浅谈空调制冷系统设计中的问题
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作者: 李冀苏
摘要：本文叙述了空调制冷系统设计施工中一些基础数据对制冷系统效率的影响，对目前常见的制冷系统方面进行了分析，从而不断优化系统方案，提高系统及制冷设备的节能性。
关键词：空调制冷系统；制冷系统效率；优化系统；节能
0 引言
随着国内经济建设的发展，空调制冷系统应用场合也不断扩展，大量运用在工业、民用项目中。空调制冷系统的设计有了很大的进步，其应用技术要求也在不断提高。这对广大暖通工程师提出了更高的要求，仅仅局限于对系统或设备的简单了解，并不一定能保证整个制冷系统稳定、高效和安全运转。
文中结合设计、施工安装和后期运行经验，现将空调制冷系统设计和运行中可能会发生的部分问题进行总结分析。
1膨胀水箱的计算
对于空调系统膨胀水箱容积的计算，国内的设计手册给出了两种不同计算方法。将这两种计算方法运用于水冷式冷水系统或供暖系统，夏季冷水温度7℃，冬季热水温度60℃，其计算结果相差不大。但是对于冬冷、夏热区域的长江流域而言，很多项目采用了风冷热泵主机作为冷热源。此时系统管路里的水温最低为7℃（夏季冷水出水温度），最高达到45℃（冬季热水出水温），两种方法的计算结果则可能偏差较大，下面将具体举例计算。
假设建筑面积2万m2，总制冷负荷3000kW，夏季冷水温度7℃，冬季热水温度45℃，分别根据《简明空调设计手册》和《空气调节设计手册（第二版）》的公式计算如下：
膨胀水箱的有效容积由系统中水容量和最大的水温变化幅度决定，可由下式计算：
（1）
系统内的水容（取水系统为“空气―水空调系统”的单位水容量为 1.3L/m2）：
=1.3L/m2×20000m2=26000L
式中―系统内的水容量，L；
―膨胀水箱的有效容积，L；
―水的体积膨胀系数，取0.0006L/℃；
―最大的水温变化，℃。
按国标图规格，可选用公称容积为0.5m3的方形膨胀水箱。
用另一种方法，水箱的容积按下式计算：
（2）
式中 ―水箱容积，L；
―系统在高温时水的密度，45℃的热水密度取0.9902kg/L；
―系统在低温时水的密度，7℃的冷水密度取0.9998kg/L；
―系统内单位水容量之和，根据设计手册选用23.2L/kW；
Q―系统的总冷量，kW。
因此：计算结果为：
按国标图规格，可选用公称容积为 1.0m3的方形膨胀水箱。
由上可知，对于风冷热泵系统而言，膨胀水箱的容积大于单制冷的水冷式冷水机组系统。尤其在实际的项目中，风冷热泵系统运用公式（2）来确定膨胀水箱的选型是非常必要的。
2 旁通清洗回路设置的必要性
虽然在《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243- 2002 中要求对“冷热水及冷却水系统应在系统冲洗、排污合格后，再循环试运行 2h 以上，且水质正常后才能与制冷机组、空调设备相贯通”。但在实际项目施工过程中，仍然存在制冷设备投入运行后，管道内的大量焊渣、甚至施工手套等异物进入换热器，影响系统的正常运行。
分析存在此类问题的项目时，发现其水系统管路中缺少必要的旁通清洗回路，这可能也是导致施工方无法很完善地进行系统冲洗、排污的原因之一。
在进入制冷机组的水管路前增设一组旁通清洗回路，可满足施工方及使用方在施工完毕或定期维护保养时对整个水系统进行清洗的同时，不会使得异物等进入机组的蒸发器和冷凝器侧，最大程度上保障了制冷机组的使用效果和使用寿命。
3 IP等级对机组安装场所的限制
IP 是Ingress Protection 的缩写。IP等级是针对电气设备外壳对异物侵入的防护等级，来源是国际电工委员会的标准IEC60529，这个标准在 2004 年也被采用为美国国家标准。IP 等级由两个数字所组成，第一个数字表示防尘；第二个数字表示防水，数字越大表示其防护等级越佳。常规的水冷式和风冷式冷水机组根据使用安装场所的不同，其制造时取用的 IP 等级不同，标准的水冷式机组为 IP30，风冷式冷水机组为IP43或IP54。特殊行业对冷水机组的IP等级有特别要求时，往往需要通过厂家的特别订货来完成。
在实际项目中，也遇见过个别案例在确定冷水机组放置地点时未考虑这些因素，将IP30的水冷冷水机组放置于建筑物屋顶，仅仅依靠简易的防雨棚来划分出机房空间，这样的方式不符合设备的防护等级要求。
若受建筑条件所限，无法在室内放置水冷式冷水机组时，作为设计师，我们不但要确认机组整机的IP防护等级，同时也要对机组的保温层防护提出要求。由设备制造厂家生产和提供符合要求的设备，才能既保障设备的安全稳定运行，又满足用户的使用要求。
4 风冷机组的配电容量应以最大电流值为准
目前国内的各类配电设计手册中都是以“额定电流”来确定制冷空调设备的运行电流值和最大线径。因此，暖通工程师在设计阶段，可能仅向电气工程师提供“标准工况下的额定电流值”做为电气部分的选型依据。对于水冷系统而言，水冷制冷机组受环境温度变化影响较小，其在实际工况下的运行电流值与标准工况下的运行电流值相差不大，供电系统容量偏小所带来的运行故障并不多。但对于风冷系统而言，风冷机组在实际运行中，随着室外温度的不断变化，风冷机组的运行耗电量会随之变化，以某款风冷热泵制冷工况为例（冷水出口水温 7℃，出入口温差 5℃的条件下）：
如果室外温度升高时，风冷机组的耗电量会上升，运转电流也随之上升，反之则下降。当室外温度上升至39℃时，此时风冷热泵的运行电流变为：
作为需要利用冷却水或空气进行热交换的制冷机组，均有在非标工况条件下运行的气候环境。因此，虽然国内许多制冷设备厂家未在技术资料中提供非标电流值或最大电流值，但根据制冷原理可知，在一定的制冷时段，实际运行电流值均会超过额定电流值。
以额定电流值来配置电缆、空气开关和变压器的容量时，如果当地的环境气温远远高于额定工况，会导致电缆温度偏高，电缆使用寿命缩短；或者空气开关时常跳闸；甚至变压器因超载而跳闸停机的情况，会严重影响用户的制冷使用效果和运行安全。
因此，在设计初期，应了解当地的极端最高温度、极端最高温度平均值等气候条件，以及所选制冷产品在运行时的室外最高温度界限、冷水出口温度范围等必要条件，由此要求厂家提供符合用户实际工况条件的“最大电流值”，此数值作为设计条件提供给电气工程师用于配电部分的选型依据。依据经验，当以上资料不足或项目初期时，可以采用“最大电流值 （1.2～1.25）×额定电流值”作为配电的初步选型条件，通常也是基本接近实际需要的。
5 大温度差系统对制冷机组的影响
为了控制管材初投资及提高系统节能性，目前有些项目采用大温度差供回水的方式。但是单纯的追求减少管材的初投资和提高水泵的节能性，有时反而会忽略了系统中主要用电设备―冷水机组的效率。尤其在大型项目中，冷水机组的运行耗电量是空调系统的主要能耗之一。
以 1 台某品牌1800RT（1RT=3.517kW）的离心式冷水机组为例，在三种不同工况下的 COP 值分别为：
A.冷水进出口水温7℃／12℃，冷却水侧进出口水温30℃／35℃（国标工况条件）， =6.082;
B.冷水进出口水温 6℃／12℃，冷却水侧进出口水温32℃／38℃（6℃温差）， =5.237；
C.冷水进出口水温 5℃／13℃，冷却水侧进出口水温 30℃／40℃（8℃温差）， =4.751。
由上述数据可知，同样一台机组，在国标工况“A”下，其 值高于国家节能标准所要求的 2 级能效标准（ ＞5.60），属于节能产品。但若采用 8℃温差的工况“ ”时，其能效标准仅相当于4级，属于低效率产品，而国标中已说明“4、5 级能效的产品属于未来淘汰产品”。因此，在系统设计时应结合制冷机组本身的优势特点，避免产生不合理的配置，使主要用电设备―制冷机组处于低效率的条件下运转，增加了用户的运行成本。
因此，综合比较后可采用工况“B”（6℃温差）系统方案，同时要综合分析比较制冷主机的耗电量与水泵的耗电量变化，在保证制冷机组保持较高运行效率的基础上，实现系统的节能方案。
6 结语
在各类空调项目中，随着用户的要求不同，系统构成是千变万化的，本文仅列举了一些常规系统的部分技术经验。对于技术人员而言，应在充分掌握项目基础信息的同时，亦与设备厂家深入沟通，了解各类产品的特性，充分发挥制冷设备在整个系统中的优势作用。
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