中央空调冷却水系统高效节能相关研究

中央空调冷却水系统高效节能相关研究

徐晶

广东中睿智能科技有限公司 广东东莞 523000

摘要：随着各行各业重视节能技术，在中央空调行业，除了制冷主机节能技术之外，配套水系统的节能设计也逐渐备受关注。为了改善中央空调系统能耗问题，进一步提升能源利用率，降低空调系统的能耗量，目前的关键任务就是要对中央空调水系统设计进行全面优化，使其不断朝着高效节能的运行发展方向迈进。

关键词：中央空调；冷却水系统；现状分析；节能设计

近年来，节能减排已成为各行业实现可持续发展的重要手段，在这种背景下，怎样有效减少中央空调能耗量是当前人们高度关注的课题之一，尤其对于大型中央空调系统而言，由于其在运行过程中产生的能耗量十分显著，所以不仅给相关企业的可持续发展造成很大阻碍，而且也会大幅增加企业用电成本，基于此，要想改善现状，就要寻找一条便捷有效的途径对中央空调系统进行全面优化设计。

中央空调系统主要是由制冷主机、冷冻水系统、冷却水系统三大部分组成，对于该系统的优化设计，主要也是针对这三部分。但是，对于制冷主机，行业很多设备厂家有非常高效的产品，只需要合适选配就可以。而对于冷冻水系统，一个闭式循环系统，连接末端管网，都是根据用户需求独自定制，设计者根据管路优化设计，由于比较复杂，此文就不过多展开。通过对市场上冷却水系统了解，存在一些问题，很多因为无法匹配合适的冷却系统，导致制冷主机无法更好地散热，导致制冷主机高能耗运行，甚至引起制冷主机经常性故障报警，怎么保证冷却水系统高效节能运行才是关键。

因此，必须严控中央空调冷却水系统的设计以及实际落地效果进行分析，来制定相应的优化设计方案，这样才能实现对中央空调系统的全面优化控制，使其达到高效节能的运行效果。

1、中央空调冷却水系统的分析

中央空调冷却水系统除了机组部分，其他用电设备主要是冷却水泵和冷却塔。一般客户只关注制冷主机，而不重视水泵与冷却塔。对于水系统而言，水泵的耗电量将达到整体的10%左右，甚至有些设计不合理，水泵的耗电量将达到整个水系统耗电量的30%以上，这无疑将造成大量的电能浪费。这也是增加企业的用电成本。

另外，就是最容易被大家忽视的冷却塔设备，对于整个空调系统而言，冷却塔设备耗电低，设备造价占比少，大部分用户不去评估冷却塔真实的效率与使用情况。但是，根据热平衡定律：Q放=Q吸，在空调系统内热平衡公式为：主机制冷量+主机耗电量=冷却塔散热量。由此可见，冷却水系统设计中选择高效节能的水泵以及冷却塔是十分有必要的。

对于暖通空调，常用的泵与风机，两大性能曲线H-Q、曲线μ-Q如图1、图2所示，在选择泵与风机时，一定要考虑让他们经常运行在最高效率点及其附近的区域，尤其在采用变频节能技术中更为突出。

设 计师在选择水泵风机时，一定要严格核算实际运行需求最大负荷，以及多少部分负荷占比最大。对于大型暖通空调方案，通过参考一些市场调查资料，认为这些大型建筑空调负荷常年负荷在75%左右的比例最大。通过参考某些品牌变频离心机组的性能曲线，如图3所示，变频离心机组在不同温度下的COP最高的工作负荷大概分布在50%-70%之间。

通过一些数据分析，随着空调负荷的变化，变流量系统的变频水泵多数时间是工作在65%-85%的负荷状态。水泵只有在工作时间最多的时间段运行效率最高才是最节能的。而不是仅仅保证设计工况的效率最高。因此，设计者需要使系统达到节能运行的目的，对于变频选型时，应根据其长期运行的区间，对其最高效率点的情况进行复核，使其达到双优状态。

2、冷却水系统现状分析

暖通空调市场存在一种“病态”。通过市场调查以及行业暖通设计师的沟通，发现大部分设计师选择水泵的时候，会把水泵、冷却塔流量、扬程放大处理，水泵最低乘以1.1系数，冷却塔有时候高达1.5的系数。这些系数会改变什么呢？其实，从上面几张图分析可以看出，不管是泵，还是风机，甚至制冷主机，一般都是部分负荷之下运行能效最高，如果系统正好匹配，系统就是一个良性循环。但是，如果将其水泵、风机的配置提高，会导致泵与风机处于低效率的运行状态，反而导致系统资源浪费。水泵的运行效率与整个循环系统的运行效率会出现不平衡现象。

另外，在这里，建议大家采用CTI认证的冷却塔，对于这个CTI认证，实际就是检测冷却塔实际出力与标定出力100%符合的认证。此文前面已经提到过，冷却塔容易被用户忽视，但是它在冷却水系统起到最关键的、最主要的作用，制冷主机散热不良，导致整个中央空调系统能耗增加、效果不好。

对于大多数设计师来说，他们为什么把冷却塔的系数放大，就是因为担心散热不好，导致系统达不到散热要求，从而影响系统效率。但是，大家有没有调查分析发现，有很多中央空调项目在冷却塔放大系数的前提下，还是经常被系统诊断为冷却塔散热不好。其实，有两方面原因存在：a、冷却塔实际能力达到要求，但是周围使用环境达不到要求；b、冷却塔实际能力达不到名牌标识的能力。其实，在暖通方案设计过程中，设计师越放大冷却塔的安全系数，越助长了有些冷却塔厂家的产品实际能力达不到名牌要求的能力。因此，对于冷却塔建议采用CTI认证的冷却塔，有助于冷却水系统高效节能，不会导致能源浪费，甚至不会导致用户资源浪费。

3、冷却水系统功耗模型及优化目标函数建立

为了确保冷却水系统的优化效果，使其能够达到高效节能的运行目标，前提条件就是要对系统各关键设备的实际功耗量进行全面分析，建立相应的功耗模型，以便可以获得精确的系统优化目标函数，保证系统优化设计的合理性和科学性，具体可以从以下几个方面入手：

3.1 冷水机组功耗模型的建立

在这一环节中，为了便于工作人员的分析，应按照公式（1） 来对冷水机组功耗模型进行设计，这其中，P_in表示冷水机组运行功率，单位为kW； 代表冷水系统负荷，单位为kW；G_C表示冷却水流量，单位为m3/h； 表示冷水机组中冷却水的进水温度，单位为℃；a、b、c则表示拟合系数。

3.2 冷却水泵功耗模型的建立

在冷却水泵实际运行过程中，其功耗模型可通过公式（2） 来进行设计，这其中， 分别表示冷却水泵的实际流量与额定流量，单位为m³/h； 分别代表不同冷却水泵的运行拟合系数。

3.3 冷却塔功耗模型的建立

在这一环节中，冷却塔功耗模型建立应结合流体力学原理，在相似工况下，分别按照公式（3） ，公式（4） 进行设计，这其中，V1、n1、f1、V0、n0、f0表示冷却塔风机风量和转速的额定值与运行值；P_m表示冷却塔风机的最大运行功率，单位为Kw；C0、C1、C2表示拟合系数。

3.4 系统优化目标函数的确定

通过大量历史运行数据的筛选分析，结合上述三种功耗模型显示的相关运行参数，可以确定中央空调冷却水系统的优化目标函数应按照下列公式进行有效确定：

公式（5）MinF

公式（6）

公式（7）（R²=0.39）

公式（8）

公式（9）

公式（10）

公式（11）

公式（12）

在上述式中，C表示水的比热，单位为kJ/ (kg*℃)，按照相应的设计标准，可取4.1868为基准；T_wb、T^wt分别表示室外湿球温度和冷水机组冷却出水温度，单位为℃；公式（5）表示冷却水系统的最低运行功率，也可作为优化目标函数来使用。对公式（6）和公式（7）进行有效约束，可以切实保障冷却塔散热量与系统负荷量相持平，并保证冷却水流量、室外湿球温度以及冷水机组冷却出水温度和冷却塔风机运行频率等可作为自变量因子，这样通过SPSS软件将这些自变量因子与历史数据进行对比分析，就可获得冷水机组冷却水进水温度，并在此基础上建立回归模型，即Ri=0. 39，此外，为了保证整个冷却水系统的稳定运行，还要对公式（8）至公式(12)的相关数据结果进行有效约束，在这一环节中，冷却水系统很容易在优化过程中会遇到多维非线性约束问题，因此，为了避免这种情况的发生，就要利用简单的数学表达式表示出来，并通过数学表达式对其求导过程进行相应的简化，具体可以通过BFGS变尺度法来实现，因为该数学表达式具有

较好的数值稳定性和超线性收敛等优势，可以很好的改进序列二次规划，对其进行寻优计算，进而确保系统达到更好的优化效果。

4、冷却水系统高效节能设计要点分析

4.1 已有冷却水系统的节能优化设计

现今，大部分生产企业在对已有冷却水系统进行节能优化设计时，都是在空调运行工况和湿球温度相对稳定的状态下来进行。在实际优化设计过程中，主要是利用冷却水泵的变频控制功能，来对冷凝器两侧的温差及出水温度进行合理化调节，以便使其达到节能设计标准，并以此为依据对冷却水系统的变量或水流量进行有效控制。尽管这种优化设计方法有着一定的应用成效，但由于在不同工况下，冷却塔出水温度和冷凝器两侧温差会发生一定的变化，不能切实保证冷却水系统能耗始终处于最小标准，因此，在选择时必须根据中央空调的实际运行情况进行合理使用。

基于已有冷却水系统节能优化设计中存在的弊端问题，在改进调整后，研究出双变量调节下冷却水系统的节能优化设计方案，该方案在具体实施过程中要将冷却水系统总能耗作为目标函数，以便可以获得冷却系统能耗与冷却水泵和冷却塔风机两个变量之间的关系曲面，随后对该曲面最优值进行分析计算，以便得知在各个工况下中央空调冷却水系统运行的优点以及最大能耗点，这样通过线性拟合，就可将双变量下的最优拟合直线求取出来，从而以此为依据对冷却水系统的高效节能设计进行科学指导。例如，根据某中央空调系统在夏季7-8月份的运行数据可以得知，当其冷却水系统的整体运行工况相对稳定时，其送风温度、冷冻水供回水温度、湿球温度以及负荷率等运行参数也符合中央空调安全稳定运行需求，为保证该系统在运行期间不会出现喘振现象，应将冷却水泵及冷却塔风机的频率范围进行合理设定，尽可能使其处在20-50Hz可控范围内，同时，还要利用曲面图对不同负荷下冷却塔风机、冷却水泵的相对转速以及能耗最小值进行分析计算，最终计算结果如图4、图5、图6所示。

图4

图5

图6

由曲面图分析结果可以得知，在相同湿球温度下，若冷却水系统的运行负荷越高，其能耗量也是十分显著，但在不同负荷运行环境中，系统能耗最优点也会随之产生，并符合冷却水系统能耗与变量之间的关系，但不同的冷却水系统产生的节能率也是不尽相同，究其原因，主要是因为系统各动力设备的运行功率不一致所致，通常，当冷却水泵和冷水机组的运行功率超过10%时，冷却系统的节能效果也最为明显。另外，当冷却水系统的泵类设备与冷水机组能之间的比值为定值时，其整体节能效果与系统负荷率的大小有着很直接的联系，即负荷率越大、节能效果越好，由此可见，要想确保整个中央空调的节能率达到最大化，就要对冷却水系统的泵类设备与冷水机组的运行功率比进行合理化调整，尽可能确保系统在空调节能率未到达最优点之前，其变频运行状态下的节能量可以大于冷水机组的能耗量，这样两者之间的功率比也会随之提升，从而使得冷却水系统在双调节变量下的节能率可以真正达到最佳标准。此外，为准确确定冷却水系统在湿球温度和不同负荷率下的能耗最小点的分布情况，应采用线性回归法和拟合法来开展湿球温度实验，并对冷却水泵转速与冷却塔风机转速的设定值进行计算分析，这样依据计算结果才能精确判断出系统能耗最小点的实际分布情况。

4.2 中央空调冷却水泵、冷却塔的节能优化设计

4.2.1 冷却水泵的节能优化设计

首先，要对冷却水系统的外部环境参数进行优化调整，进而使其出入口的冷水温度、制冷作用以及室外湿球温度等参数都能符合系统自身承载能量提升需求。其次，要科学调整冷却水泵的运转形态，使其能够很好地适应系统负荷变动下的运行需求，这样才能确保系统达到节能高效的运转效果。在这一环节中，要想实现冷却水泵运转形态的最优化，应从以下两个方面入手：①对水泵阀门进行科学调节；②要对水泵叶轮直径进行适当调整，在这一过程中，可先对水泵的流速和轴功率大小进行有效调整，使其满足个负载应用条件下的运行需求，随后再以此为依据对叶轮直径进行变动，这样才能进一步提高冷却水泵的环境适应能力，使其始终保持在高效、稳定、节能的运行状态中。

4.2.2 冷却塔节能优化设计

首先，当冷却水边缘温度出现逐步加大或减小的情况时，冷却塔风机和水泵的运行效率也会遭受很大的影响，并间接导致冷却塔在运行过程中出现明显的电能损耗现象。所以为了避免这种情况的发生，就要对冷却塔出口温度进行合理确定，使冷却水边缘温度不会产生任何变化，这样才能有效改善现状，最大化减少冷却塔运行能耗量；其次，要通过多种有效手段全面改善冷却塔循环水工艺来降低其运行能耗，在具体实施过程中，不仅要严格把控冷却塔入口温度，而且还要对其整体适用性进行全面分析，确保其符合相关规定，这样才能达到最终优化控制目的。

冷却塔采用变流量冷却塔技术，实现低流量时布水均匀。其次，冷却塔热交换能力的关键是风量和换热面积，在保证了相关物理参数时，冷却塔的热力性能要达到基本保障。

4.2.3 冷却水系统管路节能优化设计

管路合理减少阻力元件，减少弯头，优化管路布置，管控辅助配件的质量以达到优化后设计要求。利用BIM制图指导施工，减少施工过程中人为误差，实现节能工程的全过程督导管控。

4.2.4 冷却水系统控制优化设计

大部分建筑物中，都会采用多台制冷主机，配置多台冷却水泵及冷却塔。在设备运行时，每台运转的冷却塔应分担基本相等的流量进行换热，但是因为系统管道布置、冷却塔的空间位置、系统阻力不一等原因，导致冷却塔在运行时是无法实现流量平衡的。因此同样的冷却塔受进水量的多与少，影响换热效率。因此冷却水系统进行供水流量平衡调节对于系统节能颇具影响。

冷却塔的进水管安装流量调节阀，实现限流及流量调节作用，避免冷却塔播水盘溢水，造成水损失，浪费资源。冷却水系统控制器根据冷却塔变流量能力，对变流量冷却塔的开塔数量进行智能控制，冷却塔的实现风量无级调节、对运行参数进行实时监控。系统在冷却系统满负荷时，不增加水阻力，不影响水泵能耗，对于空调系统节能具有重要作用。

结束语

综上所述，为了进一步提升中央空调的使用率，有效降低其运行能耗，关键任务就是要根据冷却水系统的组成，是每一部分合理设计，采取科学合理的设计方案让此循环系统高效运行，对整个制冷机组加大节能优化控制力度，并积极采用优质的冷却塔设备，合理匹配冷却水泵，优化系统管路设计，做好其日常运行维护管理工作，这样才能切实满足中央空调高效节能运行需求。

参考文献

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