采用冷卻塔變流量的中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)能效分解

1、采用冷卻塔變流量的中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)能效分解摘要 基于數(shù)據(jù)擬合建立了冷卻塔、冷卻水泵及制冷機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，通過調(diào)整各工況參數(shù)，研究分析了冷卻水變流量和冷卻塔變風(fēng)量對冷卻水系統(tǒng)綜合能耗的影響。結(jié)果表明冷卻塔變流量在中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的應(yīng)用是可行的，但冷卻塔變風(fēng)量在部分工況下并不節(jié)能。關(guān)鍵詞 冷卻塔 變流量 風(fēng)機(jī)變頻 制冷機(jī)組 COP 能耗引言2020年9月22日，中國政府在第七十五屆 HYPERLINK /item/%E8%81%94%E5%90%88%E5%9B%BD%E5%A4%A7%E4%BC%9A/372109 t _blank 聯(lián)合國大會(huì)上提出：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力

2、的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！贝笮凸步ㄖ哪茌^高，我國2萬平米以上的大型公共建筑其能耗占到建筑總能耗的20%以上，其中單位面積耗電量是普通民宅的10-15倍。中央空調(diào)系統(tǒng)約占據(jù)公共建筑能耗的60%，所以中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減碳勢在必行，冷卻水系統(tǒng)作為中央空調(diào)內(nèi)容一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，其能耗占中央空調(diào)系統(tǒng)能耗的25%1，提高冷卻水系統(tǒng)部分負(fù)荷能效對于建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和具有重大價(jià)值。建筑負(fù)荷是動(dòng)態(tài)的，室外環(huán)境也處在動(dòng)態(tài)，各項(xiàng)工況參數(shù)的變化使得冷卻水系統(tǒng)存在節(jié)約能源的可能性，通過建立數(shù)學(xué)模型，對制冷機(jī)組、冷卻水泵及冷卻塔的模型進(jìn)行耦合，研究分析

3、變冷卻水量和變冷卻塔風(fēng)量引起的能耗變化。1理論模型本文以某綜合交通樞紐工程為例，對采用冷卻塔變流量的中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行分析，該項(xiàng)目采用1臺離心式電制冷機(jī)組，配置2臺冷卻水泵，1臺橫流式冷卻塔，具體設(shè)備參數(shù)見表1：表1主要設(shè)備材料表離心式制冷機(jī)組 制冷量3164kW 冷凍水進(jìn)/回水溫度7/12，冷凍水流量543.2m/h 冷卻水進(jìn)/回水溫度32/37，冷卻水流量632m/h，額定功率：518kW。變頻 1臺冷卻水泵：流量664m/h 額定揚(yáng)程：37m 變頻 2臺，1用1備冷卻塔：流量700m/h 風(fēng)量：389000m/h 額定功率：18.5kW 變頻 1臺1.1冷卻塔數(shù)學(xué)模型研究主要方法有公

4、式法和數(shù)據(jù)擬合法1）公式法冷卻數(shù)是衡量冷卻塔冷卻能力的重要指標(biāo)，冷卻數(shù)越大，則冷卻能力就越強(qiáng)，橫流式冷卻塔冷卻數(shù)可按下式計(jì)算3：（1）式中h為橫流式冷卻塔冷卻數(shù)（無量綱）；Xd為從進(jìn)風(fēng)口算起淋水填料深度（m）;Zd為從淋水填料頂層表面向下算起的填料高度（m）;q為淋水密度kg/(m2h)；H為填料高度（m）。K為蒸發(fā)水量帶走熱量系數(shù)（K1.0，無量綱）；h為濕空氣比焓kJkg(干空氣)；h為飽和空氣比焓，即當(dāng)空氣溫度為水蒸氣分壓達(dá)到飽和狀態(tài)溫度t時(shí)的比焓，t為水的溫度;Cw為水的比熱kJ/(kg)；上式可近似按如下計(jì)算：（2）（3）（4）（5）（6）（7）式中 為平均焓差kJ/kg(干空氣)；

5、 為飽和水蒸氣壓力。2）數(shù)據(jù)擬合法2由于冷卻塔各相關(guān)參數(shù)高耦合性，利用公式法求解，模型復(fù)雜、計(jì)算工作量巨大且較為困難，不適合指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)，為簡化模型和運(yùn)算過程，可以通過數(shù)據(jù)分析研究各參數(shù)之間的關(guān)系。通過（1）（7）式可知，在冷卻塔物理結(jié)構(gòu)一定的前提下，冷卻塔的出水溫度主要與冷卻水量，冷卻塔風(fēng)量，冷卻塔的進(jìn)水溫度，室外環(huán)境的濕球溫度等有關(guān)。圖1顯示了在濕球溫度、冷卻水量、冷卻塔風(fēng)量等保持不變的前提下，冷卻塔進(jìn)水溫度對冷卻塔出水溫度的影響，由圖1可知冷卻塔出水溫度隨冷卻塔進(jìn)水溫度升高而升高，且近似線性變化。圖1 冷卻塔進(jìn)水溫度與出水溫度圖2顯示了在濕球溫度、冷卻塔進(jìn)水溫度、冷卻塔水量等保持不變

6、的前提下，冷卻塔風(fēng)量對冷卻塔出水溫度的影響，由圖2可知冷卻塔出水溫度隨冷卻塔風(fēng)量減少而升高。圖2 冷卻塔風(fēng)量與冷卻塔出水溫度圖3顯示了在濕球溫度、冷卻塔進(jìn)水溫度、冷卻塔風(fēng)量等保持不變的前提下，冷卻塔水量對冷卻塔出水溫度的影響，由圖3可知冷卻塔出水溫度隨冷卻塔水量減少而降低。圖3 冷卻塔水量與冷卻塔出水溫度圖4顯示了在冷卻塔進(jìn)水溫度、冷卻塔風(fēng)量、冷卻塔水量等保持不變的前提下，室外濕球溫度對冷卻塔出水溫度的影響，由圖4可知冷卻塔出水溫度隨室外濕球溫度升高而升高。圖4 室外濕球溫度與冷卻塔出水溫度可利用數(shù)據(jù)擬合方法，建立冷卻塔出水溫度模型如下：t塔出=At濕+Bt塔進(jìn)+CL+DG （8）式中t濕為濕

7、球溫度，；t塔進(jìn)為冷卻塔進(jìn)水溫度，；L為冷卻塔水量，m/h；G為冷卻塔風(fēng)量，m/h。通過某廠家提供的冷卻塔大量運(yùn)行參數(shù)，代入數(shù)值后構(gòu)建冷卻塔出水溫度模型：t塔出=0.4669t濕+0.4175t塔進(jìn)+ 0.0076L-0.00000469G （9）3）冷卻塔功率：N1=N1額(G1/G1額)3 （10）其中N1為冷卻塔輸入功率，kW;N1額為冷卻塔額定功率，kW；G1為冷卻塔通風(fēng)量，kg/s;G1額為冷卻塔額定通風(fēng)量，kg/s。1.2水泵模型1）管路特征曲線公式：H=h+SG2 （11）本工程冷卻塔采用開式橫流冷卻塔，所以冷卻水系統(tǒng)實(shí)際為開式系統(tǒng)，h則可近似認(rèn)為是冷卻塔布水壓力和提升壓頭之和，

8、即冷卻塔揚(yáng)程。結(jié)合本工程冷卻塔揚(yáng)程取5.8m（H2O）。H=5.8+6.3673510-5G2 （12）2）變頻冷卻水泵能耗公式3：（13）3）變頻器效率采用的公式5如下：=0.5087+1.283k-1.42k2+0.5834k3 （14）4）電動(dòng)機(jī)效率采用的公式5如下：=0.94187(1-e-9.04k) （15）1.水泵效率采用數(shù)據(jù)擬合= -3x103 - 1x106L2 + 0.0021L + 6x1016 （16）式中N3為水泵功率，kW；H為水泵揚(yáng)程，m(H2O)；L為水泵流量，m/h；為水的密度，kg/m；g為自由落體加速度，9.8m/s2。 為變頻器工作效率； 為電動(dòng)機(jī)工作效

9、率； 為水泵工作效率；k為電機(jī)轉(zhuǎn)速比。1.3制冷機(jī)組模型圖5顯示了制冷機(jī)組負(fù)荷率對制冷機(jī)組COP的影響，由圖5可知制冷機(jī)組COP隨制冷機(jī)組負(fù)荷率的降低，在100%80%區(qū)間內(nèi)略有升高，80%至40%區(qū)間內(nèi)迅速降低。圖5 制冷機(jī)組負(fù)荷率與制冷機(jī)組COP圖6顯示了蒸發(fā)器出水溫度對制冷機(jī)組COP的影響，由圖6可知制冷機(jī)組COP隨蒸發(fā)器出水溫度的升高而升高。圖6 蒸發(fā)器出水溫度與制冷機(jī)組COP圖7顯示了冷凍水量對制冷機(jī)組COP的影響，由圖7可知制冷機(jī)組COP隨冷凍水量的減少而升高。圖7 冷凍水量與制冷機(jī)組COP圖8顯示了冷凝器進(jìn)水溫度對制冷機(jī)組COP的影響，由圖8可知制冷機(jī)組COP隨冷凝器進(jìn)水溫度的升

10、高而降低。圖8 冷凝器進(jìn)水溫度與制冷機(jī)組COP圖9顯示了冷卻水量對制冷機(jī)組COP的影響，由圖9可知制冷機(jī)組COP隨冷卻水量的減少而降低。圖9 冷卻水量與制冷機(jī)組COP根據(jù)某廠家制冷機(jī)組的多種工況參數(shù),通過數(shù)據(jù)擬合分析可建立制冷機(jī)組數(shù)學(xué)模型s3（17）COPb=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：COPb為制冷

11、機(jī)組基準(zhǔn)COP；kW;t冷卻進(jìn)為冷凝器的進(jìn)口溫度，；t冷凍出為蒸發(fā)器的出口溫度，；S為制冷機(jī)組單機(jī)冷負(fù)荷率； 為冷凍水出水溫度影響系數(shù)； 為冷凍水量影響系數(shù)； 為冷卻水進(jìn)水溫度影響系數(shù)； 為冷卻水量影響系數(shù)；2能效分析本文重點(diǎn)研究冷卻水系統(tǒng)的能效變化，所以不再深入分析冷凍水水溫流量變化等工況，為方便冷卻水系統(tǒng)各工況參數(shù)變化對制冷機(jī)組COP的影響，假定冷凍水出水溫度為12，冷凍水流量隨負(fù)荷率變化，冷卻塔出水溫度至少比室外濕球溫度高2，將冷卻塔數(shù)學(xué)模型、冷卻水泵數(shù)學(xué)模型和制冷機(jī)組數(shù)學(xué)模型結(jié)合，推導(dǎo)出冷卻水系統(tǒng)綜合能耗：（23）冷卻水系統(tǒng)綜合能效：（24）圖10顯示了冷卻水量對冷卻水系統(tǒng)能耗的影響，

12、由圖10可知在冷卻水流量在100%70%變化過程中，隨著冷卻水量的減少，負(fù)荷率100%40%的冷卻水系統(tǒng)能耗均是減少的。圖10 濕球溫度28，冷卻水量與冷卻水系統(tǒng)能耗圖11顯示了冷卻水量對冷卻水系統(tǒng)能效的影響，由圖11可知在冷卻水流量在100%70%變化過程中，隨著冷卻水量的減少，負(fù)荷率100%40%的冷卻水系統(tǒng)綜合能效COPz均是升高的。表明冷卻水變流量具有一定的節(jié)能效果。圖11 濕球溫度28，冷卻水量與冷卻水系統(tǒng)綜合能效圖1214 顯示了在不同負(fù)荷率和不同室外濕球溫度條件下冷卻水流量對冷卻水系統(tǒng)綜合能效的影響。由圖1214可知隨著冷卻水流量從100%逐步減少至70%，冷卻水系統(tǒng)綜合能效CO

13、Pz是逐步升高的；冷卻水流量從70%變化至60%冷卻水系統(tǒng)綜合能效COPz可能升高也可能降低。隨著室外濕球溫度的降低，冷卻水系統(tǒng)綜合能效COPz是升高的。圖12 負(fù)荷率100%、不同濕球溫度條件下的冷卻水流量與冷卻水系統(tǒng)綜合能效圖13 負(fù)荷率80%、不同濕球溫度條件下的冷卻水流量與冷卻水系統(tǒng)綜合能效圖14 負(fù)荷率60%、不同濕球溫度條件下的冷卻水流量與冷卻水系統(tǒng)綜合能效圖15顯示了采用冷卻水變流量在不同負(fù)荷率情況下對應(yīng)的節(jié)能率，由圖15可知在負(fù)荷率60%時(shí)節(jié)能率為12.5%，節(jié)能率最高。圖15 冷卻水變流量的節(jié)能率與負(fù)荷率圖16顯示了冷卻風(fēng)量對冷卻水系統(tǒng)能耗的影響，由圖16可知在冷卻塔風(fēng)量在1

14、00%70%變化過程中，負(fù)荷率100%的冷卻水系統(tǒng)能耗隨冷卻塔風(fēng)量降低而增加；負(fù)荷率80%的冷卻水系統(tǒng)能耗隨冷卻塔風(fēng)量降低，在風(fēng)量比100%90%處略有減少，90%70%逐漸增加；負(fù)荷率60%的冷卻水系統(tǒng)能耗隨冷卻塔風(fēng)量降低而減少；負(fù)荷率40%的冷卻水系統(tǒng)能耗隨冷卻塔風(fēng)量降低，在風(fēng)量比100%90%處略有減少，90%80%逐漸增加，80%70%又逐漸減少。圖16 冷卻塔風(fēng)量與冷卻水系統(tǒng)能耗圖17顯示了冷卻塔風(fēng)量對冷卻水系統(tǒng)能效的影響，由圖17可知在冷卻塔風(fēng)量在100%70%變化過程中，負(fù)荷率100%的冷卻水系統(tǒng)綜合能效COPz隨冷卻塔風(fēng)量降低而增加；負(fù)荷率60%的冷卻水系統(tǒng)綜合能效COPz隨冷

15、卻塔風(fēng)量降低,在100%80%逐漸降低，80%70%又逐漸升高；負(fù)荷率100%的冷卻水系統(tǒng)綜合能效COPz隨冷卻塔風(fēng)量降低而增加。表明冷卻塔變風(fēng)量具有一定節(jié)能效果，但節(jié)能占比率較低，應(yīng)根據(jù)不同工況具體分析，部分工況反而會(huì)增加系統(tǒng)能耗。圖17 冷卻塔風(fēng)量與冷卻水系統(tǒng)綜合能效3結(jié)論1.采用變流量冷卻塔、冷卻水泵變頻技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)冷卻水變流量運(yùn)行，雖然冷卻水量減少會(huì)使制冷機(jī)組的COP降低，但包含制冷機(jī)組、冷卻塔、冷卻水泵的冷卻水系統(tǒng)綜合COP是有所提升的，綜合能耗是有所減少的，所以在部分制冷負(fù)荷下采用冷卻塔變流量措施是具有節(jié)能效果的。2.室外濕球溫度越低，冷卻水系統(tǒng)綜合能效越高。3.風(fēng)機(jī)變頻對整個(gè)系統(tǒng)影響較小，在部分負(fù)荷工況下，具有節(jié)能降耗的效果，風(fēng)機(jī)變頻需結(jié)合具體工況來看，不合理降低風(fēng)機(jī)變頻，反而會(huì)增加能耗。參考文獻(xiàn)1.張朝暉，陳敬良，高鈺，等.蒙特利爾議定書基加利修正案對制冷空調(diào)行業(yè)的影響分析J.制冷與空調(diào)，2017，17（1）；1-72.付朋，空調(diào)冷卻水系統(tǒng)模型辨識與節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化方法D.大連；大連理工大學(xué)，2015：13.劉昶，吳疆，張瑞，等，廣州地鐵14號線嘉禾望崗站