水冷螺桿式冷水機組選型分析比較
隨著能源的日益消耗及緊張和社會對節能環保事業重視程度的不斷提高，設備的合理配置和經濟運行是廣大客戶和技術人員關心的問題。在一般飯店類建筑水冷螺桿式冷水機組的能源消耗約占到建筑總能源的一半或以上，而水冷螺桿式冷水機組又是空調系統耗能的核心部分，對于業主而言合理的主機配置不僅可以減少投資更可以在運營中大大地降低運行能耗。一般而言水冷螺桿式冷水機組主機選型可以遵循以下方法：
一、 首先分析當地能源價格，在主機選型中盡量避開高價能源種類：
不同種類能源價格見表1－1
表1－1 不同種類能源的單位熱值價格
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能源名稱 |
0＃柴油 |
天然氣 |
0.6MPa蒸汽 |
電 |
標準煤 |
|
單位熱值 |
10200 Kcal/㎏ |
8600 Kcal/m3 |
65×104 Kcal/m3 |
860 Kcal/KWh |
4500 Kcal/㎏ |
|
能源價格 |
6.0元/㎏ |
2.6元/ m3 |
140元/ m3 |
0.75元/ KWh |
0.6元/㎏ |
|
每萬大卡熱值單價 |
5.88元 |
3.02元 |
2.15元 |
8.72元 |
1.33元 |
注：表1－1中，隨各地的能源價格不同，每萬大卡熱值單價也會不同。因標準煤通過燃煤鍋爐使用時污染大，在許多城市以限制使用，且煤鍋爐熱效率低只有60％左右，考慮熱效率后每萬大卡熱值單價也需達到2.22元，且各地的原煤熱值也有很大差異，所以在以下的比較中僅按商品蒸汽為標準。
從表1－1中可以看出不同的能源種類，每萬大卡熱值單價也是不同的，而往往一個特定區域所擁有的能源種類是固定的。如在我國西部地區煤、天然氣等能源價格便宜，而在東部地區又缺少這些優勢，所以在中央空調驅動能源選擇時應選擇當地的最優勢能源。中央空調分制冷和制熱兩部分，有些機型可冷暖兩用，空調驅動能源種類見表1－2
表1－2 不同類型水冷螺桿式冷水機組的能效比及輸出能量單價
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主機類型 |
吸收式 |
活塞式 |
螺桿式 |
離心式 |
渦旋式 |
模塊式 |
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能源種類 |
0＃柴油 |
天然氣 |
蒸汽 |
電 |
電 |
電 |
電 |
電 |
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功能 |
冷暖雙效 |
單冷 |
單冷 |
單冷 |
雙效 |
雙效 |
|
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 |
約3.82 |
|
COP(制熱) |
0.95 |
0.98 |
0.95 |
――― |
――― |
――― |
2.5－4.0 |
約3.2 |
|
輸出單位冷量單價(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 |
約2.28 |
|
輸出單位熱量單價(元/104Kcal) |
6.19 |
3.08 |
2.26 |
――― |
――― |
――― |
2.18－3.49 |
約2.73 |
注：表1－2中，輸出單位冷量（熱量）的單價隨表1－1中能源價格的變動而變動。
從表1－2中可知，不同類型的中央空調驅動能源種類不同，COP（能效比）也不一樣，電制冷壓縮式空調COP明顯高于吸收式。雖表1－1中電的單位熱值單價最高，但用于空調制冷時，輸出單位冷量的單價又是另外一種情況，了解這一參數對水冷螺桿式冷水機組的選擇更具有指導意義。
一、 水冷螺桿式冷水機組的選擇：
1、制冷設備選擇：
表1－2中能源價格參照的是我國東南部地區的一般單價，按表中的數據，選擇空調制冷主機時應首選電驅動類空調；但在我國的西、北部地區，由于煤、天然氣等自然資源充足，價格也有較大優勢，或有些城市實行天然氣峰谷價，在夏季氣價較低，或有些建筑靠近市政熱力管網有較低價格的商品蒸汽，以上這些情況可以考慮選用吸收式空調主機，但我個人認為最好在天然氣或市政蒸汽價格有較大優勢時才選用吸收式空調，因為往往以上能源價格的上漲速度會高于電價上漲速度，且吸收式空調有效率逐年下降的缺點。
2、采暖設備的選擇：
按表1－2所示，部分空調只有單冷功能，冬季采暖必須通過其他設備，因電的單位熱值單價最高，且需有大功率的供電設備與之配套，所以一般不采用電直接采暖的方式。冬季采暖常通過熱水鍋爐、容積式交換器、板式交換器、蒸汽散熱片等設備，采用燃油、天然氣、蒸汽等間接采暖。設備選型應根據當地最優勢單位熱值的能源種類取定，已采用空調水系統的，為減少投資一般不再采用蒸汽散熱片采暖方式。
三、電驅動水冷螺桿式冷水機組的選型：
1、全年綜合部分負荷值的計算：
在選擇電驅動中央空調主機時，不同機型的選擇也會對運行能耗產生影響，按表1－2所示，不同的電制冷空調COP不一樣，且同一設備隨著實際使用負荷的變化COP也會產生變化。在同樣的工作條件下，大部分冷水機組在部分負荷下工作時COP會有不同程度的下降，也就是說：某一冷水機組在實際使用負荷達到該機組的額定負荷或達到該機組單機頭額定負荷的整數倍時能效比最高，而在實際使用中冷水機組在很多時候是在部分負荷的情況下運行的，所以冷水機組的全年綜合部分負荷值COP對于空調主機的選型比表1－2中給定的COP值更具有參考意義。
為了計算空調系統全年運行能耗和對不同冷水機組部分負荷性能進行比較，美國制冷空調協會根據美國29個城市25年的平均氣象條件，在ARI550/590-1998標準中給出了部分負荷計算系數，即該空調負荷在全年空調系統運行時間內出現的百分數，見表1－3表1－3 部分負荷計算系數
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負荷率/％ |
計算系數 |
負荷率/％ |
計算系數 |
|
100 |
0.01 |
50 |
0.45 |
|
75 |
0.42 |
25 |
0.12 |
從表1－3可以看出，空調負荷非滿負荷運行時間占運行中時間的99％，可見全年綜合部分負荷值的計算相當重要，全年綜合部分負荷值（IPLV）按下式計算：
IPLV=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D (KW/KW)
式中 A――在100％負荷下的COP
B――在75％負荷下的COP
C――在50％負荷下的COP
D――在25％負荷下的COP
由于中國和美國的氣象條件不同，空調的使用條件不同，所以按表1－3中的計算系數也有變化，但由于美國是世界空調行業的領跑者，許多國家的空調制造參數都是參考美國行業協會的標準，所以表1－3對我們計算全年綜合部分負荷值仍有較重要的參考價值，其中特定空調部分負荷下的COP可以按廠家提供的技術參數取定。
2、幾種常規壓縮式冷水機組的優缺點及選擇：
⑴、活塞式冷水機組：
活塞式冷水機組通過活塞在氣缸內的往復運動壓縮制冷劑，從而達到制冷的目的，按壓縮機數量分為單機頭和多機頭冷水機組，市場上用于空調系統的一般是多機頭冷水機組，配置多機頭冷水機組具有明顯的節能效果，這種機組在部分負荷時仍有較高的效率，而且多機頭順序啟動，每臺壓縮機功率小，對電網沖擊小，該機型的最大特點是：多個機頭同時對應多個制冷回路，這幾個回路可以同時運行，也可以單獨運行，起到互為備用的作用，提高了機組運行的可靠性，用于民用建筑的單機制冷量范圍約為30－500KW；
優點：a、機組裝置簡單；
b、使用普通金屬材料、容易加工、造價低、維修成本低；
c、多機頭互為備用，整機運行可靠；
d、多機頭每臺壓縮機制冷量小，隨空調負荷的變化，經常能維持壓縮機處于滿負荷工作狀態；
缺點：a、與其他冷水機組相比能效比低；
b、工作部件多、易損件多、維修頻率高；
c、調節性能差；
d、往復運動慣性力大，震動及噪音較大；
該機型在小冷量領域具有一定的優勢，在總冷負荷不大于500KW且只配置一臺冷水機組時，可優先選用該機型。
⑵、水冷螺桿式冷水機組：
螺桿式壓縮機是一種容積型回轉式壓縮機，它依靠氣缸內一對螺旋齒轉子相互嚙合旋轉，造成由齒形空間形成的基元容積的變化，實現對制冷劑氣體的壓縮，從而達到制冷目的。該機型按壓縮機數量分為單機頭和多機頭，根據轉子類型又分為單螺桿和雙螺桿，該機組通過安裝在兩個轉子的高壓側之間的滑閥來調節能量，可使能量在100％～10％之間連續無級調節，螺桿式冷水機組的的單機容量一般為120～1000KW.
優點：a、與活塞式相比運動部件少、無往復運動的慣性力、運行平穩可靠，可在較高的壓縮比工況下運行；
b、機組易耗件少，零部件僅為活塞式的1/10，易于維修；
c、制冷量調節范圍大，制冷量可通過滑閥在10％－100％的范圍內無級調節；
d、能效比高、部分負荷特性好；
由于水冷螺桿式冷水機組具有上述特征，在集中式空調制冷系統中正在逐步替代活塞式冷水機組。
缺點：a、加工精度和裝配精度的要求高，造價較高；
b、能效比比離心機組低；
該機型目前在公共建筑中選用的幾率較高，制冷總負荷在500－2000KW時可優先選用該機型。一般同時配置多臺機組時，其中至少配置一臺螺桿機可以滿足低負荷段的經濟運行。
⑶、離心式冷水機組：
離心式制冷機屬大冷量制冷機組，單機制冷量在1160K以上，他具有占地面積小、初期投資省、能耗低、易損件少、可靠性高、維修率低等特點，離心式壓縮機分單級壓縮和多級壓縮兩種類型，其結構和工作原理和鼓風機很相似，離心式壓縮機能量調節一般采用進口導葉調節，近幾年已開發出變頻控制系統以調節葉輪轉速，采用變頻調節的機組全年平均可節能30％左右，但專用變頻設備造價較高。
優點：a、單位制冷量重量最輕，占地面積最小；
b、在各類冷水機組中COP最高；
c、運轉平穩，震動小，噪音較低；
d、能量調節方便，在較大冷量范圍內能實現經濟的無級調節；
e、無氣閥、活塞等易損件，工作可靠，維修工作量��；
缺點：a、機組轉速高，對材料強度、加工精度和制造質量要求嚴格；
b、低負荷時能效比低、易發生喘振；
喘振是離心式壓縮機特有的一種故障現象，在低負荷時當排氣量低于某一特定值時，葉輪內氣流能量較低，此時高壓側氣流會突然向葉輪內倒灌，倒流回的氣流使葉輪內的壓力升高，向外排出氣體，然后葉輪內壓力又下降，又發生倒灌，這種周期性的氣體脈沖稱為喘振，喘振發生時機組和管道會產生劇烈的振動，如不及時采取措施會導致壓縮機損壞。采用普通進口導葉調節時，其喘振點在20％～30％負荷間，但目前較先進的進口導葉調節輔以壓縮機擴壓器寬度調節，其喘振點可控制在額定負荷的10％，離心式壓縮機的喘振范圍對制冷機的選擇和運行至關重要。
一般在總冷負荷大于2000KW時可考慮選用離心式冷水機組，但建議和其他機型混合配置，因為在飯店類建筑中，制冷機在許多時候是在低負荷運行的，如全部配置離心式冷水機組，運行中極易接近機組的喘振點。
⑷、模塊式冷水機組：
模 塊式制冷機組就制冷方式而言不能單獨列為一種制冷機，因為模塊式冷水機組的壓縮機有活塞式、渦旋式、螺桿式等，但由于該機型結構和安裝方式與其他冷水機組有區別，所以現在往往把它看成一類獨特的冷水機組。模塊式冷水機組是一組并列的模塊單元系統，每個單元都結構相同、性能一致，是一個獨立的制冷單元，電腦系統使它一體化，并監控所有的模塊單元，使其按一定的規律和程序運行，模塊式冷水機組有水冷式和風冷式兩種，目前市場上使用的較多的是風冷式，模塊式冷水機組的特點：
a、 組裝靈活方便，給系統設計帶來便利；
b、 單機體積小、重量輕，運輸安裝方便；
c、 運轉效率基本不會因負荷下降而下降，在運行中始終處于高效狀態；
d、 具有可靠的互為備用能力，維修方便；
e、 維護成本低、自動化程度高，零部件通用；
模塊式冷水機組一般適用于以下情況：
a、 建筑面積緊張、無合適中央空調機房；
b、 總冷負荷小于500KW，且運轉中實際冷負荷多變；
c、 庭院式建筑，管道輸送距離較長，或建筑群中各建筑空調使用時段不一致；
d、 風冷模塊式可用于小規模建筑、不再選用鍋爐且無市政熱力管網的場所；
e、 風冷模塊式可用于缺水、水價較高的地區；
四、水冷螺桿式冷水機組空調設計負荷的一般指標，實際使用負荷與設計值的差異：
空調負荷的計算較為煩瑣，需計算潛熱和顯熱，且需計算構成空調負荷的各類因素如人體散熱、照明設備散熱、維護結構傳遞得熱、日照透射得熱等負荷，所以設計上常按估算指標進
行估算，旅館、飯店類建筑部分區域空調冷負荷估算指標見表1－4表1－4
|
區域 |
客房 |
酒吧 |
中餐廳 |
宴會廳 |
大會議室 |
健身房 |
|
冷負荷(W/㎡) |
150 |
256 |
360 |
410 |
358 |
272 |
一般飯店類建筑的裝機容量在依據上述指標估算后，考慮空調實際同時使用系數，最后裝機容量一般在100 W/㎡－120 W/㎡之間，但當前在空調系統設計中普遍存在冷負荷估算過大，致使裝機容量偏大，造成投資浪費和運行費用增加。有關人員曾對24家飯店空調制冷機的裝機容量和實際開機容量進行調查分析，調查結果見表1－5
表1－5 飯店裝機和開機容量的冷負荷統計分析
|
冷負荷指標 |
裝機容量的冷負荷指標（W/㎡） |
|
＜58 |
58.1-69.8 |
69.9-81.4 |
81.5-93 |
94-104.7 |
104.8-116.3 |
＞116.3 |
|
飯店個數/個 |
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 |
|
分計百分比/％ |
12.4 |
37 |
50 |
|
冷負荷指標 |
實際開機容量的冷負荷指標（W/㎡） |
|
＜58 |
58.1-69.8 |
69.9-81.4 |
81.5-93 |
94-104.7 |
104.8-116.3 |
＞116.3 |
|
飯店個數/個 |
2 |
8 |
9 |
3 |
2 |
0 |
0 |
|
所占百分比/％ |
8.4 |
33.3 |
37.5 |
12.5 |
8.3 |
0 |
0 |
|
分計百分比/％ |
8.4 |
70.8 |
20.8 |
0
|
負荷率 |
5 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
|
時間頻數 |
12.2 |
6.5 |
23.6 |
16.5 |
14.9 |
10.1 |
7.3 |
4.7 |
2.9 |
1.0 |
0.3 |
|
|
累計時間頻數 |
12.2 |
18.7 |
42.3 |
58.8 |
73.7 |
83.8 |
91.1 |
95.8 |
98.7 |
99.7 |
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
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從表1－5可以看出，目前飯店類建筑冷水機組裝機容量普遍過大，79.2％的飯店實際開機容量的負荷指標為58－81.4 W/㎡（包括＜58 W/㎡），實際開機容量的冷負荷指標均在105 W/㎡以下，這一現象應引起業主、空調設計人員及運行管理人員的重視。
五、空調負荷的分布特性及機組的經濟運行：
設計的空調冷負荷是指夏季室外空氣處于設計計算參數、室內負荷處于最不理條件下的負荷，空調建筑的實際冷負荷是隨室外氣象條件和室內工作條件的變化而變化的。因此空調系統的實際冷負荷不是一個恒定值，不但每天在變化，而且每天24小時內也在不斷變化。表1－6和表1－7是有關人員統計的北京和長沙兩地飯店類建筑夏季運行平均空調負荷時間頻數，
表1－6 北京地區夏季空調負荷時間頻數 ％ （全年總運行時間2850h）
表1－7長沙地區夏季空調負荷時間頻數 ％ （全年總運行時間3372h）
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負荷率 |
5 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
時間頻數 |
0.1 |
0.1 |
4.9 |
19.5 |
31.6 |
20.8 |
11.9 |
7.6 |
2.3 |
0.9 |
0.3 |
|
累計時間頻數 |
0.1 |
0.2 |
5.1 |
24.6 |
56.2 |
77 |
88.9 |
96.5 |
98.8 |
99.7 |
100 |
從上表可以看出：
1、 全年有98％以上時間是在設計負荷的80％以下運行；
2、 全年有80％以上時間是在設計負荷的50％－55％以下運行；
這一數據和表1－3中的數據也相接近，了解空調負荷的分布特性對空調設備的選型和節能運行具有重要意義，我們已經知道，某一冷水機組在實際使用負荷達到該機組的額定負荷或達到該機組單機頭額定負荷的整數倍時能效比最高，運行也最經濟。所以按常規配置在總冷負荷確定后，平均分配各冷水機組的制冷量也是不盡合理的，如表1－6、表1－7所示，北京地區夏季空調使用中20％、30％、40％負荷的時間頻數最高，長沙地區則在30％、40％、50％負荷段時間頻數最高，在配置機組時最好一只多機頭冷水機組的整機額定負荷或單機頭額定負荷能與以上負荷段相匹配；在配置冷水機組時應更重視占總運行時間80％的50－55％冷負荷的配置，在該負荷段螺桿機具有一定的優勢。
六、水冷螺桿式冷水機組與分體式空調的比較：
分體式空調（商用機、多聯機）因控制方便、獨立運行、效率不受系統影響等特點，在飯店類建筑特別是經濟型飯店中占有一席之地，但與冷水機組相比COP較低且使用壽命短、維修費用高。
水冷螺桿式冷水機組與分體式空調相比最大的缺點是：1、初始運行成本大，因飯店類建筑的空調供應并不是持續不斷的，特別是接近空調交換季節，業主為滿足最大程度的經濟運行，會盡量合理控制中央空調的啟停。因中央空調系統中冷媒介質一般是水，空調末端要有制冷效果，首先是冷水機組對冷媒降溫，水冷系統運行時冷媒標準是出水7℃回水12℃，初始運行時一般出水需達到12℃左右末端才能達到明顯的制冷效果，如果某水系統水量50T、初始水溫20℃，初始運行成本為（20—12）×1000×50＝40×104Kcal（可按表1－2查的相應費用，其中還不包括冷媒輸送成本和冷卻運行成本），當然由于末端電磁二通閥的作用，并不是每次初始運行成本都這么高，有效減少干管冷媒體積、合理的水系統分區、對末端電磁二通閥進行經常的檢查和維護，對中央空調的經濟運行起著重要的作用；而分體式空調由于冷媒管路短，初始運行成本基本可以忽略不計；2、存在管路損耗、存在冷媒輸送成本及冷卻設備能耗成本，在中央空調水系統中，冷媒泵和冷卻泵也是構成空調系統能耗的重要組成部分，稍大一點的空調系統，以上泵組動輒幾十千瓦，而分體式空調不存在以上能耗；例如一個200個房間的飯店，如在營業淡季時只有不到20個房間入住，使用中央空調肯定是不經濟的；
近年來隨著商用分體式空調性能的改善，分體式空調與中央空調結合使用也取得了較好的效果，特別是對于經營節奏不穩定、不同時期入住率有很大差異的飯店效果特別明顯，經專業人員計算，在飯店類建筑中10％－20％的房間安裝分體式空調，對中央空調的經濟運行會有一定的好處，分體式空調與中央空調結合使用對飯店的另一個作用是：解決兩管制空調系統中某些特定重要區域在空調交換季節對空調使用的特殊要求。但分體式空調由于自身結構原因存在先天不足，尤其體現在氣溫超過37℃和低于－3℃時效率明顯下降，所以在空調使用標準高的飯店需考慮補充熱源，或是兩種系統同時安裝。
七、幾種節能型空調的應用：
1、冷凝熱回收冷水機組：
在壓縮式空調運轉時，壓縮機高壓側的排氣溫度可以高達70－80℃，這些熱量最終會在冷凝器中被冷卻水帶走散發于大氣中。近年來冷凝熱回收中央空調的開發，就是合理地利用這一部分余熱對生活熱水加熱，綜合降低運行成本，一臺720KW的熱回收機組在氣溫30℃時，每小時可以提供50℃熱水5-6T，而能耗只比同型號非熱回收機組高不到10％，相當于每制1T熱水熱能成本2元，節能效益非�？捎^；
2、 水源熱泵機組：
水源熱泵是利用地球表面淺層水源，如地下水或河流、湖泊水水溫穩定的特點，在夏季將建筑物熱量轉移到水中，而在冬季則從水中提取熱量，水源熱泵空調的COP高于普通水冷冷水機組，與傳統的風冷熱泵比能效比要高出40％左右，設計良好的水源熱泵系統平均可為用戶節約30－40％的運行費用。
但該機型的選用也有局限性：
⑴、 造價高：目前利用水源的方式通常有深井法和排管法，但這兩種方式均要耗費較大的投資；
⑵、 要有地利優勢：水源熱泵的使用，天然水源很重要，必須有充沛的地下水源、臨近河流或湖泊、且必須取得水資源的利用權；
3、 風冷熱泵機組在北方缺水地區的應用：
風冷型冷水機組投資比水冷式高，運行能效比卻沒有水冷式高，按理說與水冷式空調相比沒有競爭優勢，但在水冷式空調中冷卻塔的水量消耗也是一筆不小的數字。
我們以120萬大卡冷負荷，選用風冷式和水冷式機組作比較，按美國ARI標準計算全年平均小時能耗：風冷為180.25KW，水冷為156KW，按全年運行2800h計算，風冷式耗電50.47萬度，水冷式耗電43.68萬度，冷卻塔水耗15000T，從以上數據可以看出，風冷式能耗明顯高于水冷式，但在北方有些嚴重缺水地區，水價高于8元/T，風冷式機組就是可以考慮的節能因素之一。
4、 蒸發冷卻空調在西北等氣候干燥地區的使用：
在相對濕度較低的干燥空氣環境下，水分很容易蒸發，水蒸發吸收空氣的熱量，使空氣降溫，這一過程稱為空氣的絕熱降溫過程，利用上述原理開發的空調設備稱為蒸發冷卻空調。蒸發冷卻空調分為直接蒸發冷卻和間接蒸發冷卻兩種類型，該空調在干燥地區具有較大的優勢：
⑴、 節能：蒸發冷卻空調不設制冷壓縮機，只有風機和水泵能耗，與一般的機械制冷相比可節電80％以上；
⑵、 環保：以水為制冷劑，不會造成大氣污染，且水膜蒸發有過濾室內空氣的功能；
⑶、 經濟：投資為壓縮式制冷的1/2，運行能耗為壓縮式制冷的1/5；
總之，水冷螺桿式冷水機組冷熱源的形式很多，應根據建筑物的面積、用途、冷熱負荷大小、所在地區的條件、當地能源結構、價格及環保規定等情況，通過綜合論證確定。合理的水冷螺桿式冷水機組冷熱源配置，對水冷螺桿式冷水機組的節能運行會起到事半功倍的效果。
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