中央空调技术原理、用水分析及节水对策

文/赵顺安

一、中央空调的主要类型、原理与特点

中央空调是一种保障机场、车站、商场、娱乐、酒店、学校及办公公共室内场所空气质量的重要设施。包括室内新风处理、冷热源、输运分配和自动控制等部分组成。

大型中央空调（建筑面积10000平米以上）按空气处理设备可分为集中式中央空调和半集中式中央空调两种。集中式中央空调的新风处理、冷热空气的送回风机等集中在空调设备房内，通过送回风管与被空调的场所相连接，对空气进行集中处理和分配，如图1示；而半集中式中央空调只有新风由空调设备房集中处理，房间内的空气由分散的房间内装置处理，如图2示。集中式中央空调适用于公共场所面积较大的机场、车站、商场、娱乐等场所，而半集中式中央空调适用于酒店、学校、办公等场所。

图1 集中式中央空调

图2 半集中式中央空调

近年来对于建筑面积小于10000平米的中央空调多采用一种变制冷剂流量系统，也称VRV空调系统，如图3示。系统结构为一台室外机对应一组可多达50台室内机，控制系统采用变频抵制方式，这种系统也称多联机，是家用空调的一种增强型。系统具有节能、设备维护费用低等优点，适用于办公楼宇等。

图3 VRV空调系统

组成中央空调的冷热源部分是中央空调系统关键设备，分为两类，一类是电动压缩式制冷；另一类是热驱吸收式制冷。

电动压缩式制冷是气体压缩机在电力作用下将冷却媒介由气态进行压缩变为高温气态，冷凝器中与外界空气换热，冷却后气态变为液态，由于节流阀作用阀后形成低压液态，在蒸发中吸收空气中的热量，蒸发为气态。通过压缩、冷凝、蒸发、再压缩，变可以把蒸发器吸收的热量通过冷凝器散出去了，如图4示。压缩机按压缩方式不同又有活塞式、螺杆式和离心式。

图4 电动压缩式制冷示意图

热驱吸收式制冷是利用溴化锂不变质、不挥发、不分解、极易溶于水，20度时在水中的溶解度是食盐的3倍具有很强的吸湿性，能够吸收比其温度低得多的蒸汽，其温度越低尝试越高吸湿性越强的特性进行制冷，如图5示。溴化锂溶液在吸水器中吸收水蒸气，蒸发器的水蒸发吸收冷水中的热量，由于溴化锂溶液吸收水分后，溶液浓度降低，吸湿能力也降低，这时将该溶液在进行加热使其中的水分蒸发，溴化锂溶液重新变浓，蒸发的水分经过与冷却水换热后凝结成水。这样循环往复便可将冷水中的热量由冷却水传给大气，低温冷水便是空调所需的冷源。按溴化锂溶液的加热方式不同可分为蒸汽型、热水型、燃油型和燃气型。

图5 溴化锂制冷原理示意图

热驱吸收式制冷比电动压缩式制冷的运行费用高出60%以上，一般在没有工业废汽和废热的工业区多数采用电动压缩式制冷。

图6 水冷式制冷系统

图7 风冷式制冷的空冷散热器

电动压缩式制冷按冷却方式可分为水冷式和风冷式，热驱吸收式制冷只能采用水冷式，VRV系统为风冷式。水冷式是将压缩机中的热量由敞开式冷却塔传向大气，如图6示，而风冷式是通过空冷散热器传给大气，空冷散热器如图7示。

水冷式压缩制冷初期投资比风冷式低15~20%，运行电耗低约25%，因此，中央空调基本采用水冷式压缩制冷技术。

二、中央空调的用水情况分析

中央空调用主要是循环冷却用水，风冷式压缩制冷系统采用了空冷散热器方式散热，循环冷却不耗水。水冷却压缩制冷的用水集中在循环冷却水系统，主要用水设备循环水泵、管路系统和冷却塔。循环冷却水系统水损失包括4部分，包括：蒸发、风吹、排污以和泄漏。中央空调的循环冷却用水量是蒸发、风吹、排污以及和泄漏量的总和。

循环冷却水四部分损失的水量中泄漏损失包括冷却塔的溅散、管道和水泵等部件泄漏，在运行管理好时，其量非常小,可忽略不计。

因此，中央空调的用水量主要是蒸发、风吹和排污而损失的水量，蒸发和风吹损失量与冷却塔有关，排污损失量与循环水水质相关。

循环冷却水补水量=蒸发损失量+风吹损失量+排污损失量。

蒸发损失量约为循环冷却水的1.5%，风吹损失可控制在循环水量的0.05%以下。排污量与浓缩倍率有关，量值为蒸发损失量除浓缩倍率减1，如浓缩倍率是2，则排污水量等于蒸发损失量，浓缩倍率为10，则排污损失为蒸发损失的0.1倍。新加波对于中央空调中的节水有一定的要求，在绿色建筑评价中浓缩倍率大于等于7才能得分。

综上所述，水冷式中央空调用水量约为循环水量的3%～5%，主要是蒸发与排污损失。一个10000平米的办公楼约需要配备1700千瓦的制冷量，相应需要循环水量约280立方米每小时，即每小时的耗水量约5~8立方米。

三、节水潜力及改进措施

中央空调的主要耗水是冷却塔的蒸发损失与排污损失，其它耗水可通过加强管理得到改进，所以，节水的主要方向是加强管理、采用减少蒸发排污技术。

循环水系统的管理要做好以下几点：

1. 定期更换除水器及淋水填料等塔内相关设备，减小风吹损失。

2. 经常巡检设备，杜绝滴漏跑冒。

3. 对中央空调使用过程中产生的冷凝水进行回收和再利用。

冷却塔是以蒸发为主要散热方式将热量传给大气，在不改变散热方式的前提下，减少蒸发损失有一定的困难。可尝试在增加能耗的情况下，采用以下方式减少冷却塔的蒸发。

1. 昌导绿色生活降低冷却负荷从而减少蒸发用水。

2. 选择风冷方式或其它冷却方式。

3. 采用干湿式冷却方式，在循环水进入蒸发冷却前在空冷散热器中先行冷却，这部分冷却的热量不就产生蒸发损失，从而减少用水量。

4. 研究采用经济合理的方法对出口饱和水蒸汽中的水进行回收和再利用。

5. 采用模块式冷凝技术回收部分蒸发水。

循环冷却水系统排污量是一个比蒸发损失还大的用水量，减少排污可减少用水量。要减少排污量则要提高循环水的浓缩倍率，浓缩倍率的提高需要对循环水进行水质稳定处理，以减少结垢和腐蚀。提高浓缩倍率可节省用水如下表示。

参考资料：

1. Technical reference for water conservation in cooling tower[R]. Singapoer’s national water agency,2017-11,1th edtion

2. 机械通风冷却塔 第1部分：中小型开式冷却塔. GB/T 7190.1

3. 机械通风冷却塔 第2部分：大型开式冷却塔. GB/T 7190.2

4. 机械通风冷却塔 第3部分：闭式冷却塔. GB/T 7190.3

5. 始于地球，始于荏原，荏原溴化锂产品知识介绍

6. 常用中央空调冷水机组的种类及其优缺点分析，中国建材网，2019-1-12

7. 彦启森，石文星，田长青. 空调用制冷技术.中国建筑出版社

8. 凯德利冷机. 风冷式冷水机与水冷式冷水机的区别分析

9. Best practice guidelines. Water conservation in cooling towers. Facility management association of Australia

10. GB/T 50050—2017工业循环冷却水处理设计规范

11. GB/T 50102-2014 工业循环冷却水冷却设计规范

12. GB 50736－2012 采暖通风与空气调节设计规范