空调冷却水系统节能运行方法研究

空调冷却水系统节能运行方法研究

曲振佳

中国电子系统工程第四建设有限公司

摘要：

我国的能源消耗结构中，建筑能耗占比25％左右，而暖通空调在建筑能耗比例中又占到65％左右，其中建筑的中央空调系统能耗约占建筑总能耗的50％以上，有些地区甚至达到了70％以上^[1][2]。空调系统节能优化运行研究不仅是建筑节能不可或缺的环节，同时也是落实国家能源发展战略的重要举措。

本文针对冷却水系统变流量特点，研究冷却水流量变化对冷水机组及冷却塔性能的影响，研究冷却水泵变频的运行的几种实现方法。

关键词：

冷却水系统、冷却水泵变频、冷却塔、冷冻站

0前言

在实际工程应用中空调冷冻系统已普遍采用变流量系统，水泵采用变频水泵，但空调冷却水系统采用定流量系统居多。无论季节、天气和负荷如何变化都在工频状态下全速运行不能随冷冻机负荷变化和外界环境条件变化相应调整运行工况和流量，经常出现大流量、小温差、低温度运行的不利工况对压缩式冷冻机造成冷凝压力和蒸发压力差值过小冷冻机润滑油回油困难冷冻机运行噪音大、磨损快等问题。既增大了冷却水泵和冷却塔风扇能耗也不利于冷冻机安全、正常运行^[3]。

1冷却水变流量对冷水机组的影响

冷凝器中制冷剂的换热可以分成三段^[4]：过热段、两相段和过冷段，且两相换热占了换热量的85%左右。下面针对两相段换热进行讨论。在此过程中，冷水机组制冷剂为汽、液共存状态，温度保持为饱和压力下的冷凝温度。在冷却水进水温度及冷凝器负荷一定时，当冷却水流量下降时，根据能量守恒定律，冷却水出水温度会提高。冷却水流速降低时，根据冷却水侧换热系数公式，冷却水侧的换热系数与冷却水流量的0.8次方呈正比。

Nu=0.027Re^0.8pr^1/3(μ_f/μ_w)^0.14

其中：Nu—努谢尔特准则数。Pr—普朗特准则数。μ_f,μ_w—以流体温度和壁温作为定性温度的流体动力粘度pa·s。

由此可见冷却水流量降低，一方面造成冷却水出水温度及管内换热平均温度升高，使得冷凝温度提高。另一方面，冷却水流速降低使得冷却水侧换热系数降低，导致冷凝温度和冷凝压力升高。冷凝压力升高后，压缩机的排气压力和排气温度也相应上升，导致压缩机能耗上升，可能使得制冷剂在冷凝器出口的温度及焓值也会升高。冷凝器出口焓值的升高使得通过节流阀节流降压、降温后汽、液混合态的制冷剂干度下降，增加制冷剂循环流量，增加压缩机的能耗。

通过TRNSYS瞬时系统模拟软件建立离心式冷水机组和冷却水泵的模型，在DOE-2模拟的负荷率分布下进行了系统模拟。冷水机组在负荷率从100%降至50%时，定流量运行的冷水机组COP降低3.80%，而变流量运行的冷水机组COP降低10%。综合考虑冷水机组及水泵总体能耗后者降低了15.79%^[5]。

通过模拟分析冷却水变流量会对冷水机组性能造成一定的影响，但总体节能效果有积极意义。冷水机组在75%到90%负荷率之间，冷却水泵转速降低较少，功率降低有限。而冷水机组部分负荷时的性能系数主要由于冷却水流量降低而下降，造成该段负荷率区间整体节能率下降，冷水机组负荷在75%以下的节能区间，冷水机组部分负荷时的性能系数主要由负荷决定，而冷却水泵的能耗由于转速大幅度下降，促使节能率随空调负荷下降而快速上升^[6]。

2冷却水变流量对冷却塔的影响

冷却水进入冷却塔后，通过自然对流及机械通风与室外空气进行热交换，空气吸收部分冷却水的热量等焓降温至湿球温度，冷却水降温后输送至冷机冷凝器中与制冷剂换热。在此期间主要考虑两方面的影响，即冷却水变流量对于冷却塔换热性能影响及冷却塔出水温度的影响。

通过冷却水与空气建立传热方程及热平衡方程建立数学模型，冷却塔的全热效率计算公式^[7]为：

η_cr=T_in-T_out/T_in-T_s

其中T_in，T_out-冷却塔进口、出口温度，℃;T_s-湿球温度，℃;η_cr-效率。

根据以上公式冷却塔效率与冷却塔出口温度（T_out）与湿球温度（T_s）、进口温度（T_in）、流量（G）呈线性相关。在室外湿球温度和冷却塔有效换热面积一定的情况下，影响冷却塔效率的主要因素是风水比，即流经冷塔的风量与水量的质量比。在一定的室外湿球温度下，风水比越大，冷却塔效率越高，但当冷却塔效率达到80%左右时，进一步提高风水比，效率已很难有所提高，通常情况下最佳风水比为1.0至1.5。目前工程中常用的开式冷却塔均配备变频风机以确保冷却塔效率达到最佳，节约能源。

文献^[7]根据实验测得冷却塔出水温度（T_out）对冷却塔进水温度（T_in）和空气湿球温度（T_s）变化敏感，相对变化率分别为29%和47%。出水温度对冷却水流量变化不敏感，相对变化率为9.4%。因此冷却水变流量对冷却塔影响有限。

3冷却水变流量控制方法

3.1冷凝器出水温度控制法

冷凝温度控制法就是维持冷机冷凝器出水温度不变的一种水泵变频调节控制方法以冷凝器的出水温度作为被控变量，间接的控制冷机冷凝温度的控制方法。当冷却水量在冷机容许最小流量以上时，保持冷凝器出水温度为定值，具体方法为在冷凝器出水管道上设置温度传感器，将温度信号传给控制器，根据控制器和设定的冷凝器出水温度相比较后，调节变频器的频率从而控制变频水泵运行。

对于同一空调负荷率，冷凝温度控制法流量减少最大，冷却水泵工作点在管路阻抗特性曲线上移动的速度最快，故水泵节能效果最好，但该点温度扰动较大，系统稳定性差。但控制方法简单，冷却水系统供回水温差可以在允许范围内尽可能降低，采用冷凝器出口定温，在工
程中容易实现。

图1.冷凝器出水温度控制法原理图

3.2冷凝器温差控制法

冷凝器温差控制法就是维持冷机冷凝器进出水温差不变的一种水泵变速调节控制方法。

工
作原理是在冷却水供回水管路各安装一个温度传感器，测量冷却水供回水温差，将温差信号传给控制器与设定温差值（5℃）比较，控制冷却水泵变频运行，为避免水量过小时，冷疑器内水流由紊流变成层流影响冷凝器换热，或者影响水泵的正常运行，需要设置变频器频率下限（如25Hz以上）。在温差控制下，冷却水流量和负荷相关与室外气象无关，对于同一空调负荷率温差控制法流量减小幅度最小，冷却水泵工作点在管路阻抗特性曲线上移动的速度最慢，故稳定性好，但节能效果不显著。

图2.冷凝温差控制法原理图

3.3冷却水温度接近法控制法

冷却水温度接近法控制也称室外空气湿球温度+逼近度控制法，冷却塔出水温度依据室外湿球温度及冷却塔换热达到极限时的过余温度控制的一种水泵变速调节控制方法，也称为变温差控制法。

这
种控制方式下，冷却塔的出水温度与外界气候条件相关，与冷机负荷大小关系不大，对于同一空调负荷率，温差控制法流量减小幅度居中，冷却水泵工作点在管路阻抗特性曲线上移动的速度居中，稳定性居中，水泵节能效果居中。不同季节下，由于过余温度取值不同，实施相对复杂。

图3.冷却水温度接近法控制法

4结论

根据冷水机组运行原理及冷却水系统运行特点可知，冷水机组负荷在75%以下节能区间时冷却水泵变频节能效果更加显著。综合比较三种冷却水变流量控制方法，采用冷凝器温差控制法方式可使冷却水系统稳定运行，同时对冷机COP影响相对较小，节能方式最优。

参考文献：

[1]江亿.中国建筑节能年度发展研究报告[D].2007．北京：中国建筑工业出版社，2007．

[2]江亿.我国建筑能耗状况与节能重点[J]．建设科技，2007(5)：26．29．

[3]魏汉光.空调冷却水泵变频节能控制研究与实现[D].北京：北方工业大学，2008.

[4]陈红，何祖威．制冷系统换热器建模与仿真方法研究[D]．重庆：重庆大学，2006．

[5]蒋小强，龙惟定，王民，谢爱霞．空调水系统变流量的运行特性[J]．流体机械，2010，38（003）：71～75．

[6]空调系统冷却水变流量改造的节能量认定方法研究[D].重庆：重庆大学，2013.

[7]张寅平，朱颖心．水—空气处理系统全热交换模型和性能分析[J]．清华大学学报：自然科学版，1999，39（10）：35～38．