變流量冷卻技術(shù)在高效中央空調(diào)機(jī)房系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用研究

黎志峰

（廣州海源機(jī)電安裝有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

高效的中央空調(diào)機(jī)房系統(tǒng)建設(shè)是目前較為常見的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造方式。建設(shè)高效的中央空調(diào)機(jī)房，通過對(duì)空調(diào)主機(jī)、水泵等能耗較高的核心設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，采用能效更高的節(jié)能產(chǎn)品來替換高耗能設(shè)備。通過科學(xué)優(yōu)化監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)的運(yùn)行，有效降低中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

變流量冷卻技術(shù)作為高效中央空調(diào)機(jī)房建設(shè)中的一項(xiàng)技術(shù)，研究對(duì)象是一直被行業(yè)所忽視的冷卻水系統(tǒng)。一直以來，在高效中央空調(diào)機(jī)房系統(tǒng)建設(shè)過程中，往往把關(guān)注的重點(diǎn)放在冷水機(jī)組、冷凍水系統(tǒng)及系統(tǒng)與末端系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，如冷凍水系統(tǒng)的變流量控制、冷凍水系統(tǒng)的精準(zhǔn)監(jiān)控、高效節(jié)能的冷水機(jī)組、更高效的冷凍水與末端聯(lián)動(dòng)控制等，并沒有深入挖掘冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能潛力。為了滿足社會(huì)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的節(jié)能要求，在高效中央空調(diào)機(jī)房建設(shè)過程中，應(yīng)將目光投向中央空調(diào)機(jī)房的各個(gè)系統(tǒng)，通過對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化及搭配，實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)房的最大化節(jié)能。因此，冷卻水系統(tǒng)更應(yīng)得到重視，從而挖掘出更多的可能性。

1 變流量冷卻技術(shù)節(jié)能原理分析

以往出于項(xiàng)目投資的考慮，中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)多采用定流量設(shè)計(jì)，即水泵采用定頻泵。冷卻塔使用的是傳統(tǒng)單機(jī)對(duì)單塔的運(yùn)行方式，即一臺(tái)冷水機(jī)組對(duì)應(yīng)一臺(tái)冷卻塔。控制方式多使用臺(tái)數(shù)控制，即中央空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行負(fù)荷來確定開啟的冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)，同時(shí)開啟對(duì)應(yīng)數(shù)量的冷卻塔及冷卻水泵（見圖1）。上述的冷卻水系統(tǒng)僅能通過控制冷卻塔的臺(tái)數(shù)來適應(yīng)空調(diào)負(fù)荷的變化，節(jié)能效果相對(duì)較差。

隨著人們對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)能耗的關(guān)注度越來越高，更多針對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的新技術(shù)噴涌而出。變流量冷卻技術(shù)也運(yùn)用到實(shí)際項(xiàng)目中，取得很好的節(jié)能效果，并為中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造提供技術(shù)保障。

變流量冷卻技術(shù)是一項(xiàng)在不同的環(huán)境溫度、不同的負(fù)荷條件下，通過改變冷卻水系統(tǒng)的流量來實(shí)現(xiàn)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的技術(shù)（見圖2）。變流量冷卻技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了“風(fēng)水聯(lián)動(dòng)”。變流量冷卻技術(shù)包括冷卻塔的風(fēng)量可變，即冷卻塔使用的風(fēng)機(jī)是可調(diào)速的變頻風(fēng)機(jī)，能根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需求來調(diào)整冷卻塔風(fēng)量。變流量技術(shù)也包括冷卻水系統(tǒng)的流量可變，冷卻水輸送系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)荷的變化來調(diào)節(jié)冷卻水的流量［1］。

圖 冷卻塔臺(tái)數(shù)控制

圖2 冷卻水塔變風(fēng)量控制

變流量冷卻技術(shù)是通過冷卻塔的變風(fēng)量運(yùn)行來降低冷卻塔的運(yùn)行功率，從而降低能耗。變流量冷卻技術(shù)改變了以往冷卻塔與冷水機(jī)組一一對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)邏輯。冷卻塔根據(jù)運(yùn)行負(fù)荷的變化，實(shí)行變風(fēng)量控制，多臺(tái)冷卻塔低頻率運(yùn)行，在增大冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量及冷卻塔的換熱面積，改善換熱效果的同時(shí)，冷卻塔風(fēng)機(jī)還能實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行噪音明顯下降。雖然是多臺(tái)冷卻塔同時(shí)運(yùn)行，但由于冷卻塔處于低頻率運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，總體運(yùn)行功率更低，能耗更小。在更低的冷凝溫度下，可減少系統(tǒng)的冷卻水流量，配套使用變頻冷卻水泵，來實(shí)現(xiàn)變冷卻水流量運(yùn)行。在同樣的揚(yáng)程下，更低的冷卻水流量能有效降低冷卻水泵的運(yùn)行功率，從而實(shí)現(xiàn)系冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能。隨著冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量及冷卻塔的換熱面積的增大，系統(tǒng)的冷凝溫度有所降低，冷水主機(jī)的運(yùn)行效率更高［2］。根據(jù)國(guó)內(nèi)主流品牌的螺桿機(jī)、離心機(jī)冷水機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，機(jī)組的主機(jī)冷凝溫度降低2 ℃，冷水機(jī)組的運(yùn)行效率可提升6%以上。

2 變流量冷卻技術(shù)節(jié)能的技術(shù)核心

對(duì)變流量冷卻技術(shù)節(jié)能原理進(jìn)行分析后可知，在中央空調(diào)系統(tǒng)中采用變流量冷卻技術(shù)的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是采用變頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷時(shí)設(shè)備運(yùn)行功率的下降，主要為冷卻水泵、冷卻塔（注：此處暫忽略變頻冷水機(jī)組的節(jié)能影響）。二是采用變流量冷卻技術(shù)使冷水機(jī)組的冷凝溫度下降，從而使冷水機(jī)組的運(yùn)行效率提升，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。

從節(jié)能效果的貢獻(xiàn)程度來分析，因冷水機(jī)組冷凝溫度下降而達(dá)到的節(jié)能效果要大于變頻技術(shù)運(yùn)用使設(shè)備運(yùn)行功率下降來實(shí)現(xiàn)的節(jié)能效果［3］。通過空調(diào)制冷原理圖（P-H 圖）來分析如何通過降低冷水機(jī)組的冷凝溫度來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行效率的提升（見圖3）。

圖 空調(diào)制冷原理圖

單位容積制冷量qv的計(jì)算公式見式（1）。

比容積功增加w0v的計(jì)算公式見式（2）。

制冷系數(shù)ε的計(jì)算公式見式（3）。

式中：h1為與吸氣狀態(tài)對(duì)應(yīng)的比焓值，kJ/kg；h2為壓縮機(jī)排氣狀態(tài)制冷劑的比焓值，kJ/kg；h3為冷凝壓力對(duì)應(yīng)的飽和液狀態(tài)所具有的比焓值，kJ/kg；h4為節(jié)流后濕蒸汽對(duì)應(yīng)的比焓值，kJ/kg；v1為制冷劑在吸氣狀態(tài)時(shí)的比體積，m3/kg；w0為理論比功，kJ/kg。

當(dāng)系統(tǒng)的冷凝溫度升高時(shí)，冷水機(jī)組的制冷系數(shù)（ε）會(huì)快速減小，能耗也會(huì)隨之增加。反之，當(dāng)系統(tǒng)的冷凝溫度降低時(shí)，冷水機(jī)組的制冷系數(shù)（ε）會(huì)快速增加，能耗也會(huì)隨之降低。

根據(jù)以上計(jì)算分析可知，降低冷水機(jī)組的冷凝溫度能有效提升冷水機(jī)組的制冷系數(shù)，然而冷水機(jī)組的冷凝溫度不能無限度降低。中央空調(diào)冷凝器是通過冷卻塔進(jìn)行換熱的，而冷卻塔與冷水機(jī)組是通過冷卻水循環(huán)來實(shí)現(xiàn)換熱的，也就是說冷水機(jī)組冷凝溫度的下限值跟冷卻水進(jìn)水溫度（冷卻塔出水溫度）有關(guān)。通過冷卻水與大氣換熱，從而使冷卻水降溫，冷卻水出水溫度的極限值為大氣的濕球溫度值，冷卻塔出水溫度越接近大氣的濕球溫度，則冷卻水系統(tǒng)的換熱效果越好，系統(tǒng)的冷凝溫度也越低。一般情況下，冷卻塔的出水溫度與大氣濕球溫度的差值稱為逼近度。逼近度越小，冷水機(jī)組的冷凝溫度就越低，冷水機(jī)組的效率就越高。

3 變流量冷卻系統(tǒng)的技術(shù)要求

變流量冷卻技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備包括冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷卻塔等，而要實(shí)現(xiàn)變流量冷卻技術(shù)節(jié)能效果則是通過“冷卻系統(tǒng)的風(fēng)水聯(lián)動(dòng)”。

水方面主要是指冷卻水的變流量運(yùn)行，冷卻水變流量運(yùn)行主要通過變頻冷卻水泵來實(shí)現(xiàn)。一方面，要求冷水機(jī)組能在不同的冷卻水流量下能正常運(yùn)行。市場(chǎng)上主流品牌的冷水機(jī)組基本上都能實(shí)現(xiàn)冷卻水在額定流量的40%～120%范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。另一方面，要求冷卻塔要在低冷卻水流量時(shí)，仍能均勻布水，使冷卻水能充分換熱，從而實(shí)現(xiàn)降低冷卻塔出水溫度的目的。相對(duì)于冷水機(jī)組的變流量運(yùn)行這一成熟技術(shù)來說，冷卻塔在低冷卻水流量下均勻布水看似簡(jiǎn)單，實(shí)則技術(shù)難度不低。一般的冷卻塔均為定流量設(shè)計(jì)，在流量降低時(shí)無法做到布水均勻。冷卻塔在低水量時(shí)，非變流量冷卻塔布水不均會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)大量的換熱面積，同時(shí)空氣也會(huì)在沒有水的位置發(fā)生短路，導(dǎo)致看似是低負(fù)荷且變流量運(yùn)行，但因換熱效果不佳，無法降低系統(tǒng)的冷凝溫度，系統(tǒng)的能效并沒有得到改善。因此，對(duì)采用變流量冷卻技術(shù)的冷卻塔，要求冷卻水在只有原設(shè)計(jì)30%時(shí)仍能布水均勻，從而能有效降低出水溫度。這就要求冷卻塔具有冷卻水自動(dòng)平衡功能，從而解決冷卻塔水流量不均的難題。通過流量平衡調(diào)控系統(tǒng)，核算出每臺(tái)開啟的冷卻塔應(yīng)承擔(dān)的水量，平均分配給對(duì)應(yīng)的冷卻塔，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡。具備冷卻水自動(dòng)平衡功能，是實(shí)現(xiàn)“冷卻系統(tǒng)風(fēng)水聯(lián)動(dòng)”的關(guān)鍵因素之一。

風(fēng)方面主要是冷卻塔的變風(fēng)量運(yùn)行，通過變頻風(fēng)機(jī)輔以合理的控制邏輯，在部分負(fù)荷條件下，摒棄過往定頻冷卻塔的臺(tái)數(shù)控制方式［4］，改為低風(fēng)量多臺(tái)冷卻塔低頻運(yùn)行模式，充分利用冷卻塔系統(tǒng)的換熱面積，降低冷卻塔的運(yùn)行功率。要求冷卻塔能夠自動(dòng)適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境，根據(jù)不同的負(fù)荷、冷卻水流量等參數(shù)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的風(fēng)量，優(yōu)化系統(tǒng)換熱，從而實(shí)現(xiàn)“冷卻系統(tǒng)的風(fēng)水聯(lián)動(dòng)”。

綜上所述，盡管在變流量冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)節(jié)能中，貢獻(xiàn)最大的是冷水機(jī)組，其次是冷卻水泵，最后是冷卻塔，但要想真正實(shí)現(xiàn)變流量冷卻系統(tǒng)節(jié)能效果的技術(shù)難點(diǎn)卻是冷卻塔。為實(shí)現(xiàn)變流量冷卻技術(shù)既定的節(jié)能期望，選用的冷卻塔必須具備以下功能。①具有冷卻水自動(dòng)平衡功能。確保在低冷卻水流量下冷卻塔能均勻布水，且要核算出開啟的每臺(tái)冷卻塔應(yīng)承擔(dān)的水量，平均分配給對(duì)應(yīng)的冷卻塔，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡。②能自動(dòng)適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境，可根據(jù)不同的負(fù)荷、冷卻水流量等調(diào)節(jié)系統(tǒng)的風(fēng)量，優(yōu)化系統(tǒng)換熱。

4 變流量冷卻技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用方案

變流量冷卻技術(shù)能有效提升中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能效果，具有較高的推廣價(jià)值。然而，一項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用通常會(huì)造成項(xiàng)目投資費(fèi)用的增加。根據(jù)項(xiàng)目投資的不同，變流量冷卻技術(shù)的應(yīng)用方案有以下3種。

4.1 變頻式冷水機(jī)組+變頻冷卻水泵+變風(fēng)量冷卻塔+控制系統(tǒng)

該方案適合預(yù)算充足，且對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)能效有很高要求的項(xiàng)目。就冷卻水系統(tǒng)而言，該方案在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，能最大限度地發(fā)掘冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能潛力，是變流量冷卻技術(shù)真正意義上的“風(fēng)水聯(lián)動(dòng)”。該類型項(xiàng)目一般配合使用冷凍水變流量控制及先進(jìn)的群控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能。該類型項(xiàng)目的缺點(diǎn)是項(xiàng)目投資費(fèi)用高，盡管節(jié)能效果好，但還要充分考慮項(xiàng)目的投資回收期。

4.2 定頻式冷水機(jī)組+變頻冷卻水泵+變風(fēng)量冷卻塔+控制系統(tǒng)

該方案適合預(yù)算充足，且對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)能效有較高要求的項(xiàng)目。就冷卻水系統(tǒng)而言，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，該方案能較大限度發(fā)掘冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能潛力，從而實(shí)現(xiàn)變流量冷卻技術(shù)的“風(fēng)水聯(lián)動(dòng)”。冷卻水系統(tǒng)和群控系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行搭配，也能較好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。在容量較大、設(shè)備臺(tái)數(shù)較多的系統(tǒng)中，可僅采用變流量冷卻技術(shù)就能得到較好的節(jié)能效果。根據(jù)項(xiàng)目的投資預(yù)算，該方案可搭配不同形式的冷凍水系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，從而得到不同的節(jié)能效果。

4.3 定頻式冷水機(jī)組+定頻冷卻水泵+變風(fēng)量冷卻塔+控制系統(tǒng)

該方案比較適合系統(tǒng)較大，具有多臺(tái)冷卻塔的中大型中央空調(diào)系統(tǒng)的改造項(xiàng)目。通過對(duì)冷卻塔的更換，輔以變風(fēng)量控制，能較好地降低部分負(fù)荷時(shí)空調(diào)系統(tǒng)的冷凝溫度，在提高冷水機(jī)組運(yùn)行效率的同時(shí)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的節(jié)能性。項(xiàng)目要求使用具有變風(fēng)量功能的冷卻塔，配合簡(jiǎn)單的冷卻塔風(fēng)冷控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)目具有投資小、改造難度低、效果較好的優(yōu)點(diǎn)。特別適合冬暖夏熱的地區(qū)和全年空調(diào)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的地區(qū)，具有較高的推廣價(jià)值。

5 變流量冷卻技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果分析

5.1 廣東省人民政府大院5 號(hào)樓中央空調(diào)機(jī)房主要設(shè)備及管道改造項(xiàng)目

該項(xiàng)目為高效機(jī)房改造工程，項(xiàng)目于2017 年實(shí)測(cè)綜合EER 值為5.31，獲得清華大學(xué)建筑節(jié)能中心頒發(fā)的“公共建筑節(jié)能最佳實(shí)踐案例”獎(jiǎng)。該項(xiàng)目采用變流量冷卻技術(shù)，設(shè)備配置為變頻螺桿式冷水機(jī)組、變頻水泵、變風(fēng)量冷卻塔。該項(xiàng)目在夏季高負(fù)荷期間，冷卻塔進(jìn)出口溫度實(shí)測(cè)為35.2/29.8 ℃，大氣濕球溫度為27.7 ℃，冷卻塔出口溫度與大氣濕球溫度差值為2.1 ℃，比設(shè)計(jì)差值4.3 ℃降低了2.2 ℃，冷水機(jī)組的實(shí)測(cè)效率提升了7%。

5.2 廣州地鐵某站冷卻系統(tǒng)改造項(xiàng)目

該項(xiàng)目屬冷卻水系統(tǒng)的改造工程項(xiàng)目。該項(xiàng)目采用的是變頻冷卻水泵及變風(fēng)量冷卻塔來替換原系統(tǒng)定頻冷卻水泵及普通冷卻塔。從監(jiān)控室讀取的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)日大氣濕球溫度為27.7 ℃；冷卻塔進(jìn)出水溫度為35.2/29.8 ℃，冷卻水進(jìn)出水溫差為5.4 ℃；冷卻水逼近度為2.1 ℃（冷卻塔出水溫度29.8 ℃-當(dāng)日大氣濕球溫度27.7 ℃）；原系統(tǒng)設(shè)計(jì)冷卻水逼近度為4.3 ℃（冷卻塔出水溫度32 ℃-當(dāng)日大氣濕球溫度27.7 ℃）。改造后的冷卻水系統(tǒng)的逼近溫度比系統(tǒng)原設(shè)計(jì)的逼近度降低了2.2 ℃，冷水機(jī)組節(jié)能實(shí)測(cè)超過6.5%。

5.3 廣州白天鵝賓館空調(diào)項(xiàng)目

該項(xiàng)目采用變流量冷卻技術(shù)。2015 年9 月29日16 時(shí)，該項(xiàng)目所在地的實(shí)時(shí)大氣濕球溫度為25.4 ℃，冷卻塔進(jìn)出水溫度為32.9/27.9 ℃，逼近度為2.5 ℃（冷卻塔出水溫度27.9 ℃-當(dāng)日大氣濕球溫度25.4 ℃），實(shí)時(shí)機(jī)房能效比為5.87。2016年11月8 日12 時(shí)，當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)大氣濕球溫度為19 ℃，冷卻塔進(jìn)出水溫度為26.2/21 ℃，逼近度為2 ℃（冷卻塔出水溫度21 ℃-當(dāng)日大氣濕球溫度19 ℃），實(shí)時(shí)機(jī)房能效比為6.44（以上數(shù)據(jù)收集自項(xiàng)目節(jié)能檢測(cè)系統(tǒng)）。

通過以上3 個(gè)項(xiàng)目實(shí)例可知，降低冷卻塔出水溫度與大氣濕球溫度的逼近度，能有效提高中央空調(diào)系統(tǒng)的能效比，從而提高系統(tǒng)的節(jié)能效果。而變流量冷卻技術(shù)的核心目標(biāo)正是降低空調(diào)系統(tǒng)的冷凝溫度。通過對(duì)冷卻水系統(tǒng)的“風(fēng)水聯(lián)動(dòng)”，從而降低冷卻塔出水溫度（冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)水溫度），使其盡可能地逼近大氣濕球溫度，從而優(yōu)化系統(tǒng)的能效比。同時(shí)，從以上項(xiàng)目實(shí)例中可以發(fā)現(xiàn)，變流量冷卻技術(shù)在過渡季節(jié)的節(jié)能效果更加突出。以往在過渡季節(jié)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)過渡季節(jié)供冷，盡管實(shí)際空調(diào)冷負(fù)荷不高，可中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗卻不會(huì)有較大的降低。如果把變流量冷卻技術(shù)運(yùn)用到中央空調(diào)系統(tǒng)中，能有效提高中央空調(diào)機(jī)房的能效比，從而達(dá)到更好的節(jié)能效果。

6 結(jié)語

冷卻水系統(tǒng)因技術(shù)簡(jiǎn)單、設(shè)備造價(jià)低，一直被業(yè)內(nèi)人員忽視。通過項(xiàng)目實(shí)際改造案例分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀的冷卻水系統(tǒng)能為整個(gè)空調(diào)機(jī)房系統(tǒng)的性能優(yōu)化帶來巨大幫助，且具有投資少、效果優(yōu)、回報(bào)快的優(yōu)點(diǎn)。因此，變流量冷卻技術(shù)在中央空調(diào)節(jié)能改造項(xiàng)目中具有較高的推廣價(jià)值，也為中央空調(diào)節(jié)能改造提供一種新的技術(shù)選擇。隨著社會(huì)發(fā)展，未來社會(huì)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能要求會(huì)進(jìn)一步提高，變流量冷卻技術(shù)必將運(yùn)用到更多的實(shí)際項(xiàng)目中。