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暖通空调论坛-暖通设计师之家

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楼主: nanjingpingri

中央空调水系统为何设计7℃-12℃供回水温度?都是洋首是瞻的谬误

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 楼主| 发表于 2017-2-5 09:50:03 | 显示全部楼层
在去年九月的旧杂志上看到杨振宁和丘成桐以及中科院争论筑建巨型对撞机的事件。杨振宁认为不应该花费天文数字的资金来重复美国人实践而失败了的科研项目。我个人的看法是丘成桐是学数学的,看不到杨振宁所看到的物理。实验物理和数字分析固然有其重要性,上世纪量子物理的发展,特别是在开始阶段就是依靠实验物理和数字分析(numerical analysis)来开启量子物理研究的。接着才出现量子力学等理论物理的支撑。然而,这是在牛顿古典力学被视为近乎真理的19世纪后期,实验物理突破新的物理现象打破古典力学的思维肯定是十分关键的。

经过一个世纪全力以赴地继续实验物理和数字分析的研究,而理论物理建设方面基本上仍然停留在上世纪前期schrodinger和dirac等量子力学和爱因斯坦的相对论两个无法有机结合的运动学理论上,在这个历史阶段,理论物理的跟进才是现代物理学发展的瓶颈。如果理论物理不能跟进而消耗大笔可以用于其它经济和社会建设的资金用来建造巨型对撞机企图填补理论物理建设的不足,那是事倍功半的。以美国上世纪聚集全球最优秀的物理学家和财富的雄厚背景,尚且失败的项目,以中国今天的经济和物理水平,我认为杨振宁的判断是正确的,丘成桐是学数学的,没杨振宁搞理论物理的懂物理。

有一则看似风马牛不相及的琐事也许能形象地解释上述问题。有一天我在乒乓球馆看到几位球员在争吵,十分热闹。原来他们要主办球赛正在讨论需要多少时间来完成比赛。他们决定采取双淘汰制,也就是每个球员输了一次还可以再打,输了两次才被淘汰。74个人打双淘汰,每场打15分钟,需要多少时间才能完成比赛呢?他们在纸上画,没那么大张纸,而且一个对一个胜的上,输的下来还要对另一个,实在是太复杂了!没画几下就被球友否定了,于是剩下的只有瞎子摸象式的争吵。

在我看来这是十分滑稽的事,因为他们企图用实验方法来取代理论的空白。结果不但是事倍功半而且是失败告终!什么是双淘汰呢?那就是除了冠军没输和亚军输一或二次,其它72人每个人都输两次。所以比赛场数=73x2=146;比赛时间=146x15/60=36.5小时。一个简单的理论计算,争吵终止了……

理论研究需要的就是分析法计算(analytical method),它是实验和数字分析(numerical analysis)所无法替代的。这是我这几年尝试在空调系统上做的工作,前面是一些例子。到目前为止,最大的收获是等相对湿度定律和水温漂移的计算。因为能计算水温漂移,就能做多工况设计,于是就能打破现存50小时不符合单工况设计的概念。利用多工况设计就能排除恒温恒湿空调设计的过大再热量(见<平日科技>www.sana.cn)……
 楼主| 发表于 2017-2-6 09:28:22 | 显示全部楼层
本帖最后由 nanjingpingri 于 2017-2-7 09:08 编辑

总结前面110个楼层的论坛内容:
1.        “冷冻水供回水7-12℃是最好的设计”这个命题并不能成立,我们只能说7-12℃供回水是一个可靠、稳定、应用范围广泛而且并不特别耗能的选择。然而在舒适性空调领域它肯定并非最佳选择。原因是供回水温度偏低则主机耗能,传输温差偏低低则水泵耗能。选择偏低的供回水和传输温度是因为稳重或保守,保守是因为不懂得除湿机制,担心机组除不了湿。在“除不了湿”和“出不了事”两者之间做选择,美国人选择了后者,我以前的美国同僚称之为稳重(prudent)。

2.        5℃传热温差并非必须的条件,横流或叉流设计的盘管,传热温差更不能是5度,不然送风温度=12+5=17℃,那肯定是太高了!

3.        末端送风温度没有必要低于露点温度,即使是送风温度比露点温度稍高,末端依然是能除湿的,认为送风温度必须不高于露点温度末端才能除湿是一个常见的谬误。原因是与微小的空气分子相比,2mm左右的翅片距离是比十万八千里还遥远的距离,所以翅片之间的空气温度是分层的,靠近翅片的低于露点温度,但是离翅片远的温度则超过露点温度,送风温度是所有铝箔之间空气的混合温度,除非盘管很厚、铝箔间距很小、风速很小或供水温度很低,不然送风温度普遍要比露点温度稍高。

4.        5度传输温差也不是最好的选择,因为温差小则水流量大,所以水泵能耗大,特别是水泵运行的时间比压缩机长得多,实际能耗必须加上应用时间的因素。美国人传统设计5度传输温差是因为担心水流量分配不均时,如果水流量太小则缺水的末端可能没有除湿效果。但是,美国人的5-13℃大温差小水流量机组虽然不能全面推开,却也有不少案例,而且已存在二三十年,实际运行和上述担心并不存在关联(correlation)。

5.        5-7℃冷冻水供水温度并非末端机组满足除湿要求的必须条件,事实上把冷冻水供回水温度定在7-12℃是在进风干湿球27℃/19.5℃标准工况的前提下设计的。机组实际满负荷运行时,室内温湿度要求比标况低而且干燥得多,只有25℃/50%左右,同时室内热负荷只有额定冷量的83%左右,或者说额定冷量是热负荷的120%,所以传输温差只有5*0.83=4.1℃左右,因此供水温度约7.9℃。在部分负荷下运行,传输温差更小,所以供水温度更高,反正比7℃高得多。美国人的传统设计应该是考虑到这个因素,所以不敢把供水温度提高,担心供水温度高了,末端无法保证除湿能力。我们认为真正的原因是美国人不了解除湿机制,所以只能选择保守以求安全过关。用江湖行话是行走江湖必须技高才能胆大,技不高只好选择平安过关。

6.        无论如何7-12℃系统能独领风骚百年,必然有它存在的理由。就事论事,它确实是一个简单、稳定、可靠、应用范围广泛而且并不那么耗能的系统。但是,既然我们了解了除湿机制,就应该在保存这个系统简单、稳定和可靠的优点的前提之下,提升它的性能和能效。于是平日科技/平欧空调开发出715G和917大温差机组,相比常规712机组,节能超过10%,部分负荷运行时节能可达16%。为了工程公司操作方便,我们也开发了可以傻瓜式替代常规712机组的715S系列产品,保证适应大温差机组在各种舒适性场合的应用。715S的节能只有5%-7%,部分负荷运行是约7%。

 楼主| 发表于 2017-2-6 09:30:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 nanjingpingri 于 2017-2-7 09:11 编辑

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7.        下图展示712和715级组当温控设定在24±2℃时的运行状态,黑色粗线条是712机组在不同负荷下的运行轨迹。通过在底限(22℃)时下调一档风速,机组可延续运行而不需要关闭水阀,同时室内温湿度都可以控制在设定以及舒适性的范围内(温度22-26℃/相对湿度50-62%)。红色粗线条是715机组控制在24±2℃时,在不同负荷下的运行轨迹,运行状态保持常规712机组的稳定性。这体现在温湿度都控制在设定和舒适性的范围内(温度22-26℃/相对湿度54-66%)。事实上,仔细观察,715机组的温度范围比712机组还稍微小些。
 楼主| 发表于 2017-2-6 09:34:09 | 显示全部楼层
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9.        下图显示712和715G机组的能效计算,通过精准的计算和匹配,715G高效节能型大温差机组通过水泵和主机同时的节能,相比常规712机组能效可提高11.3%,在部分负荷运行时节能可提高到14%。
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 楼主| 发表于 2017-2-6 21:45:45 | 显示全部楼层
补充一点,大温差机组设计的理念是在保存712和513机组传统优点的前提下,提高其能效和排除其缺点。712和513机组的传统优点包括系统简单、稳定和可靠,为了保持这些优点,设计715机组的理念是保留712机组的供水温度和513机组的水温差。长话短说,我们的策略是以美国人数十年运行的经验,做为715系统稳定可靠的保证。为了进一步保证715系统的稳定和可靠性,我们通过数学模型计算,量化比较715和712机组的各种性能和运行状态,包括运行全过程的水温,室内平衡干球温度和相对湿度等。我们要求在设计过程中保证715机组的性能优于常规712机组。下图总结一些715与712机组运行参数的对比,除了在缺水状态运行时,715机组室内平衡干球温度比712机组稍高0.42℃以外,其它715机组的参数都比常规712机组优越。

因为水流量偏小所以715机组在缺水状态运行时,降温能力衰减比常规712机组大是能理解也正是我们所担忧的。为了保证不会出状况,所以首先我们选择美国人已经验证过二三十年的8度大温差而不敢选择更大的温差。然后我们具体计算和实验验证715机组在缺水状态的运行性能。

513传统大温差机组存在因为供水温度低导致主机能效低以及保温和输送损耗的问题,715级组在保持513级组大温差小流量的优势的同时,把供水温度提高到和常规712机组相同,所以彻底解决传统513大温差机组的上述问题。

Zhangjf8403近两年做了十来个715S的小项目,在93楼他曾提到这事,他的反应是效果比预期的还好。不论是性能和能效都明显比常规712机组强,这一点我能想象,因为我还留了一手,在决定715末端的样本额定冷量时,我们刻意把额定冷量标小了。计算数据是715级组的额定冷量比常规712机组大7%左右而我们基本上把两者的冷量标成一样,这是跟美国人学来的慎重(prudent),美国人能引领风骚一百年,并非一无是处,当然也不是美国的月亮就特别大。希望Zhangjf8403能具体深入谈谈他的经验,最好是让工程公司和客户也参与讨论。
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发表于 2017-2-6 22:06:45 | 显示全部楼层
nanjingpingri 发表于 2017-2-3 12:27
常规直膨机组的蒸发温度设计在5℃,而常规712冷水机组的蒸发温度只有2℃而已,两者的蒸发温度相差了3℃,以 ...

直膨多联机的压缩机即要压缩做功又要推动冷媒运行,供回铜管长短对压缩机影响是不小的,所以有些客户说多联机实际运行时比理论耗电功率高的多,特别是在同时开机率高的情况下。10m、20m、30m,50m的阻力能一样吗?特别是冬季,多联机效果不好,因外界环境温度低,系统中循环的冷媒流量减少,储液罐里存放的冷媒增加对压缩机而言就是增大循环阻力,过长距离的循环制热效果不能保证,压缩机耗电却没有减少。
发表于 2017-2-6 22:18:09 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhangjf8403 于 2017-2-6 22:22 编辑
nanjingpingri 发表于 2017-2-6 21:45
补充一点,大温差机组设计的理念是在保存712和513机组传统优点的前提下,提高其能效和排除其缺点。712和513 ...


实际工程中,我遇到“缺水”现象不多,设计水路循环时尽量采用同程设计,支路较长的末端供回水管道可以放大一点,比如风盘集管是DN20,支管较长时,从主管开三通用DN25的水管送到末端处时再变径为DN20,这样对于不利环路的末端水阻力小了,水流量就不会缺,“缺水”现象出现概率就低很多,而且在选用水泵时都会放10%的余量。看各个厂家的样本资料,空调箱、风机盘管和组合式空调箱,表冷的水压降都不相同的,最大的有60KPa的差别,大型工程项目中,以上末端设备经常同时出现在一个水系统中,只要水泵扬程足够,最不利管道循环的那个末端不缺水,其它末端不会缺水的。那么你所担心的缺水问题并不是那么严重。
发表于 2017-2-6 22:41:04 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhangjf8403 于 2017-2-6 22:43 编辑
nanjingpingri 发表于 2017-2-6 21:45
补充一点,大温差机组设计的理念是在保存712和513机组传统优点的前提下,提高其能效和排除其缺点。712和513 ...


715最直接的使用感觉:
1、降温快,4排表冷器比3排表冷器从刚开机到稳定状态更迅速
2、室内温度更稳定,恶劣天气工况时效果比712的更舒适
3、循环水泵流量小了35%,水泵扬程相同,电机功率小1~2档
4、回水15度比12度回水在管道上冷量损失小,看过很多工程,保温是被很多人忽视的,做的不像样子,管道上冷量损失多,空调主机就得加班工作,停机卸裁时间缩短,浪费电能
5、2000平方以下工程优势不明显,3000~5000平方715在安装上稍有优势,5000平方715优势极大,真正做大工程应该理解大温差好在哪里。实际案便如:上海世博会(供回水6.5/13度)
发表于 2017-2-7 17:16:22 | 显示全部楼层
zhangjf8403 发表于 2017-2-6 22:41
715最直接的使用感觉:
1、降温快,4排表冷器比3排表冷器从刚开机到稳定状态更迅速
2、室内温度更稳 ...

118楼总结的太好了,学习了,感觉715是个好产品,之前没有接触过这方面的知识,想多学习一些相关的内容。希望118楼楼主多给大家分享点实际经验,我们也学习学习
 楼主| 发表于 2017-2-7 18:43:46 | 显示全部楼层
zhangjf8403 发表于 2017-2-6 22:41
715最直接的使用感觉:
1、降温快,4排表冷器比3排表冷器从刚开机到稳定状态更迅速
2、室内温度更稳 ...

上海世博会(供回水6.5/13度)应该是特灵推的5-13供回水常规大温差机组吧?要不就是约克推的,没想到竟然做进这么标识性的大工程,有品牌就是好……

粗略计算:常规7-12机组在满负荷运行时,进水温度大概是7.9℃,温差约4.12度。513大温差水温差8度,所以控制回水温度13℃时,水温差=4.12*8/5=6.56度。所以供水温度=13-6.56=6.44,这和你所提供上海世博会供回水6.5/13度十分接近!

试想如果用我们的715,特别是715G,平白就节能10%以上了。而且因为是国产品牌,初投资还便宜呢?为啥上海世博会要花钱又耗能呢?因为5-13是美国人设计的产品……
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