中央空调冷却水系统的节能分析孙世达1朱培凌2

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杭州源牌科技股份有限公司311305

摘要：中央空调系统是公共建筑必不可少的重要组成部分，对抵消室内环境冷负荷和热负荷有着极为重要的作用。但据有关资料显示，中央空调设备多数时间实际运行负荷都未达到满负荷状态，能源浪费极为严重。本文从寻找末端空调机组最优运行状态的目标出发，就如何优化中央空调冷却水控制进行了研究，提出了有效的节能方法。

关键词：中央空调；水系统；节能；冷却水

1．中央空调系统概述

中央空调系统不仅要满足人们对工作、生产的环境要求，同时也要满足对环境保护和节能的要求。随着国家节能政策的实施，中央空调的能耗问题成为许多学者的研究方向。中央空调水系统主要包括冷冻水系统、冷却水系统。水系统研究中一般对冷冻水系统更为关注，但冷却水系统做为释冷端，其节能稳定的运行是整个水系统的保证，因此对冷却水系统的节能优化显得尤为重要。

2.中央空调水系统工作原理

以半集中式风机盘管系统为例，整个室内冷热负荷均由系统内的冷热机组来承担，室内风机盘管由管道同系统冷热水机组连接，由冷热水机组提供的冷热水来制冷和供热。由于水系统中央空调布置灵活、调节性能好、舒适度很高且极为环保，因此在我国被广泛采用。在水系统中央空调中，包括压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器四大部件。压缩机出来的高温高压的制冷剂经过冷凝器被降温降压，冷凝器由水系统将热量带入冷却塔内排出，制冷剂继续流过节流装置成为低温低压液体流经蒸发器，将冷冻水温度降低，蒸发器两端的冷冻水循环系统使降温的冷冻水流到用户端，由风机盘管与室内进行热交换，吹出冷风完成制冷工作，整个过程如此重复往返，即使室内温度保持在一定范围内。

3.中央空调冷却水系统的节能措施

3.1冷却水泵节能分析

对于冷却水系统而言部分负荷运转的情况是由外部环境参数的改变引起的。外部环境参数主要包含4个：冷水进口温度、冷水出口温度、制冷量和室外湿球温度。通过改变水泵的运行工况适应负荷的变化。通常冷却水泵运行工况的改变方法有3种。

3.1.1改变阀门开启度

调节水泵出口处阀门的开启度，是改变水泵工况点最简便易行的方法。阀门在正常运行情况下，一般都全部开启，当关小阀门时，局部阻力加大，性能曲线变抖，流量变小，扬程增大。这种方法虽然简便，但是阀门的调节范围有限，当扬程过大时，会导致水泵过载，降低其使用寿命。由于增大了局部阻力导致水泵的输出功率增大，造成电能的浪费。关小阀门也会加大管路的噪音。

3.1.2改变水泵叶轮直径

由相似定律可知，叶轮直径改变，会引起水泵的流量，扬程，轴功率发生相应的变化，因此可以通过改变直径达到改变运行工况的目的。但是车削技术的精度要严格控制，否则可能会影响水泵的性能。由于水泵直径的改变量有限，不能满足各个负荷率的使用情况，因此适应性比较差。

3.1.4改变水泵转速

改变水泵转速会得到不同的性能曲线，从而会产生不同的工况点，此方法不会产生额外的摩擦损失，调节方便，是现在广泛应用的一种形式。转速和流量，扬程，功率之间的关系如下：

Q，1Q=n，1n（1）

H，1H=n，1n2（2）

N，1N=n，1n3（3）

式中：Q、N、H分别表示水泵转速为n时的流量、扬程、轴功率。Q，、N，、H，分别表示水泵转速为n，时的流量、扬程、轴功率。

采用变频泵具有运行节能的优势，但增加变频器会增大初投资，需考虑成本回收时间。

3.2冷水机组节能分析

冷水机组能耗占据整个中央空调系统总能耗的60%左右，是优化水系统控制的最重要部分。空调系统所承担的冷负荷并不是固定不变的，而是随着室外气象参数和室内状态的变化而动态变化的。

在中央空调系统工作中，冷水机组通常并不是满负荷运行，大部分时间是处于部分负荷状态，要优化冷水机组能耗就必须从部分负荷下冷水机组性能的调节匹配入手，从而优化中央空调水系统控制能力，实现冷水机组在部分负荷状态下的能耗控制能力，使冷水机组部分负荷能与整个空调系统部分负荷相适应，与冷热负荷相适应。

要实现冷水机组在部分负荷下的控制能力，就需要调节其相关运行参数，包括如冷冻水温度、冷冻水流量、冷却水流量等，让空调系统的运行效率达到最佳，最大限度降低能源浪费。目前所采用的中央空调系统，对冷水机组工作性能有影响的参数有冷冻水温、冷却水温、冷冻水量、冷却水量、冷负荷，优化冷水机组就必须考虑这几个参数对冷水机组制冷量和耗电量的影响。

3.3冷却塔的节能分析

冷却塔是冷水机组中冷却水同空气热、质交换的重要场所，承担着将冷水机组的废热排放出去降低冷却水温度的重要任务，其水与空气的传热和传质过程极为复杂。但由于冷却塔中水和空气的热交换主要是以水的蒸发为主，实际上对冷却塔冷却性能进行调节的是空气湿球温度，进入冷却塔的水量、水温以及空气量等，都会对冷却塔冷却效果产生影响。

3.3.1控制冷却塔出口温度。降低冷却水出口温度可以提高制冷机组性能，然而由于冷凝压力的限制使得冷凝温度有最低温度限制。对于冷却水系统而言，降低冷却水温度必然会导致冷却塔风机和水泵的功率增大，引起电能不必要的浪费。通过对比最冷工况，设计工况和空气湿球温度加上2.8℃三种出口温度，得出最佳温度控制方式较其他方式节约费用约5%左右，可以看出控制出口温度在节约能源方面的重要性。

3.3.2控制冷却塔水量和风量。由相似性准则知功率和流量之间有三次方的关系，因此降低流量和风量会降低功率，从而节约电能。通过研究得出水泵功耗比重越大，节能效果越明显。

3.3.3控制温度差

在冷却水循环系统中，进水温度和出水温度之间存在着一个温度差，温差大说明冷却塔内需要交换的热量多，反之温差小，就说明冷却塔内需要交换的热量就少。如果使用传感器，采集冷却水进出水时的温度，使用温差控制器将温差变成模拟的量反馈给中央处理器，再由中央处理器来控制变频器的频率。温差相差不大的时候就可以将冷却水的流量适当的减小，减缓转速，减小能耗；反之，温差较大时，提高变频器的输出频率，加快转速及水流量。这样系统就可以根据不同时期的不同需要，适当地进行调节，提供合适的水流量，避免能耗的浪费。

4.加强中央空调冷却水系统节能的几个方面

4.1优化水系统的设计

在有些设计中对压差相差悬殊的回路未采取有效措施，造成大流量、小温差现象。在设计中一般选取供、回水温差为5℃，但经实测夏季冷冻水系统供回水温差较好地为4℃，较差的只有2～2.5℃。造成实际水流量比设计水流量大1.5倍以上，使水系统的能耗大大增加。设计人员应充分重视水系统的设计，认真进行水系统各环路的设计计算，并采取相应的措施保证各环路的水力平衡。认真核对和计算空调水系统相关系数，切实落实节能设计标准的要求。

4.2提高循环水技术。循环水技术可以通过多种方式进行改进如控制进水口温度，选用合理的冷却塔形式，选用合适的风机等等。其中不同的冷却塔形式产生的能耗有很大区别。通过对比逆流式冷却塔和横式冷却塔得出，横流式冷却塔的供水水压比逆流式冷却塔的供水水压高4m，因此逆流式冷却塔每1m3/h可以节约水泵功率1400kW，全年可节省近119kW・h，循环水量越大，节能效果越显著。

4.3加强系统运行管理

加强对空调操作人员的培训，提高管理人员素质，实行空调操作人员操作证制度。各项调节和节能措施的事实，都与操作人员的技术素质直接相关。集中空调实行计量收费，是建筑节能的一项基本措施。

5.结语

综上所述，冷却水系统是中央空调系统的一个重要的组成部分，空调系统各部分进行节能研究的同时，也要注重各部分之间的耦合关系，才能达到整体的节能，达到理想的节能效果。

参考文献：

[1]崔景立.空调循环冷却水设计若干问题探讨[J].给水排水.2016.04.（23）

[2]胡连江，王敬.浅谈冷却塔节能技术[J].工业用水与废水，2013，37（11）：1～5.