中央空調冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能分析

律寶瑩，張 哲

（天津商業(yè)大學 機械工程學院，天津300134）

1 引言

中央空調系統(tǒng)不僅要滿足人們對工作、生產的環(huán)境要求，同時也要滿足對環(huán)境保護和節(jié)能的要求。隨著國家節(jié)能政策的實施，中央空調的能耗問題成為許多學者的研究方向。中央空調機組系統(tǒng)包括冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)及主機，其中冷卻水系統(tǒng)能耗占中央空調總能耗的15%～20%［1］。同時由于冷卻水量多于冷凍水量，因此對冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化顯得尤為重要。由于室外環(huán)境的變化和室內人員的流動性大，中央空調系統(tǒng)在大部分情況下只提供部分負荷，因此冷卻水系統(tǒng)也在很長時間內處于部分負荷運行下，而設計時是參考滿負荷運轉進行設備選型，必然會出現(xiàn)設備選型龐大和能源的浪費。研究冷卻水系統(tǒng)節(jié)能即是研究在部分負荷運轉下的控制運行。冷卻水系統(tǒng)包括冷卻水泵、機組和冷卻塔三部分，本文主要對冷卻水泵和冷卻塔的節(jié)能進行了分析。

2 冷卻水泵節(jié)能分析

對于冷卻水系統(tǒng)而言部分負荷運轉的情況是由外部環(huán)境參數(shù)的改變引起的。外部環(huán)境參數(shù)主要包含4個：冷水進口溫度、冷水出口溫度、制冷量和室外濕球溫度［2］。通過改變水泵的運行工況適應負荷的變化。通常冷卻水泵運行工況的改變方法有3種。

2.1 改變閥門開啟度

調節(jié)水泵出口處閥門的開啟度，是改變水泵工況點最簡便易行的方法。閥門在正常運行情況下，一般都全部開啟，當關小閥門時，局部阻力加大，性能曲線變抖，流量變小，揚程增大。水泵的工作點由A2 點移動到A1點，如圖1。這種方法雖然簡便，但是閥門的調節(jié)范圍有限，當揚程過大時，會導致水泵過載，降低其使用壽命。由于增大了局部阻力導致水泵的輸出功率增大，造成電能的浪費。關小閥門也會加大管路的噪音。

2.2 改變水泵葉輪直徑

由相似定律可知，葉輪直徑改變，會引起水泵的流量，揚程，軸功率發(fā)生相應的變化，因此可以通過改變直徑達到改變運行工況的目的。但是車削技術的精度要嚴格控制，否則可能會影響水泵的性能。由于水泵直徑的改變量有限，不能滿足各個負荷率的使用情況，因此適應性比較差。

圖1 改變閥門開啟度調節(jié)水泵工況點

2.3 改變水泵轉速

改變水泵轉速會得到不同的性能曲線，從而會產生不同的工況點，此方法不會產生額外的摩擦損失，調節(jié)方便，是現(xiàn)在廣泛應用的一種形式。轉速和流量，揚程，功率之間的關系如下：

式中：Q、N、H分別表示水泵轉速為n時的流量、揚程、軸功率。Q，、N，、H，分別表示水泵轉速為n，時的流量、揚程、軸功率。

冷卻水變流量系統(tǒng)原理圖如圖2所示。變頻泵節(jié)能原理如下：冷水機組冷凝器進行熱交換時，換熱量一定，流量減少，進口溫度不變，則出口溫度會升高，從而導致冷機的能耗增加。對于冷卻水系統(tǒng)而言，冷卻水流量減少，使冷卻水泵的能耗降低。這兩者的差值即是冷卻水變頻泵的節(jié)能量。國內許多學者對冷卻水變流量的研究都比較謹慎，認為雖然冷卻水變流量可以降低自身的能耗，但會降低機組的使用性能，達不到綜合節(jié)能的目的。隨著學者對冷卻水節(jié)能的深入研究［3～5］，通過對比冷卻水變流量的節(jié)能量和制冷機組的能耗增加量，提出由于冷卻水量要多于冷凍水量，因此只要設計合理，控制得當，冷卻水系統(tǒng)還是有很大節(jié)能空間的。最后通過分析數(shù)據得出，冷卻水泵的功率和制冷機組功率相差越小，冷卻水泵臺數(shù)越少，綜合節(jié)能效果越顯著。

圖2 變流量系統(tǒng)

采用變頻泵不僅可以節(jié)能還具有其他優(yōu)勢，如成本回收時間較短。采用變頻泵會增大初投資，因此需要一定的時間回收設備投資，如果時間太長則經濟性不合理。文獻［6］中通過對一工程實例的數(shù)據分析得出，采用變頻水泵每月可節(jié)約用電12377kW·h，折合人民幣12129.5元，投資費回報時間為7.9個月，回報時間較短。通過分析可以得出，采用變頻泵，只要設計合理，控制得當，在一定情況下是有很大節(jié)能空間的，同時回收投資時間短，具有市場推廣價值。

3 冷卻塔的節(jié)能分析

建設節(jié)約型社會的政策下，節(jié)約用水量得到重視，其中使用循環(huán)水是最直接高效的節(jié)約方法，國外發(fā)達國家水的重復使用率高達75%～85%，我國還有很大差距，除制定節(jié)水政策外還要加強對循環(huán)水技術進行研究。據調查顯示，循環(huán)水的冷卻與輸送的能耗約為0.2～0.3kW·h／（m3·h），每年全國循環(huán)水耗電300～450億kW·h［7］，對循環(huán)水技術的研究是節(jié)約電能的有效措施。通過分析知冷卻塔的節(jié)能方式不僅包括節(jié)約電能，同時還包括提高循環(huán)水技術。

（1）控制冷卻塔出口溫度。降低冷卻水出口溫度可以提高制冷機組性能，然而由于冷凝壓力的限制使得冷凝溫度有最低溫度限制。對于冷卻水系統(tǒng)而言，降低冷卻水溫度必然會導致冷卻塔風機和水泵的功率增大，引起電能不必要的浪費。通過對比最冷工況，設計工況和空氣濕球溫度加上2.8℃三種出口溫度，得出最佳溫度控制方式較其他方式節(jié)約費用約5%左右［8］，可以看出控制出口溫度在節(jié)約能源方面的重要性。

（2）控制冷卻塔水量和風量。由相似性準則知功率和流量之間有三次方的關系，因此降低流量和風量會降低功率，從而節(jié)約電能。通過研究得出水泵功耗比重越大，節(jié)能效果越明顯［5］。目前不少人對冷卻塔變水流量做了研究［9～13］，從節(jié)能方面講，也要注重兩者的耦合關系，文獻14研究得出，當冷卻塔負荷從170kW 降低到12kW 時，冷卻塔的風量僅為原來的54.6%，水流量變?yōu)樵瓉淼?0.6%，從而節(jié)約能耗。

（3）提高循環(huán)水技術。循環(huán)水技術可以通過多種方式進行改進如控制進水口溫度，選用合理的冷卻塔形式，選用合適的風機等等。其中不同的冷卻塔形式產生的能耗有很大區(qū)別。通過對比逆流式冷卻塔和橫式冷卻塔得出，橫流式冷卻塔的供水水壓比逆流式冷卻塔的供水水壓高4m，因此逆流式冷卻塔每1m3／h可以節(jié)約水泵功率0.014kW，全年可節(jié)省近119kW·h［7］，循環(huán)水量越大，節(jié)能效果越顯著。

4 結語

對于空調系統(tǒng)而言，耗能主要由制冷機組、水泵、冷卻塔等各部分能耗組成，因此只有控制各部分的耗電量，才能達到整體的節(jié)能。目前制冷機組的性能指標已達到很高的水平，系統(tǒng)其他部分同樣具有很大的節(jié)能潛力，空調用戶可以采取不同的控制方式達到節(jié)能效果。

本文通過對水泵和冷卻塔的節(jié)能分析，為以后的學者提供一些參考方向。研究數(shù)據表明當水泵和風機同時采用變頻技術，節(jié)省電能高達53.9%［15］，因此對空調系統(tǒng)各部分進行節(jié)能研究的同時，也要注重各部分之間的耦合關系，才能將理論更好的應用到實際工程，達到理想的節(jié)能效果。

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