的地区，如广州地区高达50％～60％[1]，因此，对空调系统的节能要求提到了十分重要的位置。空调系统的设计中出现了许多诸如变风量空调、变水量空调、大温差空调、蓄冷空调等技术在空调中的应用。

　　空调大温差是指相对于国内空调常规设计的送风、水温差为5℃ 而提出的，指空调系统的送风、水温差大于常规温差[2]。在国内大温差技术正处于发展时期，到目前为止，技术在实例中的应用还比较少，与较早应用该技术的发达国家相比，我国的大温差技术还处在吸收和探索的阶段，仍然有许多问题需要进一步深入研究和解决。

　　目前，大温差系统可分为：大温差送风系统，送风温差可达14～20℃；大温差冷冻水系统，进出口水温差可达6～10℃；大温差冷却水系统，进出口水温差可达6～8℃；此外还有和冰蓄冷相结合的低温送风大温差和冷冻水大温差系统，风侧温差可达17～23℃，水侧可达10～15℃等[2]。

　　2. 大温差技术在空调系统中的应用

　　2.1 送风大温差系统

　　大温差送风温度一般为4～9℃，常规空调送风温度为13～16℃。采用大温差送风系统，合理调节新风比例，可使人体的热舒适感没有明显改变,但系统的耗能却有较大幅度的变化,适当加大送回风温差可减少水路、风路系统的容量,降低水泵、风机的功率。在国外，舒适性空调的送风温差遵循这样一个原则：在空调房间气流组织合理的范围内，所选择的送风温度应尽可能低[3]。

　　2.1.1 大温差送风系统的特点

　　大温差送风系统具有较大温差较小风量的特点，因送风温度的降低，送风温差的增大，使送风量大大减小(可减小到常规空调的50％)[4]，可节省系统的一次投资费用和运行费用,若大温差技术能与冰蓄冷技术和变风量系统相结合,将会取得更明显的经济效益。

　　另外，大温差送风系统是在较低的送风温度下运行,因送风温度降低，系统管道及设备外部结露的可能性增大,对送风系统的保温的要求比较高，在设计中应给予足够重视。

　　2.1.2 大温差送风的实现方法

　　目前大温差送风的实现有加大常规空调的送回风温差和采用低温送风的方法, 低温送风可结合冰蓄冷技术运行，这两种方法要求空调末端设备作相应的改动,以适应新的传热条件,低温送风要解决出风口结露的问题。目前大温差送风的送风温度低至4℃，送风温差可达20℃[4]。与常规送风温度相比，当送风温度为7℃时，风管尺寸减少30％～36％，空气处理设备的外型尺寸减少20％～30％，送风系统的风机功率可减少13％～27.7％，系统投资可减少14％～19％[5]。

　　我国目前推行冰蓄冷技术还存在一些障碍[6]，主要是：① 我国目前大部分省市电价峰谷电价差政策不稳定，如果有稳定的峰谷电价差政策，且峰谷电价差在3:1以上和减免电力贴费时，可采用冰蓄冷空调系统。② 与常规空调系统相比，冰蓄冷系统增加蓄冰装置，因此一次投资高30％～40％。③占地多。 ④ 系统运行复杂。

　　2.1.3 大温差送风系统的能耗分析

　　同一项工程，假定一切条件均相同，忽略空气的物性参数在常规送风与大温差送风时的变化，对常规温差和大温差分析时，送风量和风道阻力都会发生变化[2]。

　　空调系统的总送风量与送风温差的关系为： （1）

　　式中：G空气质量送风量kg/s，Qx室内显热负荷kW，Cp空气定压比热J/(kg℃)，tn室内干球温度℃，to送风温度℃。

　　钢板风道摩擦阻力计算：

Ｒm=1.05×10-2Ｄ-1.21ｖ1.925 （2）

式中：Ｒm风管单位沿程阻力pa/m，Ｄ风管直径m，ｖ风速m/s。

　　相应风机的轴功率计算：

 （3）

L=G/ρ

式中：L空调送风量m3/s，ΔH风道系统全压损失pa，ηtf风机全压效率，ρ空气密度kg/m3。

　　从理论上对以下五种方案进行比较：

方案
 风量
 管径
 风速
 阻力
 NF
 
L
 D
 v
 R
 
1
 L
 D
 v
 Rm
 N
 
2
 0.5L
 0.707D
 v
 1.521Rm
 0.761N
 
3
 0. 67L
 0.816D
 v
 1.279Rm
 0.853N
 
4
 0.5L
 D
 0.5v
 0.263Rm
 0.132N
 
5
 0.67L
 D
 0.67v
 0.459Rm
 0.306N
 

　　比较以上方案，当系统的送风管道不变时，随着送风温差的增大，单位管长的沿程阻力和所需风机功率减小。当系统的送风温差增大一倍时，风机功率为常规送风的13.2％。

　　进行大温差设计时，一般使系统的风速同常规温差风速基本不变，因此，单位管长的沿程阻力将随着送风温差的增大而有所增加，但系统的管道直径减少，总体上风机的轴功率随着送风温差的增大而呈下降的趋势。当系统的送风温差增大一倍时，风机功率为常规送风的76％。

　　2.2 空调水大温差系统

　　在空调系统的运行中，目前水系统的输配用电量一般占系统总耗电量的15％～20％。而且按名义工况设计的空调系统，在实际运行中，大多是采用定流量系统，全年大部分时间处于非设计工况运行，且运行时间内冷水温差很小，有时仅为0.5～1.0℃，在小温差大流量情况下工作，造成冷水泵能量的大量损耗[7]。采用冷水大温差运行，因其冷水特性为小流量大温差，可降低冷水泵输送能耗，容易满足部分负荷运行的特性，实现系统节能运行。

　　2.2.1 冷水大温差设计的特点

　　大温差冷水系统可以节约系统的循环水量，相应减少水泵的扬程及运行费用，减少管道的尺寸，节约系统的初投资。冷却水大温差设计时，可以减少冷却塔尺寸，节约冷却塔的占地面积，减少水泵的流量和水管的尺寸，当冷却水温度比常规水温高2℃时，可减少运行费用3％—7％，节省一次投资10％—20％[8]。

　　2.2.2 大温差水系统的运行分析

　　与风机的性能分析相似，用水泵的相似理论进行分析，当冷水供回水温差增大一倍时，冷却水泵的运行能耗减少68.5％。国内已有这方面的文献，这说明采用冷水大温差运行的经济效益是非常明显的。但这种分析方法只对水泵的能耗进行分析，而没有考虑管道系统的阻力变化对系统能耗的影响，是片面的，在实际的工程设计中，管内水速一般采用1～2ｍ/ｓ（国际上允许的管内流速比国内高得多）。因此，流速不变时，由于管径减少，单位管长的磨擦阻力增加，实际运行时不能达到68.5％的节能效果。

　　与常规空调设计相比，在相同冷负荷的情况下，冷冻水大温差时的冷水量较常规温差时小，冷冻水泵和冷冻水管道的型号规格相应地需要减小，当系统内水管布置、水量分配和水流速不变时，系统的局部阻力变化很小。

　　假定系统管道为钢管，系统内冷冻水在各温差下的流速不变，忽略管道系统的局部阻力.在各温差下各型号水泵的效率相等[9]。

　　钢管的沿程阻力按以下公式计算：

P=7.229×10-4Vw1.852D-1.167 （4）

　　水泵轴功率： （5）

　　式中：P水管沿程阻力m/m，N1水泵轴功率，η1水泵全压效率，D管内径 m，Vw管内平均流速m/s，W空调冷冻水量m3/s，ΔP水系统全压损失pa。

 （6）

　　当水管布置、水量分配和管内水速相等时，管内局部阻力基本不变，供回水温差增加一倍，即水量减少一半，水管直径Ｄ2=0.707Ｄ1，水管摩擦阻力增加了50％，而水泵电机功率降为原来的75％。即在冷水大温差下，水系统运行可节能约25％。

　　为了取得更好的节能效果，可以采用冷水大温差与变流量技术相结合方法。据统计，目前国内空调系统的平均负荷率为30％～50％。即采用定流量设计时，按大温差设计的空调系统，在全年大部分时间内运行的冷水温差将不能达到设计值，冷水泵全年处于满负荷运行，能耗基本不变。

　　在空调系统中，水泵投资约占空调系统总投资的0.5％～1％，与大温差相结合的变流量系统，可以通过双级泵或变主流的方法来实现冷冻水的变流量运行。

　　①、双级泵系统，是通过一次泵保证冷水机组的定流量运行，而用二次泵变流量运行来实现负荷侧流量的变化，因变频调速水泵的调节范围在50％以上的效率较高，目前二次水泵可以在50％以上的范围内进行流量调节。

　　②、变主流系统和单级泵系统相似，只是冷冻水泵是变速泵而不是定速泵，可以随负荷变化而改变进入冷水机组的水流量，其流量一般可控制在60％～100％之间。

　　这二种方法的节能效果，与单级泵相比，双级泵系统可节能50％，变主流系统可节能59％[10]。因此，与大温差相结合的变流量空调水系统，采用双级泵系统时，与常规空调的单级泵相比，节能可达到62.5％，采用变主流系统时节能可达到69.3％。

　　2.3 大温差运行冷水机组分析

　　冷水大温差设计节约了系统的循环水量，相应减少了水泵扬程及耗电量。由于冷却水供回水温差的增大，使冷水机组的冷凝温度上升。在冷冻水侧，蒸发器换热面积保持不变的情况下，通过冷水换热系数与流速的关系、总传热系数与流体对数平均温差的关系、蒸发器的总传热热阻与冷水侧热阻的关系以及壳管式蒸发器中对数平均温差的表达式，可推得冷水出口温度two、进出口温差△tw与制冷剂蒸发温度的关系为[7]:

（7）

式中：t0大温差工况时制冷剂蒸发温度(℃)，two冷水出口温度(℃)，△tw冷水进出口温差(℃)。

　　由上式可知，在冷冻水出口温度恒定时，制冷剂蒸发温度随冷冻水进出口温差的增大而提高，随其减小而降低。在冷冻水进出口温差恒定时，制冷剂蒸发温度随冷冻水出口温度的上升而提高，随其降低而降低。因此，对于大温差运行工况，与名义工况条件相比，虽然冷冻水进出口温差增大，但制冷剂蒸发温度随冷冻水进出口的温度变化而变化，其值可能升高也可能降低。

　　对冷水机组制冷量与能耗分析如下：

　　制冷量计算： q0=KΔTm （8）

 （9）

 （10）

　　式中：Q0冷水机组冷量kW，ΔTm制冷剂与冷冻水对数平均温差℃，α1冷冻水侧换热系数，α2制冷剂侧换热系数。

　　水侧换热系数：

　　在计算中，我们选取适当的水流速，使温差时的雷诺数Re＞104，处于旺盛紊流区。

Nu=0.023Re0.8Рr0.3 （11）

 （12）

　　文献[11]核算冷冻水大温差时对冷量的影响和对传热面积的要求显示：常规温差与大温差10℃（进水17℃，回水7℃）相比，大温差时传热系数减少，但增大了对流换热两侧的传热温差由（3.99℃到4.33℃），在冷负荷不变的情况下，按常规温差设计的冷水机组，不改变传热面积同样可以实现冷水大温差运行。

　　资料分析显示[9]，当冷水机组的冷水出口温度不变时，将冷水温升加大1倍，电机功率变化很小，或没有变化，甚至有所下降，而压降则明显减小。当冷水机组在冷水进出口温差相同时，随着冷水出口温度的降低，单位质量制冷量能耗增加;制冷效率相应有所降低。在冷水进口温度相同时，随着冷水进出口温差的增大， 冷水机组蒸发温度降低，单位质量有效能损失呈明显上升。机组的冷量和轴功率均相应下降，但是下降的幅度有很大的不同，蒸发温度降低1℃，冷量减少1.8％～6％;而轴功率减少0～0.5％。降低蒸发温度，则电机功率增加，尤其是冷水初温降低至5℃时，电机功率明显上升。

　　但当冷水温差不变时，冷水机组进出口水温越低，制冷剂的蒸发温度越低，相应冷水机组的效率就越低，因此，在大温差下冷水机组的制冷量可能小于常规温差的制冷量，需对具体问题进行分析。

　　2.5.1 送风大温差系统末端装置

　　送风大温差系统，尤其是与冰蓄冷相结合的低温送风系统，在风口处易产生结露；室内的换气次数减少，影响室内的气流组织，易形成局部过冷和局部过热的现象；且送风温差增大，冷风直接送到工作区时，人体感觉不舒适。因此，设计送风大温差系统时，应考虑空调房间的气流组织良好，当实际送风量不能达到良好气流组织所需的送风量时，可采用冷风与部分室内空气混合后再送入室内。

　　2.5.2 冷水大温差系统末端装置

　　对于同一空调末端机组，式（10）中，冷水温度由常规温差⊿t（进水温度t1，回水温度t2）改为大温差⊿T（进水温度T1，回水温度T2），管内水流速减少，水侧的对流换热系数α1和表冷器的传热系数K值减少。但式（11）中⊿Tmax与⊿Tmin相应发生变化，对数平均温差⊿Tm随冷水温差的增大而增大。由式（9）可知当采用冷水大温差后，同一空调机组的制冷量可能增大也可能减少。

　　经试算，在给定的大温差⊿T’下，取合适的T1’和T2’，空调机组的冷量不变。此时若降低冷水供、回水温度（即⊿T=⊿T’，T1

　　3. 结论
　　送风大温差减少了送风量，冷水大温差减少了冷水量，使管道、输送设备和处理设备等型号和尺寸相应减少，节省了空调系统的一次投资和运行费用。然而，增大了管道系统和各设备结露的可能性，对系统的保温提出了更高的要求。

　　空调大温差对冷水机组和空调末端装置的影响比较复杂。其节能效果需对具体项目进行具体分析和比较。

　　与冰蓄冷相结合的大温差系统，由于冰的温度在0℃以下，很容易实现低温冷冻水系统和低温送风系统，对管道输送系统和末端装置均能节约系统的一次投资和运行费用。另外，冰蓄冷系统对电网负荷的“移峰填谷”作用，虽然系统需增设蓄冷设备而增加一次投资，但可以节省因建电力调峰电站巨大费用，具有更大的意义。

　　与变流量相结合的空调大温差系统，能充分利用变流量的特点，在系统的负荷低于最大负荷时，可以通过改变系统的流量，保证系统在大温差下运行，与常规空调相比，其节能可达到62.5％～69.3％。

　　然而，大温差技术在国内的应用时间还比较短，理论上和实践中的经验都还不足，在该技术上还有待更系统和更深入的探索和研究。

　　参考文献：
　　1 黄虎，束鹏，李志浩.中央空调系统的节能与能源合理利用.节能，1998(8)：18-21

　　2 殷平.空调大温差研究(1)经济分析方法.暖通空调，2000，30(4)：62-66

　　3 殷平.空调大温差研究(2)空调大温差送风系统的设计方法.暖通空调，2000，30 (5)：63-66

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　　5 方贵银，编著.蓄冷空调工程实用新技术.人民邮电出版社，2000

　　6 李志浩.2002年全国暖通空调制冷学术年会综述. 暖通空调，2003，33(2)：1-14

　　7 许新明，陈诒春，刘莹等.空调系统冷水大温差运行特性分析.制冷，2001，20 (1)：71-74

　　8 霍小平.关于国外高层办公楼空调水系统大温差设计的探讨.暖通空调，1996 (4)：58-60

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　　10 丁云飞，杨晓西，丁静.空调冷冻水变主流系统运行能耗分析.节能，2003(1)：9-11

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