水冷冷水机组集中空调系统的能流及能耗分析

林光

1.组成和原理

水冷冷水机组集中空调系统是由一系列驱动流体流动的能耗设备、管道及阀门、热交换器等构成，其基本组成主要包括冷水机组压缩机、各风机水栗、制冷剂循环系统、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、冷却塔、末端换热盘管等。为了维持空调房间一定的热舒适性，水冷冷水机组集中空调系统需要向空调房间供应一定量的冷量来消除房间余热和余湿。一方面，冷水机组制备一定的冷水经末端冷却盘管换热将空气冷却，将冷却后的空气送至空调区域；另一方面，冷水机组将制取冷水而移出的热量通过冷却水送到冷却塔，与室外大气进行热交换而使冷却水得以降温冷却。为了维持空调区域冷量的不断供应，水冷冷水机组集中空调系统在运行过程中存在５种流体的循环，分别为制冷剂循环、冷冻水循环、冷却水循环、室内空气循环、室外大气循环。制冷剂循环由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等组成。

首先，制冷剂（液态）在机组蒸发器中吸收被冷却介质（即冷水）的热量，之后汽化成蒸汽（低温低压的蒸汽），接着被机组压缩机压缩成高温高压的蒸汽并流入冷凝器，在冷凝器进行热交换将热量传递给冷却水，此时换热后的制冷剂蒸汽被冷凝为液体（高压的液体），进而进入节流阀，液态制冷剂被节流呈现成低温低压状态，低温低压液态制冷剂回流至蒸发器，实现循环制冷的目的。冷冻水循环由冷冻水菜、冷冻水管道、末端换热盘管及蒸发器等组成。经冷水机组蒸发器换热后的低温冷冻水由冷冻水栗输送至冷冻水管道，流入末端换热盘管与室内空气进行换热使空气冷却而带走房间内的热量，最后经换热盘管换热后的冷冻水温度升高，回流到冷水机组蒸发器。冷却水循环由冷却水系、冷却水管道、冷凝器及冷却塔等组成。制冷剂在冷水机组冷凝器内放热并传递给冷却水，温度升高后的冷却水经冷却水菜输送至冷却塔，并在冷却塔内与室外大气进行换热，降温后的冷却水回流至冷水机组冷凝器中。室内空气循环由换热盘管、送风机、冷风输送管道、回风机、空调房间等组成。经换热盘管换热后的冷空气经送风机输送至空调区域，用于消除空调房间的余热和余湿。带走空调区域余热和余湿的同时，室内空气被升温，此时升温后的室内空气经回风机送回至冷却盘管，实现室内空气的循环冷却，达到室内一定空调效果的目的。室外大气循环由换热设备冷却塔、冷却塔风机、室外大气等组成。冷却塔是利用空气同水的接触将经冷凝器升温后的冷却水冷却，经冷却塔换热后的空气吸收了冷却水的热量，并经冷却塔风机吹入大气中

2.能流及能耗分析

2.1空调系统中的能流链分析

在水冷冷水机组集中空调系统当中，一般在正常运行时会循环五种流体，所以能够通过观察不同流体的循环来对于水冷冷水机组集中空调系统进行划分，主要包括了制冷剂、冷冻水、室内空气以及室外散热等子系统环路，任何一个环路当中，其内部都存在一定的能量流动，这里简称为能流。能流通过空调系统从室内提取热量然后将其排放到室外中，这个能流链中分别包括了冷冻水、室内空气、制冷剂和冷却水以及室外排热这些环路，所有的子系统中都具备相应的换热装置和能耗装置，且各个子系统之间也能够通过换热装置来进行连接，从而使得空调系统各个子系统的能流能够实现连接。水冷冷水机组集中空调系统当中最为重要的能耗部位为冷水机组和水泵以及风机，这几个部分直接对于空调系统的能耗形成影响。而换热装置中的蒸发器和冷凝器其自身无耗能，但是因为这些装置本身存在着换热损失的情况，所以会因为引发流体换热温差变化，最终对于空调系统的能耗造成影响。

2.2能流和能耗分析

对于能流进行分析的基础是空调的效果能够符合要求，所以对于能流进行分析前应根据其相应的顺序来进行，具体如下：

（1）空气环路对于空调区域的空气环路，要满足空调区域的空调效果，末端的冷却盘管提供的冷量，应同时满足空调房间一定的冷负荷、新风负荷和冷风输送过程中的传热损失，以及消除风系统中风机机械能所转变的热量。

（2）冷冻水环路对冷冻水环路，蒸发器的冷负荷应包含冷却盘管的冷负荷、冷冻水输送过程的传热冷损失和消除冷冻水粟机械能所转变的热量。

（3）制冷剂环路对制冷剤环路，冷凝器的热负荷应包括蒸发器的冷负荷和消除水冷冷水机组压缩机机械能所转变的热量为了保证空调区域的空调效果，空调区域的冷负荷、新风负荷和冷风输送过程的传热及风机的能耗所转变的热量，决定了末端冷却盘管负荷的大小；该末端冷却盘管负荷连同冷冻水输送环路的能耗及传热损失，又变成了冷水机组蒸发器需负担的负荷；蒸发器所呈现出的冷负荷情况与压缩机所造成的能耗组合在一起，最终形成了冷凝器当中的热符合。

2.3能流的可视化分析

能流所呈现的图表也被称作为桑基能量图，该图表能够实现能流的可视化。总的来说，能流图表属于一种数据分析的方式，图表中的宽度所体现的是能流大小，而剪头则表示的是能流的方向。该图表最为显著的特点是主支的宽度和等于分开的分支宽度和，从而至始至终维持能量的平衡。上个世纪末，爱尔兰科学家瑞奥桑科第一次将能流图表用于对蒸汽机能源效率的绘制过程中，而到了今天，能流图表已经被应用在金融和能源等多个领域当中。与此相同，集中空调系统的能耗也是由系统中各个部门的能耗来组合而成的，也就是说系统中各个部门存在这能流，且总能流与各部分能流数量相等，从而使得能量得到持续平衡。所以，可将能流图表应用于冷水水冷空调系统的能流和能耗分析过程中，进而实现其能流的可视化。

结束语：

本文主要对于水冷冷水机组集中空调系统当中的能耗和能流情况进行分析和研究，该空调系统的耗能居集中空调系统领域为最高，在建筑等多个领域当中也也到了非常高的重视。关于集中空调系统能耗分析方法有十分多的种类，但很少有从整个集中空调系统的层面上来进行分析的，即便有也只是采取定性分析的方式。建立了水冷冷水机组集中空调系统基准能耗系统分析模型，定量化各能流对基准能耗的影响。分析水冷冷水机组集中空调系统能耗影响时，应将换热设备存在换热损失考虑在内，同时在建立各因素影响下水冷冷水机组集中空调系统的能耗分析模型时，应建立相应换热设备存在换热损失时系统的能耗分析模型。换热设备存在换热损失是所有影响能耗因素中最为复杂的一个，系统当中的换色装置所具有的换热效率在也一定程度上对于整个系统的能耗情况有着重要的影响。

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