中央空調(diào)系統(tǒng)中冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能的可行性分析

殷 萍

(深圳市福田區(qū)建筑工務(wù)局,深圳518000)

隨著節(jié)能意識日益深入人心,各種各樣的節(jié)能技術(shù)紛紛投入應(yīng)用,而在離心式設(shè)備上安裝變頻器被認(rèn)為是最簡單、投資回報(bào)最快的技術(shù),例如在離心式冷水機(jī)組上,冷凍水水泵、末端離心風(fēng)機(jī)上加裝變頻驅(qū)動,在理論上和實(shí)踐上都能獲得比較良好的效果。但是,冷卻水水泵或冷卻塔軸流風(fēng)機(jī)安裝變頻驅(qū)動是否能獲得同樣的效果?文獻(xiàn) [1]討論了在冷卻水泵上安裝變頻驅(qū)動對冷水主機(jī)性能的影響。本文將通過詳細(xì)的模擬計(jì)算討論在冷卻塔安裝變頻器的節(jié)能分析。

需要指出的是,在中央空調(diào)系統(tǒng)中的冷凍水或冷卻水系統(tǒng)中的任一設(shè)備安裝變頻驅(qū)動,都必須考慮它是否對冷水機(jī)組本身的性能會產(chǎn)生影響。例如,隨著控制技術(shù)水平的提高,冷凍水側(cè)實(shí)現(xiàn)變流量運(yùn)行下的主機(jī)性能與定水流量相差無幾,這是因?yàn)閮烧叩恼舭l(fā)溫度基本相同。但在冷卻水側(cè)若實(shí)施變流量運(yùn)行則將提高冷水機(jī)組的冷凝溫度,導(dǎo)致冷水機(jī)組本身的能耗增加,那么必須權(quán)衡水泵的節(jié)能與冷水機(jī)組效率變差的綜合效果。同樣,在冷卻塔上實(shí)施變頻,相應(yīng)也改變了冷水機(jī)組的冷卻水溫度,其能耗必將受到影響,因此也必須將冷水機(jī)組的性能考慮在內(nèi),單純考慮冷卻塔本身的節(jié)能效果是不合適的,否則得到的綜合效果可能是得不償失的。

1 理論分析

目前在冷卻塔實(shí)施變頻的控制邏輯一般是調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以維持冷卻塔的出水溫度與濕球溫度之差 (即為冷卻塔的逼近度)為一定值。但這在實(shí)踐中可行嗎?

圖1①和圖2②都清楚地表明,隨著濕球溫度的降低,冷卻塔的逼近度將逐漸變大。因此即使要實(shí)施變頻以維持固定的逼近度,則外界的濕球溫度與冷卻塔的負(fù)荷必須同時(shí)滿足一定的條件才能實(shí)現(xiàn)。其中冷卻塔的熱負(fù)荷為冷水機(jī)組冷凝器的排熱量,約等于冷水機(jī)組的冷量與輸入功率之和 (體現(xiàn)在冷卻水溫差的大小),因此它還與冷水機(jī)組的效率有關(guān)。

圖1 冷卻塔典型性能曲線

圖2 標(biāo)準(zhǔn)工況下冷卻塔性能曲線

另外,即使冷卻塔在一定的條件下有一定的變頻空間,那么如果將冷水機(jī)組的能耗也考慮在內(nèi),那么結(jié)果將會是什么?從理論上將,如果對冷卻塔不進(jìn)行控制,相對而言可以獲得較低的冷卻水進(jìn)水溫度,對主機(jī)有利;反之,對冷卻塔有利,兩者的綜合效果才是問題的關(guān)鍵。

2 選型過程

為了驗(yàn)證該控制邏輯的可行性,本人與冷水機(jī)組廠家及冷卻塔廠家合作,在不同的負(fù)荷及濕球溫度下,利用它們的選型軟件進(jìn)行冷卻塔的變頻與不變頻選型驗(yàn)證,基本情況與數(shù)據(jù)的獲取方法及過程如下。

選型軟件情況:冷水機(jī)組的選型軟件經(jīng)過美國美國制冷協(xié)會 (ARI)認(rèn)證;而冷卻塔選型軟件經(jīng)過美國冷卻塔協(xié)會 (CTI)認(rèn)證。需要說明的是,該軟件提示當(dāng)逼近度小于2.78℃(5℉)時(shí),不保證機(jī)組的性能;

選取常規(guī)空調(diào)工況下遇到頻率較大的部分負(fù)荷運(yùn)行工況點(diǎn)100%,80%,60%負(fù)荷點(diǎn),濕球溫度分別為28℃,24℃,20℃;冷卻塔變頻時(shí)的設(shè)計(jì)逼近度為4℃;

冷水機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)型號為某公司的YK系列3516kW(1000RT)離心式冷水機(jī)組,設(shè)計(jì)參數(shù)為:滿載耗電量607kW,冷卻水進(jìn)出溫度為32/37℃,冷卻水流量為196.7 l/s(3118GPM);根據(jù)上述冷水機(jī)組的冷卻水流量和進(jìn)出溫度,軟件自動得出某公司SC系列最經(jīng)濟(jì)的型號為三臺250L,其最大的處理能力為208.2 l/s;

在此選型過程中做如下的假設(shè):不考慮冷卻水管路系統(tǒng)獲得的溫升或者溫降,即冷卻塔的出水溫度為冷水機(jī)組的進(jìn)水溫度,而冷水機(jī)組的出水溫度為冷卻塔的進(jìn)水溫度。

其他非設(shè)計(jì)工況下數(shù)據(jù)的獲取程序如下:

(1)冷卻塔不變頻時(shí)的冷卻水溫度計(jì)算

此時(shí)冷卻塔的進(jìn)出水溫度需要與冷水機(jī)組進(jìn)出水溫之間做迭代計(jì)算。先假定一個(gè)冷卻水進(jìn)水溫度值,代入冷水機(jī)組軟件,得出其性能值,再反代入冷卻塔軟件,直至得出的最經(jīng)濟(jì)型號為設(shè)計(jì)型號且最大處理能力與設(shè)計(jì)點(diǎn)的最大處理能力相差不超過2%時(shí)即為該工況點(diǎn)的冷卻水溫度。

(2)冷卻塔變頻的冷卻水溫度計(jì)算:

先初步以設(shè)定的冷卻水進(jìn)水溫度對冷水機(jī)組進(jìn)行選型,再反代入到冷卻塔選型軟件進(jìn)行校核。由于該冷卻塔選型軟件不能直接計(jì)算變頻工況下的性能,因此我們以如下方式獲取數(shù)據(jù):以該軟件得出的功率最小的型號作為其輸入功率;反之,如果該軟件得出的最經(jīng)濟(jì)型號大于設(shè)計(jì)型號,則采用2.6.1的方法進(jìn)行校核計(jì)算,很顯然,此時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)與不變頻一致。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)整理

通過各自的選型軟件并經(jīng)過迭代,相關(guān)的數(shù)據(jù)整理如下。

表1 冷卻塔不變頻 (濕球溫度28℃)

表2 冷卻塔不變頻 (濕球溫度24℃)

表3 冷卻塔不變頻 (濕球溫度20℃)

表4 冷卻塔變頻(濕球溫度28℃)

表5 冷卻塔變頻(濕球溫度24℃)

表6 冷卻塔變頻(濕球溫度20℃)

3.2 分析結(jié)果

相關(guān)分析的結(jié)果如下:

將濕球溫度作為橫坐標(biāo),分別將冷卻塔變頻與不變頻下的節(jié)能率 (冷水機(jī)組和冷卻塔能耗之和)及各個(gè)濕球溫度下恒速冷卻塔所能獲得的極限逼近度和設(shè)計(jì)逼近度作為縱坐標(biāo),其結(jié)果如圖3所示。如果節(jié)能率是正值,則意味著該工況下整體能耗將上升,實(shí)際上不能獲得節(jié)能效果。同樣,如果獲得的極限逼近度小于設(shè)計(jì)逼近度,則冷卻塔風(fēng)機(jī)存在一定的變頻空間。

我們從圖3可以有如下結(jié)論:

(1)在所有的工況下,只有一個(gè)點(diǎn)有節(jié)能效果,而且節(jié)能效果很小;而在大部分的工況下,變頻冷卻塔帶來的是整體耗電不變或者增加!

(2)隨著濕球溫度的降低,冷卻塔能實(shí)施該變頻控制的負(fù)荷越來越低,例如在28℃時(shí),所有的工況點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)變頻;當(dāng)濕球溫度降為24℃時(shí),只有80%及以下負(fù)荷點(diǎn)有很小的變頻區(qū)間;當(dāng)濕球溫度降為20℃時(shí),只有60%及以下負(fù)荷點(diǎn)有很小的變頻區(qū)間。這些工況點(diǎn)占常規(guī)的舒適性空調(diào)運(yùn)行時(shí)間比例已經(jīng)非常小,因此其實(shí)際意義已經(jīng)不是很大。

(3)以上的計(jì)算分析只是針對單臺冷水機(jī)組與單臺冷卻塔之間的耗能評價(jià),但在實(shí)際的應(yīng)用中更多的是多臺系統(tǒng),因此也有邏輯控制改為將運(yùn)行的冷卻塔數(shù)量多于冷水機(jī)組的數(shù)量以維持設(shè)定的逼近度,認(rèn)為這樣可以降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,獲得一定的節(jié)能效果。由于冷卻塔的選型軟件無法對此方案進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬計(jì)算,但筆者認(rèn)為,根據(jù)上面的分析,即使相比單機(jī)系統(tǒng)有更大的變頻范圍,但總體節(jié)能效果也相當(dāng)有限,而且其在硬件和軟件上的投資回報(bào)期相對而言不是很理想。

圖3 不同負(fù)荷率下的節(jié)能率,逼近度與濕球溫度的關(guān)系

4 結(jié)論

通過實(shí)例計(jì)算表明,在大部分空調(diào)使用時(shí)間內(nèi),由于濕球溫度對冷卻塔性能的影響,在冷卻塔實(shí)施變頻,雖然其本身獲得了一定的節(jié)能效果,但卻對冷水機(jī)組的能耗產(chǎn)生了不利的影響,因此就其整體效果而言,很可能是得不償失的。冷卻塔安裝變頻可能更適用于那些需要長時(shí)間在冬季濕球溫度較低但需要開啟冷水機(jī)組的場合,通過變頻調(diào)節(jié)以保證冷卻水溫度不低于冷水機(jī)組所允許的最低卻水溫度。

[1]曾振威.節(jié)能不能因小失大 [J].暖通空調(diào),2002,32(4):32-33

①John C.Hensley(SPX cooling Technologies).Cooling Tower Fundamentals[M],second edition,2006:21

②McQuay International.Chiller plant design[M],2002:64