采用冷却塔变流量的中央空调冷却水系统能效分析

采用冷却塔变流量的中央空调冷却水系统能效分析

魏旭

广东省铁路规划设计研究院有限公司 广东广州 510000

摘要 基于数据拟合建立了冷却塔、冷却水泵及制冷机组的数学模型，通过调整各工况参数，研究分析了冷却水变流量和冷却塔变风量对冷却水系统综合能耗的影响。结果表明冷却塔变流量在中央空调系统节能的应用是可行的，但冷却塔变风量在部分工况下并不节能。

关键词 冷却塔 变流量 风机变频 制冷机组 COP 能耗

引言

2020年9月22日，中国政府在第七十五届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”大型公共建筑耗能较高，我国2万平米以上的大型公共建筑其能耗占到建筑总能耗的20%以上，其中单位面积耗电量是普通民宅的10-15倍。中央空调系统约占据公共建筑能耗的60%，所以中央空调系统节能减碳势在必行，冷却水系统作为中央空调内容一个循环系统，其能耗占中央空调系统能耗的25%^[1]，提高冷却水系统部分负荷能效对于建筑领域实现碳达峰和碳中和具有重大价值。

建筑负荷是动态的，室外环境也处在动态，各项工况参数的变化使得冷却水系统存在节约能源的可能性，通过建立数学模型，对制冷机组、冷却水泵及冷却塔的模型进行耦合，研究分析变冷却水量和变冷却塔风量引起的能耗变化。

1理论模型

本文以某综合交通枢纽工程为例，对采用冷却塔变流量的中央空调冷却水系统进行分析，该项目采用1台离心式电制冷机组，配置2台冷却水泵，1台横流式冷却塔，具体设备参数见表1：

表1主要设备材料表

离心式制冷机组 制冷量3164kW 冷冻水进/回水温度7/12℃，冷冻水流量543.2m³/h 冷却水进/回水温度32℃/37℃，冷却水流量632m³/h，额定功率：518kW。变频 1台

冷却水泵：流量664m³/h 额定扬程：37m 变频 2台，1用1备

冷却塔：流量700m³/h 风量：389000m³/h 额定功率：18.5kW 变频 1台

1.1冷却塔数学模型

研究主要方法有公式法和数据拟合法

1）公式法

冷却数是衡量冷却塔冷却能力的重要指标，冷却数越大，则冷却能力就越强，横流式冷却塔冷却数可按下式计算^[3]：

（1）

式中Ωh为横流式冷却塔冷却数（无量纲）；Xd为从进风口算起淋水填料深度（m）;Zd为从淋水填料顶层表面向下算起的填料高度（m）;q为淋水密度[kg/(m2·h)]；H为填料高度（m）。K为蒸发水量带走热量系数（K＜1.0，无量纲）；h为湿空气比焓[kJ／kg(干空气)]；h’’为饱和空气比焓，即当空气温度为水蒸气分压达到饱和状态温度t时的比焓，t为水的温度;Cw为水的比热kJ/(kg·℃)；

上式可近似按如下计算：

_（2）

_（3）

_（4）

_（5）

_（6）

_（7）

式中 为平均焓差[kJ/kg(干空气)]； 为饱和水蒸气压力。

2）数据拟合法^[2]

由于冷却塔各相关参数高耦合性，利用公式法求解，模型复杂、计算工作量巨大且较为困难，不适合指导实际工程设计，为简化模型和运算过程，可以通过数据分析研究各参数之间的关系。

通过（1）~（7）式可知，在冷却塔物理结构一定的前提下，冷却塔的出水温度主要与冷却水量，冷却塔风量，冷却塔的进水温度，室外环境的湿球温度等有关。

图1显示了在湿球温度、冷却水量、冷却塔风量等保持不变的前提下，冷却塔进水温度对冷却塔出水温度的影响，由图1可知冷却塔出水温度随冷却塔进水温度升高而升高，且近似线性变化。

图1 冷却塔进水温度与出水温度

图2显示了在湿球温度、冷却塔进水温度、冷却塔水量等保持不变的前提下，冷却塔风量对冷却塔出水温度的影响，由图2可知冷却塔出水温度随冷却塔风量减少而升高。

图2 冷却塔风量与冷却塔出水温度

图3显示了在湿球温度、冷却塔进水温度、冷却塔风量等保持不变的前提下，冷却塔水量对冷却塔出水温度的影响，由图3可知冷却塔出水温度随冷却塔水量减少而降低。

图3 冷却塔水量与冷却塔出水温度

图4显示了在冷却塔进水温度、冷却塔风量、冷却塔水量等保持不变的前提下，室外湿球温度对冷却塔出水温度的影响，由图4可知冷却塔出水温度随室外湿球温度升高而升高。

图4 室外湿球温度与冷却塔出水温度

可利用数据拟合方法，建立冷却塔出水温度模型如下：

t_塔出=At_湿+Bt_塔进+CL+DG （8）

式中t_湿为湿球温度，℃；t_塔进为冷却塔进水温度，℃；L为冷却塔水量，m³/h；G为冷却塔风量，m³/h。

通过某厂家提供的冷却塔大量运行参数，代入数值后构建冷却塔出水温度模型：

t_塔出=0.4669t_湿+0.4175t_塔进+ 0.0076L-0.00000469G （9）

3）冷却塔功率：

N₁=N_1额(G₁/G_1额)³ （10）

其中N₁为冷却塔输入功率，kW;N_1额为冷却塔额定功率，kW；G₁为冷却塔通风量，kg/s;G_1额为冷却塔额定通风量，kg/s。

1.2水泵模型

1）管路特征曲线公式：

H=h+SG² （11）

本工程冷却塔采用开式横流冷却塔，所以冷却水系统实际为开式系统，h则可近似认为是冷却塔布水压力和提升压头之和，即冷却塔扬程。结合本工程冷却塔扬程取5.8m（H₂O）。

H=5.8+6.36735×10^-5G² （12）

2）变频冷却水泵能耗公式^[3]：

_（13）

3）变频器效率采用的公式^[5]如下：

=0.5087+1.283k-1.42k²+0.5834k³ （14）

4）电动机效率采用的公式^[5]如下：

=0.94187(1-e^-9.04k) （15）

5. 水泵效率采用数据拟合

= -3x10³ - 1x10⁶L² + 0.0021L + 6x10¹⁶ （16）

式中N₃为水泵功率，kW；H为水泵扬程，m(H₂O)；L为水泵流量，m³/h；ρ为水的密度，kg/m³；g为自由落体加速度，9.8m/s²。 为变频器工作效率； 为电动机工作效率； 为水泵工作效率；k为电机转速比。

1.3制冷机组模型

图5显示了制冷机组负荷率对制冷机组COP的影响，由图5可知制冷机组COP随制冷机组负荷率的降低，在100%~80%区间内略有升高，80%至40%区间内迅速降低。

图5 制冷机组负荷率与制冷机组COP

图6显示了蒸发器出水温度对制冷机组COP的影响，由图6可知制冷机组COP随蒸发器出水温度的升高而升高。

图6 蒸发器出水温度与制冷机组COP

图7显示了冷冻水量对制冷机组COP的影响，由图7可知制冷机组COP随冷冻水量的减少而升高。

图7 冷冻水量与制冷机组COP

图8显示了冷凝器进水温度对制冷机组COP的影响，由图8可知制冷机组COP随冷凝器进水温度的升高而降低。

图8 冷凝器进水温度与制冷机组COP

图9显示了冷却水量对制冷机组COP的影响，由图9可知制冷机组COP随冷却水量的减少而降低。

图9 冷却水量与制冷机组COP

根据某厂家制冷机组的多种工况参数,通过数据拟合分析可建立制冷机组数学模型^[s3]

_（17）

COP_b=105S⁵-380.87S⁴+546.44S³-393.25S²+145.23S-16.44 （18）

=0.0002 -0.003 +0.0503 +0.7408 （19）

=-4x10¹¹ +8x10⁸ -8x10⁵ +1.0248 （20）

=38.373 _（21）

=-4x10⁷ +0.0008 +0.6868 （22）

其中：COP_b为制冷机组基准COP；kW;t_冷却进为冷凝器的进口温度，℃；t_冷冻出为蒸发器的出口温度，℃；S为制冷机组单机冷负荷率； 为冷冻水出水温度影响系数； 为冷冻水量影响系数； 为冷却水进水温度影响系数； 为冷却水量影响系数；

2能效分析

本文重点研究冷却水系统的能效变化，所以不再深入分析冷冻水水温流量变化等工况，为方便冷却水系统各工况参数变化对制冷机组COP的影响，假定冷冻水出水温度为12℃，冷冻水流量随负荷率变化，冷却塔出水温度至少比室外湿球温度高2℃，将冷却塔数学模型、冷却水泵数学模型和制冷机组数学模型结合，

推导出冷却水系统综合能耗：

_（23）

冷却水系统综合能效：

_（24）

图10显示了冷却水量对冷却水系统能耗的影响，由图10可知在冷却水流量在100%~70%变化过程中，随着冷却水量的减少，负荷率100%~40%的冷却水系统能耗均是减少的。

图10 湿球温度28℃，冷却水量与冷却水系统能耗

图11显示了冷却水量对冷却水系统能效的影响，由图11可知在冷却水流量在100%~70%变化过程中，随着冷却水量的减少，负荷率100%~40%的冷却水系统综合能效COP_z均是升高的。

表明冷却水变流量具有一定的节能效果。

图11 湿球温度28℃，冷却水量与冷却水系统综合能效

图12~14 显示了在不同负荷率和不同室外湿球温度条件下冷却水流量对冷却水系统综合能效的影响。由图12~14可知随着冷却水流量从100%逐步减少至70%，冷却水系统综合能效COPz是逐步升高的；冷却水流量从70%变化至60%冷却水系统综合能效COPz可能升高也可能降低。随着室外湿球温度的降低，冷却水系统综合能效COPz是升高的。

图12 负荷率100%、不同湿球温度条件下的冷却水流量与冷却水系统综合能效

图13 负荷率80%、不同湿球温度条件下的冷却水流量与冷却水系统综合能效

图14 负荷率60%、不同湿球温度条件下的冷却水流量与冷却水系统综合能效

图15显示了采用冷却水变流量在不同负荷率情况下对应的节能率，由图15可知在负荷率60%时节能率为12.5%，节能率最高。

图15 冷却水变流量的节能率与负荷率

图16显示了冷却风量对冷却水系统能耗的影响，由图16可知在冷却塔风量在100%~70%变化过程中，负荷率100%的冷却水系统能耗随冷却塔风量降低而增加；负荷率80%的冷却水系统能耗随冷却塔风量降低，在风量比100%~90%处略有减少，90%~70%逐渐增加；负荷率60%的冷却水系统能耗随冷却塔风量降低而减少；负荷率40%的冷却水系统能耗随冷却塔风量降低，在风量比100%~90%处略有减少，90%~80%逐渐增加，80%~70%又逐渐减少。

图16 冷却塔风量与冷却水系统能耗

图17显示了冷却塔风量对冷却水系统能效的影响，由图17可知在冷却塔风量在100%~70%变化过程中，负荷率100%的冷却水系统综合能效COP_z随冷却塔风量降低而增加；负荷率60%的冷却水系统综合能效COP_z随冷却塔风量降低,在100%~80%逐渐降低，80%~70%又逐渐升高；负荷率100%的冷却水系统综合能效COP_z随冷却塔风量降低而增加。

表明冷却塔变风量具有一定节能效果，但节能占比率较低，应根据不同工况具体分析，部分工况反而会增加系统能耗。

图17 冷却塔风量与冷却水系统综合能效

3结论

1. 采用变流量冷却塔、冷却水泵变频技术，可实现冷却水变流量运行，虽然冷却水量减少会使制冷机组的COP降低，但包含制冷机组、冷却塔、冷却水泵的冷却水系统综合COP是有所提升的，综合能耗是有所减少的，所以在部分制冷负荷下采用冷却塔变流量措施是具有节能效果的。

2. 室外湿球温度越低，冷却水系统综合能效越高。

3. 风机变频对整个系统影响较小，在部分负荷工况下，具有节能降耗的效果，风机变频需结合具体工况来看，不合理降低风机变频，反而会增加能耗。

参考文献

1. 张朝晖，陈敬良，高钰，等.《蒙特利尔议定书》基加利修正案对制冷空调行业的影响分析[J].制冷与空调，2017，17（1）；1-7

2. 付朋，空调冷却水系统模型辨识与节能运行优化方法[D].大连；大连理工大学，2015：1

3. 刘昶，吴疆，张瑞，等，广州地铁14号线嘉禾望岗站空调冷却水系统能效分析[J].暖通空调，2020，50（10）：76-81

4. 黄光勤，卢军，王亮，等，基于数据拟合的螺杆热泵机组变工况模型[J].暖通空调，2013，43（7）：82-86

5.  中国石油和化工勘察设计协会. 机械通风冷却塔工艺设计规范：GB/T50392-2016[S].北京：中国计划出版社出版，2016

6. 李龙，空调冷却水系统变频节能分析[J].暖通空调，2020，50（8）：65-69