設計指南 大溫差系統應用
“綠色建筑”、“可持續發(fā)展”、“環(huán)?！?、“節能“、”雙碳“，這些詞匯越來(lái)越多的出現在媒體、國家政策和實(shí)行標準之中，為什么現在的高效冷水機房系統都在做大溫差設計？為什么大溫差的空調系統越來(lái)越受到暖通設計師們的青睞？
大溫差系統是一個(gè)減少空調系統投資，降低能耗的先進(jìn)觀(guān)念。目的是為了優(yōu)化空調系統各設備間的能耗配比，在保證舒適度的前提下，減少冷量輸配的能耗，或是減少冷卻塔和末端空調箱的能耗，同時(shí)降低系統投資。上世紀90年代，西方很多空調設計顧問(wèn)對大溫差的冷水系統進(jìn)行了深入研究并付諸實(shí)踐，在項目的設計中采用了大溫差系統。在一些專(zhuān)業(yè)刊物中，已經(jīng)對利用大溫差實(shí)現節省初投資，降低運行費用有了充分的論述。
在過(guò)去的30年中，隨著(zhù)冷水機組的技術(shù)改進(jìn)和機載控制技術(shù)的革新，冷水機組的效率大大提升，目前已經(jīng)達到COP7.8（特靈生產(chǎn)的離心式冷水機組AHRI額定工況）。當效率接近卡諾循環(huán)這一極限，即COP接近8.33時(shí)，機組的材料成本將會(huì )劇增，其原因在于，為了使效率得到微小的提高，不得不在換熱器中增加很多的傳熱面積。因此，即使機組效率可以繼續提高，其代價(jià)也是十分高昂的。畢竟“從60分到90分容易，從90分到100分難”的道理，大家都懂。
因此我們把目光轉向系統，與冷水機組配套的水泵、冷卻塔是否還有進(jìn)一步下降能耗的可能？答案是肯定的。
考慮到冷量計算的基本公式，Q=mCpΔT，假定比熱Cp為常數，為保持冷量Q不變，可以降低水流量m并增大溫差ΔT，就可以減小水的輸送能耗。于是，我們偉大的前輩們就想到了利用實(shí)施大溫差，從而達到運行節能的效果。它不是著(zhù)眼于系統中的某一設備，而是作通盤(pán)的考慮，追求系統效率的提升和初投資的降低。
案例分析
為了理解大溫差系統在運行上的低能耗特點(diǎn)，我們選擇一個(gè)1800冷噸(6329kW)的酒店空調系統來(lái)分析。該酒店位于上海，全年空調運行時(shí)間為5月至11月。
冷卻塔的年能耗從1,006,332kWh降低到756,593kWh，降低33%；
水泵的年能耗從1,082,495kWh降低到679,724kWh，降低59%；
冷水機組的年能耗從2,801,312kWh上升到2,996,110kWh，增加7%；
三項匯總，年冷水機房總能耗從4,890,140kWh降低到4,432,427kWh，降低10%。
從上述模擬結果看，大溫差的系統意在使冷水機組承受相對嚴苛的工況來(lái)使系統的其它部份，如水泵，冷卻塔的能耗得以降低，從而達到系統運行節能的目的。這時(shí)，特靈獨有的三級離心高效冷水機組就能英勇地扛起此重任啦！
Q&A
大溫差設計會(huì )影響末端效果嗎？
根據實(shí)驗驗證，冷水側的大溫差應該是朝著(zhù)低溫的方向發(fā)展，使表冷器更冷。低冷水溫度可以增加表冷器換熱時(shí)冷水與空氣間的對數溫差，雖然大溫差形成的低流量會(huì )降低表冷器的換熱系數，但總體上，末端表冷器的換熱量會(huì )增加，因為對數溫差引起的換熱增加大于流量減少導致的換熱減少。
德克薩斯州實(shí)驗室的Don Fiorino經(jīng)過(guò)實(shí)驗發(fā)表一篇論文，以描述表冷器的換熱現象：當表冷器水流量達到100%時(shí)，表冷器換熱量為100%。若水流量降到50% 時(shí)，表冷器的換熱量卻仍可以達到80%，此時(shí)表冷器的水力壓降為滿(mǎn)流量壓降的25%。而系統在運行時(shí)，80%的部分負荷出現的機會(huì )相當多。
我們再對一個(gè)4排管表冷器的換熱量進(jìn)行不同工況下的運行對照。在進(jìn)風(fēng)干球溫度27℃，濕球溫度19.5℃的條件下，大溫差工況下表冷器的換熱量比常規溫差工況下的換熱量提高了17%。因此，末端在需求的冷量相同的情況下，大溫差條件下可以允許選用較小的空調箱。
特靈空調箱還可選配擾流器，使水流增加擾動(dòng)，增加換熱系數。
對于風(fēng)機盤(pán)管在大溫差下面的換熱表現，利用下表的實(shí)驗數據同樣能證明在大溫差工況下，冷量有所增加，這就為業(yè)主或設計師在選用大溫差系統時(shí)，免除了增加末端風(fēng)機盤(pán)管投資的顧慮。
風(fēng)機盤(pán)管在常規溫差和大溫差下的換熱
HFC-06，12片/英寸，低靜壓：
同時(shí)，國內的學(xué)者也對這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究，得出了類(lèi)似的結論?！杜照{》2004年第34卷第3期雜志發(fā)表的論文《冷水大溫差對表冷器及風(fēng)機盤(pán)管性能的影響》中指出“降低冷水供水溫度。在表冷器進(jìn)水溫度為5 ℃時(shí)，冷水溫差為 7 , 8 ℃的性能接近常規工況時(shí)的性能”。那什么時(shí)候要謹慎使用大溫差呢？在冷凍水采用7℃進(jìn)水溫度不變的時(shí)候，“采用冷水大溫差后，表冷器和風(fēng)機盤(pán)管性能都有所下降 ,其中去濕能力的下降最為顯著(zhù) , 而風(fēng)機盤(pán)管性能下降更多?！辈贿^(guò)，業(yè)主朋友完全不用擔心，依靠特靈強大的選型和模擬軟件進(jìn)行校核，合理配置低溫低流，換熱充分的末端表冷器在大溫差工況下不但不會(huì )增加投資，而且可以降低投資。
更多大溫差系統在高效機房像中的應用
上海某汽車(chē)零配件制造商
本項目為多層工業(yè)項目，建筑主要功能為汽車(chē)電子零配件制造。
技術(shù)特點(diǎn)：
- 高效冷水機組應用- 雙側大溫差系統應用
- 冷凍泵、冷卻泵變頻應用
- 自由冷卻系統與余熱回收應用
- BIM 正向全方案設計應用（包含低阻力設計）
制冷機房能效比：
本項目基于能耗模擬結果，承諾冷站全年綜合能效為5.29。
無(wú)錫某半導體工廠(chǎng)
為半導體產(chǎn)業(yè)化建設項目，項目總用地面積102661.2平方米，總建筑面積140650.9平方米。本項目冷水機房設置于綜合動(dòng)力站3F。
技術(shù)特點(diǎn)：
- 全變頻離心機組：變頻機組啟動(dòng)電流低，對電網(wǎng)沖擊最小?？傠娏髦C波小于5%，不用另外購買(mǎi)電容補償柜。部分負荷效率高。- 雙側大溫差系統應用：低溫6-12℃/32-38℃，中溫12-18℃/32-38℃
- BIM 設計、低阻力管道設計和管道預制化
- 高性能機房群控系統
- 高精度計量與驗證系統
制冷機房能效比：
本項目基于能耗模擬結果，承諾冷站全年低溫系統+中溫系統制冷綜合COP達到6.0。
珠海某高新技術(shù)一/二期廠(chǎng)房
本項目位于廣東省珠海市，為電子制造工廠(chǎng)項目，主要為制造車(chē)間供應冷水和熱水，該項目為地上4層建筑。
技術(shù)特點(diǎn)：
- 高效冷水機組應用：機組AHRI認證，超高效國標工況定頻機組COP=7.11，變頻機組超高效國標工況COP=6.9，國標IPLV = 9.49，每分鐘流量變化率30% 不宕機，超低水阻。主機平均負載50% -100% ，處于高效負載區間。- 雙側大溫差系統應用
- 冷凍泵、冷卻泵變頻應用
- 冷凍水泵采用變頻電機，工作點(diǎn)效率>86% ，獨立散熱電源，轉速1485rpm 低噪音；冷卻水泵采用IE3電機，工作點(diǎn)效率>82% ，轉速1485rpm 低噪音。
- 高效冷水機房群控系統應用
- BIM 技術(shù)應用
制冷機房能效比：
本項目基于能耗模擬結果，承諾冷站全年綜合能效為5.29。
常熟某芯片生產(chǎn)廠(chǎng)
本項目位于江蘇省常熟市，為新建年產(chǎn)1.5GWh動(dòng)力與儲能鋰離子電芯生產(chǎn)工廠(chǎng)，總建筑面積約36632㎡。能源中心負責給一號廠(chǎng)房和二號廠(chǎng)房提供冷凍水。
技術(shù)特點(diǎn)：
- 雙側大溫差系統應用- 冷凍水供回水溫度6/12℃，溫差6℃; 冷卻水供回水溫度32/38℃，溫差6℃.
- BIM設計優(yōu)化管線(xiàn)綜合及設備安裝空間
制冷機房能效比：
本項目基于能耗模擬結果，承諾冷站全年綜合能效不低于6.0。
荊門(mén)某鋰電池工廠(chǎng)
本項目位于湖北省荊門(mén)市，供冷建筑為Q 8棟廠(chǎng)房和Q95廠(chǎng)房。共2層，建筑高度21.4m，建筑面積約60,000平方米。此項目為鋰電池工廠(chǎng)項目，除滿(mǎn)足車(chē)間內環(huán)境供冷需求外，還須滿(mǎn)足工藝負荷。
技術(shù)特點(diǎn)：
- 雙側大溫差系統應用夏季：冷凍側供回水溫度6/14℃，8℃溫差。冷卻測供回水溫度31/37℃，6℃溫差。
冬季：冷凍側供回水溫度10.5/18.5℃，8℃溫差。冷卻測供回水溫度9.5/12.5℃，3℃溫差。
- 一次泵變流量系統應用
- 自由冷卻系統應用
制冷機房能效比：
本項目基于能耗模擬結果，承諾冷站全年綜合能效為6.09。
惠州某醫療器械工廠(chǎng)
本項目位于廣東省惠州市惠陽(yáng)區，為新建工業(yè)園廠(chǎng)區內1~5棟廠(chǎng)房的空調制冷機房，總建筑面積為108,554㎡，空調面積為70,895㎡。根據規劃，制冷機房制冷量需求為4,000RT，主機房設置在1A地下一層，冷卻塔設置在2號廠(chǎng)房樓頂。
技術(shù)特點(diǎn)：
- 雙側大溫差系統應用本項目采用大溫差系統設計，是為了優(yōu)化空調系統各設備之間的能耗配比，在保證廠(chǎng)房冷凍水需求的前提下，減少水泵輸送能耗，同時(shí)降低制冷機房初投資。
- 冷凍水一次泵變流量控制
- 冷卻水泵變流量控制
- 冷卻塔CTO控制于主機間優(yōu)化設計
- 低阻力管路系統設計
- 機房設備機管路優(yōu)化布置
- 智能控制系統
制冷機房能效比：
本項目基于能耗模擬結果，承擔整體機房設計、供貨、安裝及調試，承諾冷站全年綜合能效為5.2。
惠州某醫療器械工廠(chǎng)
本項目位于廣東省惠州市惠陽(yáng)區，為新建工業(yè)園廠(chǎng)區內1~5棟廠(chǎng)房的空調制冷機房，總建筑面積為108,554㎡，空調面積為70,895㎡。根據規劃，制冷機房制冷量需求為4,000RT，主機房設置在1A地下一層，冷卻塔設置在2號廠(chǎng)房樓頂。
技術(shù)特點(diǎn)：
- 大溫差系統應用- 高效冷水機組應用
- 冷凍泵、冷卻泵變頻應用
- 循環(huán)水泵、冷塔技術(shù)參數優(yōu)化
- 高效冷水機房群控系統應用
制冷機房能效比：
本項目基于能耗模擬結果，承擔整體機房設計、供貨、安裝及調試，承諾冷站全年綜合能效為5.84。
