应用物理学论文
引言
2012 年国务院发布了《国务院关于印发“十二五”节能减排综合性工作方案的通知》,以推动节能环保产业快速健康发展。新建工程项目均以节能环保和经济实用为主题。空调及工艺冷却系统作为各种工程项目必备公用设施，也随着国家对科研发展的投入，迎来了新的发展契机及挑战。在科研实验站的搭建中，公用设施的经济投入、场地规模、运行费用均占据很大比例.如何优化公用设施的设计或优化改造已有设施，可以既满足主体设施的需要，又降低成本，已经是行业内摸索探寻的首要问题。
随着蒸发式冷凝器的出现，水冷与风冷平分秋色已成历史；水冷式、风冷式、蒸发冷式冷水机组已成市场鼎足之势。蒸发式冷凝器是将淋洒式排管冷却器和循环冷却塔有机结合的一种新型冷却设备，利用水分蒸发和空气强制循环来带走凝结热量，以冷却压缩机排出的高温高压过热制冷剂蒸汽，使之冷凝成液体，集二者优点于一体，可广泛应用于石油化工、轻工医药、制冷空调、食品冷藏等诸多行业中，适用于大中型制冷装置中.如图1 所示，蒸发式冷凝器采用逆流式结构，主要包括风筒、轴流风机、箱体、收水器、布水器、冷却换热管组、钢结构架、风窗、水池、循环水泵、浮球阀等。其中，冷却管并联使用，换热面积大，系统阻力小；整体结构紧凑，占地面积小；模块化设计，独立单元操作，可根据系统生产能力任意增加或调整。从节能环保及节约资源方面，三种冷水机组各有优劣。冷水机组冷凝形式的选择，受多因素制约.冷负荷在 700 kW ~ 1500 kW 范围内的冷凝形式选择，仁者见仁、智者见智。
本文通过节能、环保、经济、实用四个方面，对风冷、水冷、蒸发冷三种冷凝方式进行交叉对比分析，探究该负荷范围内哪种系统综合性价比更高。【图1】
1 冷水机组的能效
考虑机组的制冷能力时，首先需要针对机组的压缩机形式做分析对比（如表 1 所示）。中央空调系统中，压缩机形式的选择，通常以制冷量及制冷系数为主要依据.近十年来，多机头并联机组和变频技术的普及，推动了机组多样性设计。涡旋机和活塞机的多机头并联机组，从十几千瓦到几百千瓦均有采用；螺杆机和离心机在多变工况时，变频调节也大大提高了能效比。【表1】
1.1 额定负荷能效对比
冷水机组的制冷能力与压缩机排气量和蒸发端换热效果有直接关系，而冷凝端的冷凝能力直接决定系统的耗功以及能效比。以图 2 制冷循环压焓图为证：任何一种制冷剂在制冷系统运行中，饱和蒸发温度、过热度、过冷度均设定时，消耗功率（W=h3-h2） 随冷凝压力升高而增大；单位制冷量（Q=h2-h1）随冷凝效果减弱而减少，制冷剂循环量也会随系统循环效率降低。依据制冷剂的特性，两相区内压力与饱和温度一一对应，压缩机排气压力随着冷凝温度的升高升高，能耗会有所加大，所以冷凝温度的高低也是决定制冷循环能耗的重要参数。【图2】
依据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012可得标准空调工况下：水冷式冷水机组设计冷凝温度为 35℃，蒸发冷式冷水机组设计冷凝温度为 40℃，风冷式冷水机组设计温度为45℃。由此可知，同冷媒同型号压缩机所匹配的不同形式冷水机组中，单位制冷量方面水冷式最大，蒸发冷式其次，风冷式最小；压缩机耗能方面风冷式最大，蒸发冷式其次，水冷式最小。但是，系统耗能分析时，不得不考虑除压缩机以外的动力设备耗能。
如图 3 所示，水冷机组的附属动力设备有冷却水循环泵及冷却塔；蒸发冷式机组有蒸发式冷凝器（风机及冷却水泵）；风冷式机组有风冷式冷凝器用风机。在能效比方面，行业内已经得出明确经验结论，通常冷量 1500 kW 以上大型冷水机组选用水冷式为优，冷量 500 kW 以下小型冷水机组选用风冷式为优。冷量在 500 kW~1500 kW 范围冷水机组，冷凝形式选择上往往存在分歧。现针对冷量为750 kW 中央空调系统进行能效比对，机组采用麦克维尔单螺杆冷水机组，其中蒸发冷式冷水机组为本文非标准设计，机组技术参数源自《麦克维尔冷水机组培训技术手册》.
由表 2 数据可知，冷量在 750 kW 左右的中央空调综合能效对比中，水冷式机组较风冷式机组节能 10.9%;而蒸发冷式冷水机组较风冷式节能16.4%,较水冷式节能 6.2%.
实际工作中，冷水机组长年以额定负荷运行的项目非常少。空调用冷水机组除开机满负荷外，98%的工作时间负荷率在 70%以下;不具备负载调整能力的机型除外。【表2】
1.2 部分负荷能效对比
暖通及制冷项目设计选型时，设计者往往会考虑业主追求设备最大利用率以及应对特殊情况时的设备负荷余量，选型放大系数通常为 5%~15%.
制冷设备又均以开机时满负荷运行，维持工况时多以半负荷工作。据《风冷和水冷式冷水机组的运行能耗分析》结论，风冷式与水冷式机组部分负荷性能参数 IPLV（源自美国空调与制冷协会 1998ARI 550/590 标准）对比中，1050 kW 的风冷式机组 IPLV 较水冷式大 3.61%.这一微弱优势源自风冷式冷凝器多风机的可调节性，使得该负荷领域的风冷式机组年运行能耗较水冷式略低。这也进一步论证了年运行时越长，风冷式较水冷式更节能这一经验结论。
采用蒸发冷式冷水机组的工艺水系统缩小了冷却水循环量，风冷与风冷/喷淋结合的双级调节方式也从细节上起到了节能的效果。所以，部分负荷能效对比中，蒸发冷式机组同样优于风冷式与水冷式。
2 冷水机组的环境负荷
中央空调系统为维护空调空间的温度与湿度，利用电能及空调设备实现了室内外能量的搬运及空气中含湿量控制的同时，中央空调的机房则会产生一定量的噪声。从表 2 中我们可以看到，水冷式机组与蒸发冷式机组噪声相对小一些，但是水冷式机组的冷却水循环泵也是主要噪声源之一，立式泵噪声较小，卧式泵运行噪声不可忽略。风冷式机组因为其排气压力最高，压缩机的噪声也很大；一体式风冷冷水机组因其噪声大，设备体积庞大，通常设计成室外型.
除噪声与对室外环境换热外，蒸发式冷与水冷式机组的冷却塔对机房附近的大气环境也有很大影响。蒸发式冷凝系统与普通冷却塔同属开式水循环系统，雨水、风、雷电、甚至补水都会对水质产生影响。为控制冷却水水质，现今最流行的维护方式仍然是投药处理。防垢、防锈、杀菌、除藻等水体问题因为投药工艺而解决，但投药后的冷却水一旦蒸发，溶液浓度升高，会强烈腐蚀排水管附近的金属焊接点及零部件。
另外，冷却塔夏季蒸发量大，周围空气湿度大藻类细菌容易滋生，水处理不当，严重时冷却塔会成为散播致军团病的载体。若冷却塔附近有烟囱类排烟设施，水汽与烟雾混合后也易产生酸雾，威胁到周围几百米范围内常驻人员的身体健康。
3 冷水机组的经济性
初投资与运行成本是衡量项目经济性的两大指标.水冷式机组的冷却水循环泵、管材、保温增加了设备投资，机房的占地费及项目安装费在当今城市项目建设中日益凸出。风冷式机组因为压缩机功率大，变压器等配电设备大；再有风冷冷凝器为铜管铝翅片结构，铜管使用量大，造价较其他形式冷凝器昂贵。若采用分体式风冷机组，机房占地小，室外安装占地面积较大；而一体式风冷机组机房占地面积是普通冷水机组的（2~3）倍.蒸发冷式冷水机组既具备了风冷式的结构简单，又兼备了水冷式主机占地小的优点。随着蒸发冷加工工艺的成熟，蒸发式冷凝器价格比风冷式冷凝器低 30%.所以，系统初投资方面，水冷式与风冷式相差无几，蒸发冷式冷水机组的单位负荷造价略低。
运行成本方面如表 2 耗能对比所示，蒸发冷式冷水机组有一定的优势。由图 3 中三种系统的原理结构可以看出，蒸发冷式冷水系统与风冷式冷水系统结构相对简单，安装简便且工时短，维护保养频率小费用少；比水冷式机组长年运行费用更稳定，年运行时数越长越经济。水冷式机组经统计，年补水量控制在 3%以内，年度费用较低；长年运行后，水垢附着冷凝器、管路及冷却塔，年运行费及维护工作量逐年递增;维护也较复杂，需要专门的维护人员。为维护水冷式机组的使用寿命，必须对冷却水系统进行缓蚀、阻垢、杀菌、灭藻处理。冷量1000 kW 左右的水冷式机组，若采用投药式处理，年投药费用在 5 万左右。蒸发式冷水机组冷却水循环量相对小，维护费用也相对少一些。总之，在中型空调系统中水冷式机组的冷量大，功率小的优点难以体现。
此外，蒸发冷式冷水机组与水冷式冷水机组的使用寿命为 20 年左右，风冷式冷水机组平均使用寿命约为 15 年。
4 冷水机组的实用性水
冷式冷水机组受冷源约束，适用于水源较充足，水体矿物质含量小，长年风沙量小的地域。为保护冷却水水质、周围建筑及人群的安全，要求远离工业烟囱和锅炉烟囱。冷却水循环管路需设施保温，夏季保证冷却效果，冬季防止水管冻裂。冷却塔虽然换热量大，结构简单，但是在我国南方地区，夏季室外环境湿球温度偏高，空气含湿量大，夏季换热效果会大打折扣，随之冷凝温度升高，机组功率呈线性升高（如图 2），需适当考虑冷水喷淋等补冷措施。水冷式系统结构复杂，只有用于较大型空调系统中才能发挥其制冷量大，能效比高的优点。
风冷式冷水机组最大的优点就是结构简单、适应性强，风冷式机组以空气为换热源，不惧风沙也不受水源限制。北方地区因其冷凝端冬季不需要考虑防冻而广泛应用。风冷式机组依据卡诺循环的原理，在南方多利用四通阀做成空气源热泵机组。空气源热泵机组夏季不惧怕湿球温度高，冬季可向室内供暖；冬季供暖属于高效低能式运行，弥补了夏季耗电量高的缺点。
蒸发冷式冷水机组结构形式性能特点，介于水冷式与风冷式之间，既有冷水式机组的低冷凝温度，又有风冷式机组结构简单易安装等特点。蒸发冷式机组适用于水源较稀缺，长年风沙量小的地域。北方深秋季节可以将蒸发冷循环水放掉，并加以保温措施以防止水泵冻裂，冷凝形式变为风冷。
由于蒸发冷管程内为高温高压制冷剂，南方夏季湿球温度偏高的问题对其影响不大。即便是梅雨季节，蒸发冷也能很好的保证冷凝效果。早在 2000年左右，蒸发式冷凝器就以其特有的结构形式及换热性能赢得了冷库市场的青睐。随着近年来中国制冷行业的蓬勃发展，国产蒸发式冷凝器已经解决了材质及换热效率等匹配优化问题，市场价格已不再是用户的主要考虑问题。
5 结论
综上，中央空调或其它工艺冷却系统在不同冷凝形式冷水机组的采用时，可以考虑本文结论：
1） 冷量需求大且有固定水源供应时，大型水冷式冷水机组仍是公用设施的不二选择，过渡季节利用冷却塔与板式换热器配合也可以降低水冷式系统的能耗；2） 冷量需求偏小的供冷系统，不分地区与环境，采用风冷式冷水机组综合性价比最优；3） 冷负荷在 700 kW ~ 1500 kW 的中大型冷水系统中，采用蒸发冷式冷凝的冷水机组，其结构简单、性能可靠稳定、初投资低、能效比高、适应环境力强、占地面积小等优点表现出更为优越的市场前景。
总之，不同冷凝形式冷水机组的设计与建设时，受到能耗、环保、成本、实用性等客观因素的制约，具体结构形式没有绝对性，只有性价比的更优化，再经过与建筑结构，电气控制，安全防护等专业的有机配合，才能更好的保护投资方的利益。公用设施水、风、电系统建设需要大胆创新，不断的优化设计，才能够更好的辅助主体机构的运行与需求。
参考文献
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