中央空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能改造

劉丙剛，賈丕建，王博，王煥亮

（1.玲瓏集團(tuán)有限公司，山東招遠(yuǎn) 265406；2.煙臺(tái)市能源綜合執(zhí)法支隊(duì)，山東煙臺(tái) 264003）

1 原制冷系統(tǒng)狀況

1.1 主要設(shè)備

玲瓏集團(tuán)公司PCR5 廠中央空調(diào)制冷系統(tǒng)是該廠生產(chǎn)車間環(huán)境溫濕度控制和工藝設(shè)備冷卻水換熱降溫的重要工序，它的工作原理是該廠制冷機(jī)房的制冷機(jī)通過屋頂冷卻塔提取室外熱量制取低溫冷凍水，分別供應(yīng)給機(jī)房中央空調(diào)用來控制生產(chǎn)車間溫濕度和循環(huán)泵房工藝換熱器設(shè)備冷卻。該中央空調(diào)制冷系統(tǒng)主要由3 臺(tái)制冷主機(jī)、4 臺(tái)冷卻水循環(huán)水泵、4 臺(tái)冷凍水循環(huán)水泵、3 座冷卻塔、20 臺(tái)空調(diào)機(jī)組、3 臺(tái)板式換熱器和3 臺(tái)低溫循環(huán)水泵等組成。中央空調(diào)主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 原系統(tǒng)運(yùn)行存在問題

冷卻塔存在的主要問題如下：

表1 中央空調(diào)主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

1）冷卻塔采用單層噴淋，布水不均勻，降溫效果差。

2）冷卻塔運(yùn)行方式不合理，冷卻塔供水和回水閥門全部開啟，只通過開停冷卻塔風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。

3）冷卻水泵和冷水泵控制方式簡單。制冷主機(jī)運(yùn)行時(shí)配套的冷水泵和冷卻水泵開啟運(yùn)行時(shí)無控制邏輯。特別是低負(fù)荷時(shí)中央空調(diào)機(jī)組冷水需求量少，水泵無法根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

4）中央空調(diào)機(jī)組布置相對(duì)分散，操作工必須到現(xiàn)場(chǎng)開啟機(jī)組，而且日常設(shè)備巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度很大。

5）循環(huán)泵房工藝設(shè)備冷卻水溫度波動(dòng)大。特別在白夜交替和車間工藝設(shè)備變負(fù)荷時(shí)，供應(yīng)循環(huán)冷卻水換熱器的冷凍水流量調(diào)節(jié)不及時(shí)，冷卻水溫度波動(dòng)嚴(yán)重，這不利于設(shè)備工藝的控制，同時(shí)也極大地浪費(fèi)了能源。

2 制冷系統(tǒng)節(jié)能改造原理及方案

針對(duì)該廠中央空調(diào)制冷系統(tǒng)冷卻塔夏季降溫效果差，導(dǎo)致制冷機(jī)效率下降、冷水超溫車間溫濕度控制不達(dá)標(biāo)、手動(dòng)控制操作工勞動(dòng)強(qiáng)度大、控制精度差和能耗高等實(shí)際情況，經(jīng)過反復(fù)論證，決定對(duì)該廠中央空調(diào)制冷系統(tǒng)實(shí)施雙層布水、智能變頻及控制等節(jié)能技術(shù)改造[1]。

2.1 冷卻塔雙層布水改造

原冷卻塔采用單層噴淋，布水不均勻，降溫效果差，依據(jù)均勻布水能增加冷卻塔噴淋水滴的表面積及增大冷卻水散熱效果的原理，將原制冷系統(tǒng)單層布水管道改造為雙層布水，上下層的支管和布水噴頭錯(cuò)開設(shè)置，以提升布水及冷卻效果。

2.2 冷卻塔風(fēng)機(jī)進(jìn)行聯(lián)合變頻改造

安裝冷卻塔能效變頻控制柜，通過監(jiān)測(cè)冷卻水溫度實(shí)行聯(lián)合變頻確保冷卻塔風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行，避免只開冷卻水不開風(fēng)機(jī)造成的系統(tǒng)短路，提高冷卻塔降溫效果。

冷卻塔風(fēng)機(jī)功率百分比和風(fēng)量百分比隨風(fēng)機(jī)頻率變化而變化，風(fēng)量和功率百分比隨頻率變化曲線圖如圖1 所示。由圖1 可看出，風(fēng)機(jī)功率百分比隨頻率上升而增大，同時(shí)風(fēng)量百分比也增大，但兩者不是線性關(guān)系。在頻率為25 ～42 Hz 時(shí)，冷卻塔電機(jī)功率區(qū)間在13%～51%，這時(shí)風(fēng)量可達(dá)到55%～86%，該區(qū)間的平均電風(fēng)比為1:2.218。該區(qū)間兩側(cè)的平均電、風(fēng)比均比此值低。由此得出：頻率為25 ～42 Hz 時(shí)是冷卻塔風(fēng)機(jī)的高效區(qū)。

圖1 風(fēng)量和功率百分比隨頻率變化曲線圖

隨著冷卻塔風(fēng)量的上升，冷卻塔出水溫度下降。在達(dá)到一定風(fēng)量后，即使繼續(xù)增大風(fēng)量，出水溫度也基本不再變化。理論上出水溫度始終不會(huì)低于環(huán)境的濕球溫度。系統(tǒng)據(jù)此找到冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率點(diǎn)。通過對(duì)塔群的控制，將風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率自動(dòng)鎖定在風(fēng)機(jī)高效區(qū)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。冷卻塔風(fēng)量和出水溫度變化曲線如圖2 所示。

依據(jù)上述原理并結(jié)合公司實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了三個(gè)冷卻塔運(yùn)行方案。第一個(gè)方案為3 臺(tái)冷卻塔開啟2 臺(tái)，1 臺(tái)旁通，方案1 運(yùn)行參數(shù)圖如圖3所示。第二個(gè)方案為3臺(tái)冷卻塔開啟2 臺(tái)，1 臺(tái)不旁通，方案2 運(yùn)行參數(shù)圖如圖4所示。第3個(gè)方案為3臺(tái)冷卻塔全開，聯(lián)合變頻控制，方案3運(yùn)行參數(shù)圖如圖5 所示。

在不采用冷卻塔聯(lián)合變頻控制的情況下，消耗的功率是開啟臺(tái)數(shù)的倍數(shù)關(guān)系，冷卻塔的整體利用率低，冷卻水出水溫度較高。

圖2 冷卻塔風(fēng)量和出水溫度變化曲線圖

在聯(lián)合變頻工況下，開啟3 臺(tái)冷卻塔，運(yùn)行功率為1.5 倍單臺(tái)冷卻塔額定功率P0，而出水溫度降低到29 ℃時(shí)比不采用聯(lián)合變頻技術(shù)工況下的出水溫度降低1～2 ℃。方案效果比對(duì)如表2 所示。

圖3 方案1 運(yùn)行參數(shù)圖

圖4 方案2 運(yùn)行參數(shù)圖

圖5 方案3 運(yùn)行參數(shù)圖

2.3 冷卻水泵智能變頻改造

安裝冷卻泵模塊化能效變頻控制柜，對(duì)冷卻泵進(jìn)行控制。冷卻水能效控制柜進(jìn)行自動(dòng)控制，壓力變送器能確保主機(jī)流量需求，并且能夠?qū)崟r(shí)跟蹤機(jī)組因負(fù)荷變化造成的加載、減載與最佳冷凝溫度，另外再參考冷卻塔的實(shí)際冷卻效果和能力，及時(shí)調(diào)整冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，使其揚(yáng)程和流量達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，保持冷卻水系統(tǒng)時(shí)刻處在最佳輸送范圍內(nèi)[1]。

表2 方案效果比對(duì)表

智能型變流量冷卻塔的進(jìn)出水溫差大是冷卻泵節(jié)能運(yùn)行的基礎(chǔ)，冷卻循環(huán)以水為載體來轉(zhuǎn)移熱量，遵循熱量公式：

式（1）中，Q為冷卻水轉(zhuǎn)移的熱量，即冷卻量；C為水的比熱容，常數(shù)；M為冷卻水的流量，由冷卻泵提供；ΔT為冷卻塔的進(jìn)出水溫差。

主機(jī)冷凝器需要被轉(zhuǎn)移的熱量（即：冷卻水需要提供的冷卻量）Q一定時(shí)，若ΔT小，則M需求大，即需要冷卻泵提供的流量多，冷卻泵的能耗大。

普通冷卻塔在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，冷卻水溫差為2～3 ℃，智能型變流量冷卻塔的溫差不低于5 ℃，由于主機(jī)冷凝器需要被轉(zhuǎn)移的熱量相同，二者需要的流量比較計(jì)算如下：

即溫差從3 ℃提到高5 ℃時(shí)，需求的冷卻水流量僅為3 ℃溫差時(shí)的60%。

依據(jù)水泵的特性，流量G，揚(yáng)程H，功率N，轉(zhuǎn)速n，它們之間的關(guān)系是：

M2的流量為M1的60%時(shí)，N2與N1的關(guān)系是：

上式中，M1為普通冷卻塔冷卻量；M2為智能型變流量冷卻塔冷卻量；G1為普通冷卻水泵流量；G2為智能型變流量冷卻水泵流量；n1為普通冷卻水泵轉(zhuǎn)速；n2為智能型變流量冷卻水泵轉(zhuǎn)速；H1為普通冷卻水泵揚(yáng)程，H2為智能型變流量冷卻水泵揚(yáng)程；N1為普通冷卻水泵功率，N2為智能型變流量冷卻水泵功率。

冷卻水溫差從3 ℃提高到5 ℃，水泵的功率只有原來的21.6%，考慮到管道的阻力要求和其它損耗，冷卻泵可實(shí)現(xiàn)60%以上的節(jié)能率。

2.4 冷凍水泵智能變頻改造

傳統(tǒng)意義上，冷凍主機(jī)的回水溫度和出水溫度之差表明了冷凍水從區(qū)間帶走的熱量，溫度或溫差應(yīng)該作為控制的依據(jù)，由于冷凍主機(jī)的出水溫度一般較為穩(wěn)定，因此只需根據(jù)回水溫度進(jìn)行控制即可。

控制方案：以溫度為控制，以溫度信號(hào)為反饋信號(hào)進(jìn)行恒溫控制。對(duì)于冷凍水系統(tǒng)我們采用全閉環(huán)溫度控制。安裝冷凍泵模塊化能效變頻控制柜及壓力變送器，對(duì)冷凍泵進(jìn)行控制。冷凍泵模塊化能效變頻控制柜確保主機(jī)冷凍水流量需求，結(jié)合實(shí)際負(fù)荷與主機(jī)運(yùn)行工作需求，調(diào)整冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，使其揚(yáng)程和流量達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，保持冷凍水系統(tǒng)在最佳輸送系數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行[2]。

2.5 空調(diào)末端送風(fēng)機(jī)組改造

安裝末端風(fēng)機(jī)模塊化能效變頻控制柜，實(shí)現(xiàn)末端送風(fēng)機(jī)組變頻控制，確保車間溫濕度恒溫恒濕。

2.6 循環(huán)泵房冷卻水恒溫控制改造

在循環(huán)泵房冷卻水換熱器的冷凍水管路上安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，信號(hào)轉(zhuǎn)換采用溫差PID 控制，不但能將溫差信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～10 V 的標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)，而且可以方便顯示回水溫度、進(jìn)水溫度和溫差值，通過監(jiān)測(cè)冷卻水溫度對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行PID 控制，達(dá)到實(shí)現(xiàn)冷卻水恒溫控制。

2.7 增加工控機(jī)控制平臺(tái)

將整個(gè)制冷系統(tǒng)全部納入該控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)一站式的監(jiān)控和記錄。通過智能化控制的建設(shè)和升級(jí)，以便更精確地對(duì)運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使空調(diào)系統(tǒng)處于最佳工況運(yùn)行，從而顯著提高中央空調(diào)系統(tǒng)的管理效率，減小能源浪費(fèi)環(huán)節(jié)。

3 節(jié)能效果核算分析

3.1 改造后節(jié)能效果

中央空調(diào)改造后節(jié)能效果情況如表3 所示。

表3 中央空調(diào)改造后節(jié)能效果情況

3.2 效益分析

項(xiàng)目實(shí)施后年總效益=126.08 萬kW·h×0.678 元/kW·h=85.48 萬元。

項(xiàng)目投資主要包括設(shè)備采購費(fèi)和安裝費(fèi)等，總投資額為人民幣366 萬元，項(xiàng)目投資回收期約為52 個(gè)月。

4 結(jié)語

中央空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造提升了冷卻塔降溫效果，提高了制冷機(jī)效率，同時(shí)降低了能源消耗，增加了經(jīng)濟(jì)效益，中央空調(diào)制冷系統(tǒng)改造后比改造前節(jié)能達(dá)30%以上。該系統(tǒng)的操作實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化，減少了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。改造結(jié)果表明，該企業(yè)實(shí)施對(duì)其中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)改造是有效降本增效的一條途徑。