水冷螺杆式冷水机组选型分析比较
随着能源的日益消耗及紧张和社会对节能环保事业重视程度的不断提高，设备的合理配置和经济运行是广大客户和技术人员关心的问题。在一般饭店类建筑水冷螺杆式冷水机组的能源消耗约占到建筑总能源的一半或以上，而水冷螺杆式冷水机组又是空调系统耗能的核心部分，对于业主而言合理的主机配置不仅可以减少投资更可以在运营中大大地降低运行能耗。一般而言水冷螺杆式冷水机组主机选型可以遵循以下方法：
一、 首先分析当地能源价格，在主机选型中尽量避开高价能源种类：
不同种类能源价格见表1－1
表1－1 不同种类能源的单位热值价格
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能源名称 |
0＃柴油 |
天然气 |
0.6MPa蒸汽 |
电 |
标准煤 |
|
单位热值 |
10200 Kcal/㎏ |
8600 Kcal/m3 |
65×104 Kcal/m3 |
860 Kcal/KWh |
4500 Kcal/㎏ |
|
能源价格 |
6.0元/㎏ |
2.6元/ m3 |
140元/ m3 |
0.75元/ KWh |
0.6元/㎏ |
|
每万大卡热值单价 |
5.88元 |
3.02元 |
2.15元 |
8.72元 |
1.33元 |
注：表1－1中，随各地的能源价格不同，每万大卡热值单价也会不同。因标准煤通过燃煤锅炉使用时污染大，在许多城市以限制使用，且煤锅炉热效率低只有60％左右，考虑热效率后每万大卡热值单价也需达到2.22元，且各地的原煤热值也有很大差异，所以在以下的比较中仅按商品蒸汽为标准。
从表1－1中可以看出不同的能源种类，每万大卡热值单价也是不同的，而往往一个特定区域所拥有的能源种类是固定的。如在我国西部地区煤、天然气等能源价格便宜，而在东部地区又缺少这些优势，所以在中央空调驱动能源选择时应选择当地的最优势能源。中央空调分制冷和制热两部分，有些机型可冷暖两用，空调驱动能源种类见表1－2
表1－2 不同类型水冷螺杆式冷水机组的能效比及输出能量单价
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主机类型 |
吸收式 |
活塞式 |
螺杆式 |
离心式 |
涡旋式 |
模块式 |
|
能源种类 |
0＃柴油 |
天然气 |
蒸汽 |
电 |
电 |
电 |
电 |
电 |
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功能 |
冷暖双效 |
单冷 |
单冷 |
单冷 |
双效 |
双效 |
|
COP(制冷) |
1.2－1.33 |
1.2－1.33 |
1.0－1.3 |
3.57－4.16 |
4.50－5.56 |
4.76－6.0 |
4.0－4.35 |
约3.82 |
|
COP(制热) |
0.95 |
0.98 |
0.95 |
――― |
――― |
――― |
2.5－4.0 |
约3.2 |
|
输出单位冷量单价(元/104Kcal) |
4.42－4.9 |
2.27－2.52 |
1.65－2.15 |
2.1－2.44 |
1.57－1.94 |
1.45－1.83 |
2－2.18 |
约2.28 |
|
输出单位热量单价(元/104Kcal) |
6.19 |
3.08 |
2.26 |
――― |
――― |
――― |
2.18－3.49 |
约2.73 |
注：表1－2中，输出单位冷量（热量）的单价随表1－1中能源价格的变动而变动。
从表1－2中可知，不同类型的中央空调驱动能源种类不同，COP（能效比）也不一样，电制冷压缩式空调COP明显高于吸收式。虽表1－1中电的单位热值单价最高，但用于空调制冷时，输出单位冷量的单价又是另外一种情况，了解这一参数对水冷螺杆式冷水机组的选择更具有指导意义。
一、 水冷螺杆式冷水机组的选择：
1、制冷设备选择：
表1－2中能源价格参照的是我国东南部地区的一般单价，按表中的数据，选择空调制冷主机时应首选电驱动类空调；但在我国的西、北部地区，由于煤、天然气等自然资源充足，价格也有较大优势，或有些城市实行天然气峰谷价，在夏季气价较低，或有些建筑靠近市政热力管网有较低价格的商品蒸汽，以上这些情况可以考虑选用吸收式空调主机，但我个人认为最好在天然气或市政蒸汽价格有较大优势时才选用吸收式空调，因为往往以上能源价格的上涨速度会高于电价上涨速度，且吸收式空调有效率逐年下降的缺点。
2、采暖设备的选择：
按表1－2所示，部分空调只有单冷功能，冬季采暖必须通过其他设备，因电的单位热值单价最高，且需有大功率的供电设备与之配套，所以一般不采用电直接采暖的方式。冬季采暖常通过热水锅炉、容积式交换器、板式交换器、蒸汽散热片等设备，采用燃油、天然气、蒸汽等间接采暖。设备选型应根据当地最优势单位热值的能源种类取定，已采用空调水系统的，为减少投资一般不再采用蒸汽散热片采暖方式。
三、电驱动水冷螺杆式冷水机组的选型：
1、全年综合部分负荷值的计算：
在选择电驱动中央空调主机时，不同机型的选择也会对运行能耗产生影响，按表1－2所示，不同的电制冷空调COP不一样，且同一设备随着实际使用负荷的变化COP也会产生变化。在同样的工作条件下，大部分冷水机组在部分负荷下工作时COP会有不同程度的下降，也就是说：某一冷水机组在实际使用负荷达到该机组的额定负荷或达到该机组单机头额定负荷的整数倍时能效比最高，而在实际使用中冷水机组在很多时候是在部分负荷的情况下运行的，所以冷水机组的全年综合部分负荷值COP对于空调主机的选型比表1－2中给定的COP值更具有参考意义。
为了计算空调系统全年运行能耗和对不同冷水机组部分负荷性能进行比较，美国制冷空调协会根据美国29个城市25年的平均气象条件，在ARI550/590-1998标准中给出了部分负荷计算系数，即该空调负荷在全年空调系统运行时间内出现的百分数，见表1－3表1－3 部分负荷计算系数
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负荷率/％ |
计算系数 |
负荷率/％ |
计算系数 |
|
100 |
0.01 |
50 |
0.45 |
|
75 |
0.42 |
25 |
0.12 |
从表1－3可以看出，空调负荷非满负荷运行时间占运行中时间的99％，可见全年综合部分负荷值的计算相当重要，全年综合部分负荷值（IPLV）按下式计算：
IPLV=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D (KW/KW)
式中 A――在100％负荷下的COP
B――在75％负荷下的COP
C――在50％负荷下的COP
D――在25％负荷下的COP
由于中国和美国的气象条件不同，空调的使用条件不同，所以按表1－3中的计算系数也有变化，但由于美国是世界空调行业的领跑者，许多国家的空调制造参数都是参考美国行业协会的标准，所以表1－3对我们计算全年综合部分负荷值仍有较重要的参考价值，其中特定空调部分负荷下的COP可以按厂家提供的技术参数取定。
2、几种常规压缩式冷水机组的优缺点及选择：
⑴、活塞式冷水机组：
活塞式冷水机组通过活塞在气缸内的往复运动压缩制冷剂，从而达到制冷的目的，按压缩机数量分为单机头和多机头冷水机组，市场上用于空调系统的一般是多机头冷水机组，配置多机头冷水机组具有明显的节能效果，这种机组在部分负荷时仍有较高的效率，而且多机头顺序启动，每台压缩机功率小，对电网冲击小，该机型的最大特点是：多个机头同时对应多个制冷回路，这几个回路可以同时运行，也可以单独运行，起到互为备用的作用，提高了机组运行的可靠性，用于民用建筑的单机制冷量范围约为30－500KW；
优点：a、机组装置简单；
b、使用普通金属材料、容易加工、造价低、维修成本低；
c、多机头互为备用，整机运行可靠；
d、多机头每台压缩机制冷量小，随空调负荷的变化，经常能维持压缩机处于满负荷工作状态；
缺点：a、与其他冷水机组相比能效比低；
b、工作部件多、易损件多、维修频率高；
c、调节性能差；
d、往复运动惯性力大，震动及噪音较大；
该机型在小冷量领域具有一定的优势，在总冷负荷不大于500KW且只配置一台冷水机组时，可优先选用该机型。
⑵、水冷螺杆式冷水机组：
螺杆式压缩机是一种容积型回转式压缩机，它依靠气缸内一对螺旋齿转子相互啮合旋转，造成由齿形空间形成的基元容积的变化，实现对制冷剂气体的压缩，从而达到制冷目的。该机型按压缩机数量分为单机头和多机头，根据转子类型又分为单螺杆和双螺杆，该机组通过安装在两个转子的高压侧之间的滑阀来调节能量，可使能量在100％～10％之间连续无级调节，螺杆式冷水机组的的单机容量一般为120～1000KW.
优点：a、与活塞式相比运动部件少、无往复运动的惯性力、运行平稳可靠，可在较高的压缩比工况下运行；
b、机组易耗件少，零部件仅为活塞式的1/10，易于维修；
c、制冷量调节范围大，制冷量可通过滑阀在10％－100％的范围内无级调节；
d、能效比高、部分负荷特性好；
由于水冷螺杆式冷水机组具有上述特征，在集中式空调制冷系统中正在逐步替代活塞式冷水机组。
缺点：a、加工精度和装配精度的要求高，造价较高；
b、能效比比离心机组低；
该机型目前在公共建筑中选用的几率较高，制冷总负荷在500－2000KW时可优先选用该机型。一般同时配置多台机组时，其中至少配置一台螺杆机可以满足低负荷段的经济运行。
⑶、离心式冷水机组：
离心式制冷机属大冷量制冷机组，单机制冷量在1160K以上，他具有占地面积小、初期投资省、能耗低、易损件少、可靠性高、维修率低等特点，离心式压缩机分单级压缩和多级压缩两种类型，其结构和工作原理和鼓风机很相似，离心式压缩机能量调节一般采用进口导叶调节，近几年已开发出变频控制系统以调节叶轮转速，采用变频调节的机组全年平均可节能30％左右，但专用变频设备造价较高。
优点：a、单位制冷量重量最轻，占地面积最小；
b、在各类冷水机组中COP最高；
c、运转平稳，震动小，噪音较低；
d、能量调节方便，在较大冷量范围内能实现经济的无级调节；
e、无气阀、活塞等易损件，工作可靠，维修工作量小；
缺点：a、机组转速高，对材料强度、加工精度和制造质量要求严格；
b、低负荷时能效比低、易发生喘振；
喘振是离心式压缩机特有的一种故障现象，在低负荷时当排气量低于某一特定值时，叶轮内气流能量较低，此时高压侧气流会突然向叶轮内倒灌，倒流回的气流使叶轮内的压力升高，向外排出气体，然后叶轮内压力又下降，又发生倒灌，这种周期性的气体脉冲称为喘振，喘振发生时机组和管道会产生剧烈的振动，如不及时采取措施会导致压缩机损坏。采用普通进口导叶调节时，其喘振点在20％～30％负荷间，但目前较先进的进口导叶调节辅以压缩机扩压器宽度调节，其喘振点可控制在额定负荷的10％，离心式压缩机的喘振范围对制冷机的选择和运行至关重要。
一般在总冷负荷大于2000KW时可考虑选用离心式冷水机组，但建议和其他机型混合配置，因为在饭店类建筑中，制冷机在许多时候是在低负荷运行的，如全部配置离心式冷水机组，运行中极易接近机组的喘振点。
⑷、模块式冷水机组：
模 块式制冷机组就制冷方式而言不能单独列为一种制冷机，因为模块式冷水机组的压缩机有活塞式、涡旋式、螺杆式等，但由于该机型结构和安装方式与其他冷水机组有区别，所以现在往往把它看成一类独特的冷水机组。模块式冷水机组是一组并列的模块单元系统，每个单元都结构相同、性能一致，是一个独立的制冷单元，电脑系统使它一体化，并监控所有的模块单元，使其按一定的规律和程序运行，模块式冷水机组有水冷式和风冷式两种，目前市场上使用的较多的是风冷式，模块式冷水机组的特点：
a、 组装灵活方便，给系统设计带来便利；
b、 单机体积小、重量轻，运输安装方便；
c、 运转效率基本不会因负荷下降而下降，在运行中始终处于高效状态；
d、 具有可靠的互为备用能力，维修方便；
e、 维护成本低、自动化程度高，零部件通用；
模块式冷水机组一般适用于以下情况：
a、 建筑面积紧张、无合适中央空调机房；
b、 总冷负荷小于500KW，且运转中实际冷负荷多变；
c、 庭院式建筑，管道输送距离较长，或建筑群中各建筑空调使用时段不一致；
d、 风冷模块式可用于小规模建筑、不再选用锅炉且无市政热力管网的场所；
e、 风冷模块式可用于缺水、水价较高的地区；
四、水冷螺杆式冷水机组空调设计负荷的一般指标，实际使用负荷与设计值的差异：
空调负荷的计算较为烦琐，需计算潜热和显热，且需计算构成空调负荷的各类因素如人体散热、照明设备散热、维护结构传递得热、日照透射得热等负荷，所以设计上常按估算指标进
行估算，旅馆、饭店类建筑部分区域空调冷负荷估算指标见表1－4表1－4
|
区域 |
客房 |
酒吧 |
中餐厅 |
宴会厅 |
大会议室 |
健身房 |
|
冷负荷(W/㎡) |
150 |
256 |
360 |
410 |
358 |
272 |
一般饭店类建筑的装机容量在依据上述指标估算后，考虑空调实际同时使用系数，最后装机容量一般在100 W/㎡－120 W/㎡之间，但当前在空调系统设计中普遍存在冷负荷估算过大，致使装机容量偏大，造成投资浪费和运行费用增加。有关人员曾对24家饭店空调制冷机的装机容量和实际开机容量进行调查分析，调查结果见表1－5
表1－5 饭店装机和开机容量的冷负荷统计分析
|
冷负荷指标 |
装机容量的冷负荷指标（W/㎡） |
|
＜58 |
58.1-69.8 |
69.9-81.4 |
81.5-93 |
94-104.7 |
104.8-116.3 |
＞116.3 |
|
饭店个数/个 |
0 |
1 |
2 |
5 |
4 |
2 |
10 |
|
所占百分比/％ |
0 |
4.1 |
8.3 |
20.3 |
16.7 |
8.3 |
41.7 |
|
分计百分比/％ |
12.4 |
37 |
50 |
|
冷负荷指标 |
实际开机容量的冷负荷指标（W/㎡） |
|
＜58 |
58.1-69.8 |
69.9-81.4 |
81.5-93 |
94-104.7 |
104.8-116.3 |
＞116.3 |
|
饭店个数/个 |
2 |
8 |
9 |
3 |
2 |
0 |
0 |
|
所占百分比/％ |
8.4 |
33.3 |
37.5 |
12.5 |
8.3 |
0 |
0 |
|
分计百分比/％ |
8.4 |
70.8 |
20.8 |
0
|
负荷率 |
5 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
|
时间频数 |
12.2 |
6.5 |
23.6 |
16.5 |
14.9 |
10.1 |
7.3 |
4.7 |
2.9 |
1.0 |
0.3 |
|
|
累计时间频数 |
12.2 |
18.7 |
42.3 |
58.8 |
73.7 |
83.8 |
91.1 |
95.8 |
98.7 |
99.7 |
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
从表1－5可以看出，目前饭店类建筑冷水机组装机容量普遍过大，79.2％的饭店实际开机容量的负荷指标为58－81.4 W/㎡（包括＜58 W/㎡），实际开机容量的冷负荷指标均在105 W/㎡以下，这一现象应引起业主、空调设计人员及运行管理人员的重视。
五、空调负荷的分布特性及机组的经济运行：
设计的空调冷负荷是指夏季室外空气处于设计计算参数、室内负荷处于最不理条件下的负荷，空调建筑的实际冷负荷是随室外气象条件和室内工作条件的变化而变化的。因此空调系统的实际冷负荷不是一个恒定值，不但每天在变化，而且每天24小时内也在不断变化。表1－6和表1－7是有关人员统计的北京和长沙两地饭店类建筑夏季运行平均空调负荷时间频数，
表1－6 北京地区夏季空调负荷时间频数 ％ （全年总运行时间2850h）
表1－7长沙地区夏季空调负荷时间频数 ％ （全年总运行时间3372h）
|
负荷率 |
5 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
时间频数 |
0.1 |
0.1 |
4.9 |
19.5 |
31.6 |
20.8 |
11.9 |
7.6 |
2.3 |
0.9 |
0.3 |
|
累计时间频数 |
0.1 |
0.2 |
5.1 |
24.6 |
56.2 |
77 |
88.9 |
96.5 |
98.8 |
99.7 |
100 |
从上表可以看出：
1、 全年有98％以上时间是在设计负荷的80％以下运行；
2、 全年有80％以上时间是在设计负荷的50％－55％以下运行；
这一数据和表1－3中的数据也相接近，了解空调负荷的分布特性对空调设备的选型和节能运行具有重要意义，我们已经知道，某一冷水机组在实际使用负荷达到该机组的额定负荷或达到该机组单机头额定负荷的整数倍时能效比最高，运行也最经济。所以按常规配置在总冷负荷确定后，平均分配各冷水机组的制冷量也是不尽合理的，如表1－6、表1－7所示，北京地区夏季空调使用中20％、30％、40％负荷的时间频数最高，长沙地区则在30％、40％、50％负荷段时间频数最高，在配置机组时最好一只多机头冷水机组的整机额定负荷或单机头额定负荷能与以上负荷段相匹配；在配置冷水机组时应更重视占总运行时间80％的50－55％冷负荷的配置，在该负荷段螺杆机具有一定的优势。
六、水冷螺杆式冷水机组与分体式空调的比较：
分体式空调（商用机、多联机）因控制方便、独立运行、效率不受系统影响等特点，在饭店类建筑特别是经济型饭店中占有一席之地，但与冷水机组相比COP较低且使用寿命短、维修费用高。
水冷螺杆式冷水机组与分体式空调相比最大的缺点是：1、初始运行成本大，因饭店类建筑的空调供应并不是持续不断的，特别是接近空调交换季节，业主为满足最大程度的经济运行，会尽量合理控制中央空调的启停。因中央空调系统中冷媒介质一般是水，空调末端要有制冷效果，首先是冷水机组对冷媒降温，水冷系统运行时冷媒标准是出水7℃回水12℃，初始运行时一般出水需达到12℃左右末端才能达到明显的制冷效果，如果某水系统水量50T、初始水温20℃，初始运行成本为（20—12）×1000×50＝40×104Kcal（可按表1－2查的相应费用，其中还不包括冷媒输送成本和冷却运行成本），当然由于末端电磁二通阀的作用，并不是每次初始运行成本都这么高，有效减少干管冷媒体积、合理的水系统分区、对末端电磁二通阀进行经常的检查和维护，对中央空调的经济运行起着重要的作用；而分体式空调由于冷媒管路短，初始运行成本基本可以忽略不计；2、存在管路损耗、存在冷媒输送成本及冷却设备能耗成本，在中央空调水系统中，冷媒泵和冷却泵也是构成空调系统能耗的重要组成部分，稍大一点的空调系统，以上泵组动辄几十千瓦，而分体式空调不存在以上能耗；例如一个200个房间的饭店，如在营业淡季时只有不到20个房间入住，使用中央空调肯定是不经济的；
近年来随着商用分体式空调性能的改善，分体式空调与中央空调结合使用也取得了较好的效果，特别是对于经营节奏不稳定、不同时期入住率有很大差异的饭店效果特别明显，经专业人员计算，在饭店类建筑中10％－20％的房间安装分体式空调，对中央空调的经济运行会有一定的好处，分体式空调与中央空调结合使用对饭店的另一个作用是：解决两管制空调系统中某些特定重要区域在空调交换季节对空调使用的特殊要求。但分体式空调由于自身结构原因存在先天不足，尤其体现在气温超过37℃和低于－3℃时效率明显下降，所以在空调使用标准高的饭店需考虑补充热源，或是两种系统同时安装。
七、几种节能型空调的应用：
1、冷凝热回收冷水机组：
在压缩式空调运转时，压缩机高压侧的排气温度可以高达70－80℃，这些热量最终会在冷凝器中被冷却水带走散发于大气中。近年来冷凝热回收中央空调的开发，就是合理地利用这一部分余热对生活热水加热，综合降低运行成本，一台720KW的热回收机组在气温30℃时，每小时可以提供50℃热水5-6T，而能耗只比同型号非热回收机组高不到10％，相当于每制1T热水热能成本2元，节能效益非常可观；
2、 水源热泵机组：
水源热泵是利用地球表面浅层水源，如地下水或河流、湖泊水水温稳定的特点，在夏季将建筑物热量转移到水中，而在冬季则从水中提取热量，水源热泵空调的COP高于普通水冷冷水机组，与传统的风冷热泵比能效比要高出40％左右，设计良好的水源热泵系统平均可为用户节约30－40％的运行费用。
但该机型的选用也有局限性：
⑴、 造价高：目前利用水源的方式通常有深井法和排管法，但这两种方式均要耗费较大的投资；
⑵、 要有地利优势：水源热泵的使用，天然水源很重要，必须有充沛的地下水源、临近河流或湖泊、且必须取得水资源的利用权；
3、 风冷热泵机组在北方缺水地区的应用：
风冷型冷水机组投资比水冷式高，运行能效比却没有水冷式高，按理说与水冷式空调相比没有竞争优势，但在水冷式空调中冷却塔的水量消耗也是一笔不小的数字。
我们以120万大卡冷负荷，选用风冷式和水冷式机组作比较，按美国ARI标准计算全年平均小时能耗：风冷为180.25KW，水冷为156KW，按全年运行2800h计算，风冷式耗电50.47万度，水冷式耗电43.68万度，冷却塔水耗15000T，从以上数据可以看出，风冷式能耗明显高于水冷式，但在北方有些严重缺水地区，水价高于8元/T，风冷式机组就是可以考虑的节能因素之一。
4、 蒸发冷却空调在西北等气候干燥地区的使用：
在相对湿度较低的干燥空气环境下，水分很容易蒸发，水蒸发吸收空气的热量，使空气降温，这一过程称为空气的绝热降温过程，利用上述原理开发的空调设备称为蒸发冷却空调。蒸发冷却空调分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却两种类型，该空调在干燥地区具有较大的优势：
⑴、 节能：蒸发冷却空调不设制冷压缩机，只有风机和水泵能耗，与一般的机械制冷相比可节电80％以上；
⑵、 环保：以水为制冷剂，不会造成大气污染，且水膜蒸发有过滤室内空气的功能；
⑶、 经济：投资为压缩式制冷的1/2，运行能耗为压缩式制冷的1/5；
总之，水冷螺杆式冷水机组冷热源的形式很多，应根据建筑物的面积、用途、冷热负荷大小、所在地区的条件、当地能源结构、价格及环保规定等情况，通过综合论证确定。合理的水冷螺杆式冷水机组冷热源配置，对水冷螺杆式冷水机组的节能运行会起到事半功倍的效果。
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