孫榮亮，張青，李文靜，閔殿祥

（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201204）

0 引言

2012年國(guó)務(wù)院發(fā)布了《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》[1]，以推動(dòng)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展。新建工程項(xiàng)目均以節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)實(shí)用為主題?？照{(diào)及工藝?yán)鋮s系統(tǒng)作為各種工程項(xiàng)目必備公用設(shè)施，也隨著國(guó)家對(duì)科研發(fā)展的投入，迎來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)及挑戰(zhàn)。在科研實(shí)驗(yàn)站的搭建中，公用設(shè)施的經(jīng)濟(jì)投入、場(chǎng)地規(guī)模、運(yùn)行費(fèi)用均占據(jù)很大比例[2]。如何優(yōu)化公用設(shè)施的設(shè)計(jì)或優(yōu)化改造已有設(shè)施，可以既滿(mǎn)足主體設(shè)施的需要，又降低成本，已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)摸索探尋的首要問(wèn)題。

隨著蒸發(fā)式冷凝器的出現(xiàn)，水冷與風(fēng)冷平分秋色已成歷史；水冷式、風(fēng)冷式、蒸發(fā)冷式冷水機(jī)組已成市場(chǎng)鼎足之勢(shì)。蒸發(fā)式冷凝器是將淋灑式排管冷卻器和循環(huán)冷卻塔有機(jī)結(jié)合的一種新型冷卻設(shè)備，利用水分蒸發(fā)和空氣強(qiáng)制循環(huán)來(lái)帶走凝結(jié)熱量，以冷卻壓縮機(jī)排出的高溫高壓過(guò)熱制冷劑蒸汽，使之冷凝成液體，集二者優(yōu)點(diǎn)于一體，可廣泛應(yīng)用于石油化工、輕工醫(yī)藥、制冷空調(diào)、食品冷藏等諸多行業(yè)中，適用于大中型制冷裝置中[3]。如圖1所示，蒸發(fā)式冷凝器采用逆流式結(jié)構(gòu)，主要包括風(fēng)筒、軸流風(fēng)機(jī)、箱體、收水器、布水器、冷卻換熱管組、鋼結(jié)構(gòu)架、風(fēng)窗、水池、循環(huán)水泵、浮球閥等。其中，冷卻管并聯(lián)使用，換熱面積大，系統(tǒng)阻力??；整體結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小；模塊化設(shè)計(jì)，獨(dú)立單元操作，可根據(jù)系統(tǒng)生產(chǎn)能力任意增加或調(diào)整。從節(jié)能環(huán)保及節(jié)約資源方面，三種冷水機(jī)組各有優(yōu)劣。冷水機(jī)組冷凝形式的選擇，受多因素制約[4]。冷負(fù)荷在700 kW ～ 1500 kW范圍內(nèi)的冷凝形式選擇，仁者見(jiàn)仁、智者見(jiàn)智。

本文通過(guò)節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用四個(gè)方面，對(duì)風(fēng)冷、水冷、蒸發(fā)冷三種冷凝方式進(jìn)行交叉對(duì)比分析，探究該負(fù)荷范圍內(nèi)哪種系統(tǒng)綜合性?xún)r(jià)比更高。

圖1 蒸發(fā)冷原理示意圖

1 冷水機(jī)組的能效

考慮機(jī)組的制冷能力時(shí)，首先需要針對(duì)機(jī)組的壓縮機(jī)形式做分析對(duì)比（如表 1所示）。中央空調(diào)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)形式的選擇，通常以制冷量及制冷系數(shù)為主要依據(jù)[5]。近十年來(lái)，多機(jī)頭并聯(lián)機(jī)組和變頻技術(shù)的普及，推動(dòng)了機(jī)組多樣性設(shè)計(jì)。渦旋機(jī)和活塞機(jī)的多機(jī)頭并聯(lián)機(jī)組，從十幾千瓦到幾百千瓦均有采用；螺桿機(jī)和離心機(jī)在多變工況時(shí)，變頻調(diào)節(jié)也大大提高了能效比。

表1 各種壓縮形式冷水機(jī)組的性能對(duì)比

1.1 額定負(fù)荷能效對(duì)比

冷水機(jī)組的制冷能力與壓縮機(jī)排氣量和蒸發(fā)端換熱效果有直接關(guān)系，而冷凝端的冷凝能力直接決定系統(tǒng)的耗功以及能效比。以圖2制冷循環(huán)壓焓圖為證：任何一種制冷劑在制冷系統(tǒng)運(yùn)行中，飽和蒸發(fā)溫度、過(guò)熱度、過(guò)冷度均設(shè)定時(shí)，消耗功率(W=h3-h2)隨冷凝壓力升高而增大；單位制冷量(Q=h2-h1)隨冷凝效果減弱而減少，制冷劑循環(huán)量也會(huì)隨系統(tǒng)循環(huán)效率降低。依據(jù)制冷劑的特性，兩相區(qū)內(nèi)壓力與飽和溫度一一對(duì)應(yīng)，壓縮機(jī)排氣壓力隨著冷凝溫度的升高升高，能耗會(huì)有所加大，所以冷凝溫度的高低也是決定制冷循環(huán)能耗的重要參數(shù)。

圖2 制冷循環(huán)壓焓圖

依據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50736-2012[2]可得標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)工況下：水冷式冷水機(jī)組設(shè)計(jì)冷凝溫度為35℃，蒸發(fā)冷式冷水機(jī)組設(shè)計(jì)冷凝溫度為40℃，風(fēng)冷式冷水機(jī)組設(shè)計(jì)溫度為45℃。由此可知，同冷媒同型號(hào)壓縮機(jī)所匹配的不同形式冷水機(jī)組中，單位制冷量方面水冷式最大，蒸發(fā)冷式其次，風(fēng)冷式最??；壓縮機(jī)耗能方面風(fēng)冷式最大，蒸發(fā)冷式其次，水冷式最小。但是，系統(tǒng)耗能分析時(shí)，不得不考慮除壓縮機(jī)以外的動(dòng)力設(shè)備耗能。

如圖3所示，水冷機(jī)組的附屬動(dòng)力設(shè)備有冷卻水循環(huán)泵及冷卻塔；蒸發(fā)冷式機(jī)組有蒸發(fā)式冷凝器（風(fēng)機(jī)及冷卻水泵）；風(fēng)冷式機(jī)組有風(fēng)冷式冷凝器用風(fēng)機(jī)。在能效比方面，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)得出明確經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，通常冷量1500 kW以上大型冷水機(jī)組選用水冷式為優(yōu)，冷量500 kW以下小型冷水機(jī)組選用風(fēng)冷式為優(yōu)。冷量在500 kW～1500 kW范圍冷水機(jī)組，冷凝形式選擇上往往存在分歧。現(xiàn)針對(duì)冷量為750 kW 中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行能效比對(duì)，機(jī)組采用麥克維爾單螺桿冷水機(jī)組，其中蒸發(fā)冷式冷水機(jī)組為本文非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，機(jī)組技術(shù)參數(shù)源自《麥克維爾冷水機(jī)組培訓(xùn)技術(shù)手冊(cè)》[6]。

由表2數(shù)據(jù)可知，冷量在750 kW左右的中央空調(diào)綜合能效對(duì)比中，水冷式機(jī)組較風(fēng)冷式機(jī)組節(jié)能 10.9%；而蒸發(fā)冷式冷水機(jī)組較風(fēng)冷式節(jié)能16.4%，較水冷式節(jié)能6.2%。

實(shí)際工作中，冷水機(jī)組長(zhǎng)年以額定負(fù)荷運(yùn)行的項(xiàng)目非常少。空調(diào)用冷水機(jī)組除開(kāi)機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷外，98%的工作時(shí)間負(fù)荷率在70%以下[4]；不具備負(fù)載調(diào)整能力的機(jī)型除外。

圖3 不同冷凝形式冷水機(jī)組原理簡(jiǎn)圖

表2 三種冷凝形式冷水機(jī)組額定負(fù)荷能效對(duì)比表

1.2 部分負(fù)荷能效對(duì)比

暖通及制冷項(xiàng)目設(shè)計(jì)選型時(shí)，設(shè)計(jì)者往往會(huì)考慮業(yè)主追求設(shè)備最大利用率以及應(yīng)對(duì)特殊情況時(shí)的設(shè)備負(fù)荷余量，選型放大系數(shù)通常為5%～15%[2]。制冷設(shè)備又均以開(kāi)機(jī)時(shí)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，維持工況時(shí)多以半負(fù)荷工作。據(jù)《風(fēng)冷和水冷式冷水機(jī)組的運(yùn)行能耗分析》[4]結(jié)論，風(fēng)冷式與水冷式機(jī)組部分負(fù)荷性能參數(shù) IPLV（源自美國(guó)空調(diào)與制冷協(xié)會(huì) 1998 ARI 550/590標(biāo)準(zhǔn)[7]）對(duì)比中，1050 kW的風(fēng)冷式機(jī)組 IPLV較水冷式大 3.61%。這一微弱優(yōu)勢(shì)源自風(fēng)冷式冷凝器多風(fēng)機(jī)的可調(diào)節(jié)性，使得該負(fù)荷領(lǐng)域的風(fēng)冷式機(jī)組年運(yùn)行能耗較水冷式略低。這也進(jìn)一步論證了年運(yùn)行時(shí)越長(zhǎng)，風(fēng)冷式較水冷式更節(jié)能這一經(jīng)驗(yàn)結(jié)論。

采用蒸發(fā)冷式冷水機(jī)組的工藝水系統(tǒng)縮小了冷卻水循環(huán)量，風(fēng)冷與風(fēng)冷/噴淋結(jié)合的雙級(jí)調(diào)節(jié)方式也從細(xì)節(jié)上起到了節(jié)能的效果。所以，部分負(fù)荷能效對(duì)比中，蒸發(fā)冷式機(jī)組同樣優(yōu)于風(fēng)冷式與水冷式。

2 冷水機(jī)組的環(huán)境負(fù)荷

中央空調(diào)系統(tǒng)為維護(hù)空調(diào)空間的溫度與濕度，利用電能及空調(diào)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)外能量的搬運(yùn)及空氣中含濕量控制的同時(shí)，中央空調(diào)的機(jī)房則會(huì)產(chǎn)生一定量的噪聲。從表2中我們可以看到，水冷式機(jī)組與蒸發(fā)冷式機(jī)組噪聲相對(duì)小一些，但是水冷式機(jī)組的冷卻水循環(huán)泵也是主要噪聲源之一，立式泵噪聲較小，臥式泵運(yùn)行噪聲不可忽略。風(fēng)冷式機(jī)組因?yàn)槠渑艢鈮毫ψ罡?，壓縮機(jī)的噪聲也很大；一體式風(fēng)冷冷水機(jī)組因其噪聲大，設(shè)備體積龐大，通常設(shè)計(jì)成室外型[5]。

除噪聲與對(duì)室外環(huán)境換熱外，蒸發(fā)式冷與水冷式機(jī)組的冷卻塔對(duì)機(jī)房附近的大氣環(huán)境也有很大影響。蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)與普通冷卻塔同屬開(kāi)式水循環(huán)系統(tǒng)，雨水、風(fēng)、雷電、甚至補(bǔ)水都會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生影響。為控制冷卻水水質(zhì)，現(xiàn)今最流行的維護(hù)方式仍然是投藥處理。防垢、防銹、殺菌、除藻等水體問(wèn)題因?yàn)橥端幑に嚩鉀Q，但投藥后的冷卻水一旦蒸發(fā)，溶液濃度升高，會(huì)強(qiáng)烈腐蝕排水管附近的金屬焊接點(diǎn)及零部件（如圖3所示）。

圖3 投藥水系統(tǒng)冷卻塔附近被腐蝕的管道支架及管道排污閥

另外，冷卻塔夏季蒸發(fā)量大，周?chē)諝鉂穸却笤孱?lèi)細(xì)菌容易滋生，水處理不當(dāng)，嚴(yán)重時(shí)冷卻塔會(huì)成為散播致軍團(tuán)病的載體。若冷卻塔附近有煙囪類(lèi)排煙設(shè)施，水汽與煙霧混合后也易產(chǎn)生酸霧，威脅到周?chē)鷰装倜追秶鷥?nèi)常駐人員的身體健康。

3 冷水機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性

初投資與運(yùn)行成本是衡量項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的兩大指標(biāo)[6]。水冷式機(jī)組的冷卻水循環(huán)泵、管材、保溫增加了設(shè)備投資，機(jī)房的占地費(fèi)及項(xiàng)目安裝費(fèi)在當(dāng)今城市項(xiàng)目建設(shè)中日益凸出。風(fēng)冷式機(jī)組因?yàn)閴嚎s機(jī)功率大，變壓器等配電設(shè)備大；再有風(fēng)冷冷凝器為銅管鋁翅片結(jié)構(gòu)，銅管使用量大，造價(jià)較其他形式冷凝器昂貴。若采用分體式風(fēng)冷機(jī)組，機(jī)房占地小，室外安裝占地面積較大；而一體式風(fēng)冷機(jī)組機(jī)房占地面積是普通冷水機(jī)組的(2～3)倍[8]。蒸發(fā)冷式冷水機(jī)組既具備了風(fēng)冷式的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又兼?zhèn)淞怂涫街鳈C(jī)占地小的優(yōu)點(diǎn)。隨著蒸發(fā)冷加工工藝的成熟，蒸發(fā)式冷凝器價(jià)格比風(fēng)冷式冷凝器低30%。所以，系統(tǒng)初投資方面，水冷式與風(fēng)冷式相差無(wú)幾，蒸發(fā)冷式冷水機(jī)組的單位負(fù)荷造價(jià)略低。

運(yùn)行成本方面如表2耗能對(duì)比所示，蒸發(fā)冷式冷水機(jī)組有一定的優(yōu)勢(shì)。由圖3中三種系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)可以看出，蒸發(fā)冷式冷水系統(tǒng)與風(fēng)冷式冷水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)便且工時(shí)短，維護(hù)保養(yǎng)頻率小費(fèi)用少；比水冷式機(jī)組長(zhǎng)年運(yùn)行費(fèi)用更穩(wěn)定，年運(yùn)行時(shí)數(shù)越長(zhǎng)越經(jīng)濟(jì)。水冷式機(jī)組經(jīng)統(tǒng)計(jì)，年補(bǔ)水量控制在3%以?xún)?nèi)，年度費(fèi)用較低；長(zhǎng)年運(yùn)行后，水垢附著冷凝器、管路及冷卻塔，年運(yùn)行費(fèi)及維護(hù)工作量逐年遞增[3]；維護(hù)也較復(fù)雜，需要專(zhuān)門(mén)的維護(hù)人員。為維護(hù)水冷式機(jī)組的使用壽命，必須對(duì)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行緩蝕、阻垢、殺菌、滅藻處理。冷量1000 kW左右的水冷式機(jī)組，若采用投藥式處理，年投藥費(fèi)用在5萬(wàn)左右。蒸發(fā)式冷水機(jī)組冷卻水循環(huán)量相對(duì)小，維護(hù)費(fèi)用也相對(duì)少一些。總之，在中型空調(diào)系統(tǒng)中水冷式機(jī)組的冷量大，功率小的優(yōu)點(diǎn)難以體現(xiàn)。

此外，蒸發(fā)冷式冷水機(jī)組與水冷式冷水機(jī)組的使用壽命為 20年左右，風(fēng)冷式冷水機(jī)組平均使用壽命約為15年。

4 冷水機(jī)組的實(shí)用性

水冷式冷水機(jī)組受冷源約束，適用于水源較充足，水體礦物質(zhì)含量小，長(zhǎng)年風(fēng)沙量小的地域。為保護(hù)冷卻水水質(zhì)、周?chē)ㄖ叭巳旱陌踩?，要求遠(yuǎn)離工業(yè)煙囪和鍋爐煙囪。冷卻水循環(huán)管路需設(shè)施保溫，夏季保證冷卻效果，冬季防止水管凍裂。冷卻塔雖然換熱量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是在我國(guó)南方地區(qū)，夏季室外環(huán)境濕球溫度偏高，空氣含濕量大，夏季換熱效果會(huì)大打折扣，隨之冷凝溫度升高，機(jī)組功率呈線性升高（如圖2），需適當(dāng)考慮冷水噴淋等補(bǔ)冷措施。水冷式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只有用于較大型空調(diào)系統(tǒng)中才能發(fā)揮其制冷量大，能效比高的優(yōu)點(diǎn)。

風(fēng)冷式冷水機(jī)組最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，風(fēng)冷式機(jī)組以空氣為換熱源，不懼風(fēng)沙也不受水源限制。北方地區(qū)因其冷凝端冬季不需要考慮防凍而廣泛應(yīng)用。風(fēng)冷式機(jī)組依據(jù)卡諾循環(huán)的原理，在南方多利用四通閥做成空氣源熱泵機(jī)組?？諝庠礋岜脵C(jī)組夏季不懼怕濕球溫度高，冬季可向室內(nèi)供暖；冬季供暖屬于高效低能式運(yùn)行，彌補(bǔ)了夏季耗電量高的缺點(diǎn)。

蒸發(fā)冷式冷水機(jī)組結(jié)構(gòu)形式性能特點(diǎn)，介于水冷式與風(fēng)冷式之間，既有冷水式機(jī)組的低冷凝溫度，又有風(fēng)冷式機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易安裝等特點(diǎn)。蒸發(fā)冷式機(jī)組適用于水源較稀缺，長(zhǎng)年風(fēng)沙量小的地域。北方深秋季節(jié)可以將蒸發(fā)冷循環(huán)水放掉，并加以保溫措施以防止水泵凍裂，冷凝形式變?yōu)轱L(fēng)冷。由于蒸發(fā)冷管程內(nèi)為高溫高壓制冷劑，南方夏季濕球溫度偏高的問(wèn)題對(duì)其影響不大。即便是梅雨季節(jié)，蒸發(fā)冷也能很好的保證冷凝效果。早在 2000年左右，蒸發(fā)式冷凝器就以其特有的結(jié)構(gòu)形式及換熱性能贏得了冷庫(kù)市場(chǎng)的青睞。隨著近年來(lái)中國(guó)制冷行業(yè)的蓬勃發(fā)展，國(guó)產(chǎn)蒸發(fā)式冷凝器已經(jīng)解決了材質(zhì)及換熱效率等匹配優(yōu)化問(wèn)題，市場(chǎng)價(jià)格已不再是用戶(hù)的主要考慮問(wèn)題。

5 結(jié)論

綜上，中央空調(diào)或其它工藝?yán)鋮s系統(tǒng)在不同冷凝形式冷水機(jī)組的采用時(shí)，可以考慮本文結(jié)論：

1) 冷量需求大且有固定水源供應(yīng)時(shí)，大型水冷式冷水機(jī)組仍是公用設(shè)施的不二選擇，過(guò)渡季節(jié)利用冷卻塔與板式換熱器配合也可以降低水冷式系統(tǒng)的能耗；

2) 冷量需求偏小的供冷系統(tǒng)，不分地區(qū)與環(huán)境，采用風(fēng)冷式冷水機(jī)組綜合性?xún)r(jià)比最優(yōu)；

3) 冷負(fù)荷在700 kW ～ 1500 kW的中大型冷水系統(tǒng)中，采用蒸發(fā)冷式冷凝的冷水機(jī)組，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠穩(wěn)定、初投資低、能效比高、適應(yīng)環(huán)境力強(qiáng)、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)出更為優(yōu)越的市場(chǎng)前景。

總之，不同冷凝形式冷水機(jī)組的設(shè)計(jì)與建設(shè)時(shí)，受到能耗、環(huán)保、成本、實(shí)用性等客觀因素的制約，具體結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有絕對(duì)性，只有性?xún)r(jià)比的更優(yōu)化，再經(jīng)過(guò)與建筑結(jié)構(gòu)，電氣控制，安全防護(hù)等專(zhuān)業(yè)的有機(jī)配合，才能更好的保護(hù)投資方的利益。公用設(shè)施水、風(fēng)、電系統(tǒng)建設(shè)需要大膽創(chuàng)新，不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能夠更好的輔助主體機(jī)構(gòu)的運(yùn)行與需求。

[1] 國(guó)務(wù)院. 國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知[EB/OL]. (2011-09-07). http://www.gov.cn/zwgk/2011-09/07/content_1941731.htm.

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