淺談空調(diào)冷卻水系統(tǒng)運行管理要點與節(jié)能措施

田家樂

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

0 引言

建筑能耗在總體能耗中所占比例非常大，而空調(diào)系統(tǒng)能耗在建筑能耗中又占比50%以上。因此，如何在空調(diào)系統(tǒng)中提高能源利用效率，充分利用能源、減小能源消耗成為當(dāng)今一項重要課題?？照{(diào)冷卻水系統(tǒng)能耗在空調(diào)系統(tǒng)能耗中占15%～20%[1]，因此通過提高空調(diào)冷卻水系統(tǒng)運行管理精細(xì)度和一些節(jié)能措施的應(yīng)用，節(jié)能效果也是比較可觀的。而且空調(diào)冷卻水系統(tǒng)承擔(dān)著制冷系統(tǒng)中冷水機組冷凝器冷凝熱的運輸排放工作，其運行效果直接關(guān)系到冷水機組的安全平穩(wěn)運行以及空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果。因此，通過加強冷卻水系統(tǒng)的日常運行管理，完善系統(tǒng)運行狀態(tài)，無論是對空調(diào)系統(tǒng)的正常運行還是降低系統(tǒng)能耗，都具有重要意義。

1 冷卻水水質(zhì)控制

1.1 冷卻水水質(zhì)帶來的問題

作為冷卻水系統(tǒng)的換熱介質(zhì)，冷卻水水質(zhì)直接關(guān)系冷卻水系統(tǒng)各設(shè)備設(shè)施的正常運行。目前，空調(diào)系統(tǒng)冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)一般參考《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范（GB/T 50050—2017）》。某公司冷凍站冷卻水補水一般采用自備井水，其中的鈣鹽類離子濃度較高，未經(jīng)處理的地下水在系統(tǒng)中隨著長時間的運行，因為與空氣的接觸以及水的蒸發(fā)，導(dǎo)致水中溶解氧含量近乎飽和，鈣離子會在冷卻水管道內(nèi)壁、閥門閥片、冷水機組冷凝器管束內(nèi)壁以及冷卻塔填料上析出結(jié)垢。另外，因為冷卻水系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，空氣中的塵粒、微生物及藻類會隨水流進(jìn)入系統(tǒng)中，而冷卻水溫度一般介于28~37℃，比較適合微生物及藻類的滋生，塵粒、微生物及藻類會附著在冷卻塔的填料以及冷水機組冷凝器管束內(nèi)壁上，在形成污垢的同時，還會對金屬管道產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重影響冷卻塔、冷水機組冷凝器的換熱及冷卻水系統(tǒng)的運行安全。換熱效率下降又將導(dǎo)致冷卻水供水溫度升高，造成冷水機組冷凝溫度升高，機組能效比下降，功耗增加。當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時，冷凝溫度每增加1℃，壓縮機單位制冷量的耗功率約增加3%～4%[2]。過高的冷凝壓力甚至?xí)?dǎo)致冷水機組停機保護(hù)，對整個制冷系統(tǒng)帶來不利影響。

1.2 控制冷卻水水質(zhì)的措施

目前冷卻水水質(zhì)的控制措施有物理水處理法和化學(xué)水處理法。

物理水處理法主要采用內(nèi)磁型水處理器或電子型水處理器，將其安裝在冷卻水管道上，通過產(chǎn)生磁場或電場改變水分子的結(jié)構(gòu)，使鈣鎂離子不能與碳酸根結(jié)合形成鹽類析出，并且能夠破壞垢分子的結(jié)合力，改變晶體結(jié)構(gòu)使其自動剝落，從而達(dá)到控制水質(zhì)的目的。水處理器具有使用簡單，不需維護(hù)，空間占用小等優(yōu)點，工程上應(yīng)用比較廣泛。

化學(xué)水處理法主要采用向冷卻水系統(tǒng)投加藥物處理。根據(jù)化驗得出的水質(zhì)情況，定期向冷卻水系統(tǒng)投加殺菌滅藻劑、阻垢劑、緩蝕劑、預(yù)膜防腐劑等藥物。自動加藥裝置可以大大降低人工加藥的煩瑣，加藥泵自動以脈沖方式均勻的向冷卻水系統(tǒng)注入藥溶液，系統(tǒng)中的藥劑濃度與人工加藥相比比較均勻，水質(zhì)更加穩(wěn)定。

2 冷卻塔的運行管理

2.1 冷卻塔的運行控制

一般冷水機組與冷卻塔一一對應(yīng)設(shè)置并連鎖運行，通過冷卻塔臺數(shù)控制來滿足不同負(fù)荷的需求。在部分負(fù)荷運行時間里，一部分冷卻塔風(fēng)機不工作。若冷卻塔進(jìn)水管上未設(shè)置閥門或閥門失效，就會造成冷卻水仍會流經(jīng)風(fēng)機不工作的冷卻塔，從而造成未經(jīng)充分降溫的水與經(jīng)過風(fēng)機工作的冷卻塔的出水合流，使進(jìn)入冷水機組冷凝器的冷卻水溫度升高，降低了制冷機組的能效比，增加了制冷機組的電耗，并可能造成冷機冷凝壓力升高而帶來一系列衍生問題。所以，冷卻塔的進(jìn)水管上應(yīng)設(shè)置閥門，并且在運行中應(yīng)及時關(guān)閉風(fēng)機不運行的冷卻塔的進(jìn)水閥門，防止冷卻水短流。

表1 冷卻塔出水溫度限值推薦

表2 部分負(fù)荷工況冷卻水泵變頻節(jié)能率

臺數(shù)控制的運行控制方式除了存在上述問題，還因為冷卻塔風(fēng)機臺數(shù)變化的非連續(xù)性，可能造成冷卻水溫度的突變，影響系統(tǒng)穩(wěn)定及冷機的運行效率，風(fēng)機的頻繁啟停也會影響使用壽命。

隨著電機變頻技術(shù)的發(fā)展，冷卻塔風(fēng)機變頻控制技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。電機功率與轉(zhuǎn)速和頻率之間有如下關(guān)系：

式中：N2、N1-電動機功率；n2、n1-電動機轉(zhuǎn)速；f2、f1-電動機頻率。可見，電動機功率變化隨轉(zhuǎn)速和頻率變化的三次方成正比，隨著頻率的降低，冷卻塔風(fēng)機功率將出現(xiàn)大幅降低。而且該控制技術(shù)可以讓冷水機組與冷卻塔不再一一對應(yīng)啟停，部分負(fù)荷工況下只需調(diào)節(jié)風(fēng)機電機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)更加線性，也可避免因運行管理不當(dāng)或閥門故障導(dǎo)致冷卻水短流的情況。

2.2 冷卻塔的布置及飄水控制

冷卻塔在布設(shè)過程中需要充分考慮換熱條件，最優(yōu)的布置方案是較為空曠的室外場地或屋面上。如果冷卻塔周圍有遮擋，也要保證足夠的進(jìn)風(fēng)面積，開口凈風(fēng)速不大于2m/s。同時，在布置冷卻塔時也要考慮防止冷卻塔排風(fēng)與進(jìn)風(fēng)短路的情況發(fā)生，盡量單排布置。冷卻塔進(jìn)風(fēng)口側(cè)與相鄰建筑物的凈距不小于塔進(jìn)風(fēng)口高度的2 倍，周圍進(jìn)風(fēng)的塔間凈距不小于塔進(jìn)風(fēng)高度的4倍[3]。

冷卻塔在進(jìn)行換熱的過程中，空氣會將一部分水滴帶出冷卻塔，造成冷卻水的飄逸損失，同時對周圍環(huán)境造成影響。因此，在選擇冷卻塔時，應(yīng)嚴(yán)格控制冷卻塔的飄水率，選擇飄水率小于0.01%的冷卻塔。對于現(xiàn)有冷卻塔，為了減少飄逸損失，可以在冷卻塔布水器上部加裝收水器。經(jīng)實踐證明，收水器對冷卻塔飄水損失具有很好的效果。

3 冷卻水管道系統(tǒng)維護(hù)

冬季為了防凍，室外冷卻水管道需要放空。放空后的冷卻水管道因為空氣的侵入，管道內(nèi)壁非常容易生銹，在夏季重新加水運行時，剝落的銹皮及管道內(nèi)的雜質(zhì)將會堵塞冷卻塔噴頭和噴嘴。為避免發(fā)生上述問題，一般在冷卻水管道放空之前對冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行清洗、鈍化，以便在管道內(nèi)壁上形成保護(hù)膜，防止銹蝕的發(fā)生。

4 動態(tài)調(diào)整冷卻塔出水溫度

一般情況下，降低冷卻塔出水溫度，可以提高冷水機組COP，但過低的冷卻水溫，會造成電動壓縮式制冷系統(tǒng)壓縮比下降、運行不穩(wěn)定、潤滑系統(tǒng)運行不良，并出現(xiàn)停機保護(hù)；吸收式冷水機組在冷卻水溫過低的情況下容易出現(xiàn)結(jié)晶事故，造成機組停機保護(hù)。而且冷卻塔出水溫度過低，也造成冷卻塔風(fēng)機超需求運行，浪費了一定的運行能耗，經(jīng)濟性較差。因此，根據(jù)所處地區(qū)特點、天氣變化、冷機負(fù)荷變化，合理調(diào)整冷卻塔出水溫度無論對制冷系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性都有重要意義。一般情況下，冷卻塔出水溫度限值可按表1進(jìn)行確定。

冷卻塔出水溫度的調(diào)節(jié)除了冷卻塔風(fēng)機的臺數(shù)或風(fēng)機變頻控制外，還有冷卻水管道旁通控制和冷卻水泵變頻控制。旁通控制法通過在冷卻水供、回水管道之間設(shè)置旁通管，根據(jù)設(shè)定的冷卻塔出水溫度調(diào)節(jié)旁通閥來調(diào)節(jié)通過冷卻塔的冷卻水流量，從而控制冷卻水的出水溫度。但旁通控制法隨著旁通閥開度的增加，系統(tǒng)的阻力系數(shù)減小，冷卻水泵會出現(xiàn)超流量的情況。而冷卻水泵變頻控制可以實現(xiàn)水泵特性與管道特性更好的匹配。冷卻水泵變頻節(jié)能效果也比較可觀，考慮設(shè)計冗余的情況下，一般的空調(diào)系統(tǒng)冷卻水泵節(jié)能率可在50%以上。表2為某項目部分負(fù)荷條件下冷水機組和冷卻水泵能耗情況。

從表2可以看出，冷卻水泵變頻調(diào)節(jié)在部分負(fù)荷工況下，即使考慮因冷卻水流量的減小帶來的冷水機組效率降低，總體上制冷系統(tǒng)總能耗依然有比較顯著的降低，具有節(jié)能意義。

盡管變頻調(diào)節(jié)可以帶來節(jié)能收益，但冷卻水泵變頻調(diào)節(jié)要考慮冷卻水流量的限值，不能小于冷水機組要求的最小冷卻水量，以保證運行安全。

5 結(jié)語

冷卻水系統(tǒng)是空調(diào)制冷系統(tǒng)重要的組成部分，做好冷卻水系統(tǒng)的運行管理，無論對空調(diào)系統(tǒng)的安全運行還是降低系統(tǒng)能源消耗都具有較大意義。在運行管理過程中重點關(guān)注冷卻水水質(zhì)控制，加強冷卻塔的運行管理，控制冷卻塔飄水率，根據(jù)負(fù)荷情況動態(tài)調(diào)節(jié)冷卻水溫度，對空調(diào)系統(tǒng)的平穩(wěn)經(jīng)濟運行具有較好效果。