空调系统中冷却塔的节能

摘自《暖通空调》o}"r'vl\$@
江苏特灵电制冷机有限公司 底世涛
7?EF6f7Sl9dwww.topenergy.org1 引言
]]5m+}|-v'_+h节能建筑,生态建筑,可持续建筑,建筑能耗,建筑能源在制冷空调系统中，冷却塔起着非常重要的作用。目前应用较广泛的是湿式（蒸发式）冷却塔。当冷却水通过冷却塔与外界空气进行换热的同时，实际上还进行着质量的交换，因此热量又分为显热和潜热两部分。因此，冷却塔的选择与以下几个因素有关：需冷却的热负荷，冷却的温度范围，接近度，湿球温度。
z8n        Z;r~0T*jQg节能建筑,生态建筑,可持续建筑,建筑能耗,建筑能源2 总体考虑冷却塔出水温度/bsG7IIf.S
2.1 冷却塔出水温度较低-B
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降低冷却塔出水温度，对冷水机组性能提高有益，然而，是否冷却塔出水温度越低越好呢？
VZSoFW7z!jg3q节能建筑,生态建筑,可持续建筑,建筑能耗,建筑能源对于制冷机冷凝压力有一低限，冷凝温度因此也有一个低温限制。对于溴化锂吸收式制冷机，冷凝温度过低，就会造成“冷剂水的污染”，另外可能造成溶液浓度较高，从而引起“溶液结晶”现象发生。对于离心式冷水机组，冷凝温度过低，就有可能造成压缩机“液击”现象。而对于螺杆式冷水机组，就会引起压缩机“失油”和蒸发器“蒸发温度过低”而停机。建筑节能,绿色建筑,节能建筑,生态建筑,可持续建筑,建筑能耗,建筑能源!j:wK5L N
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降低冷却塔出水温度虽然能提高机组的性能，却增加了冷却塔斯社风机和水泵的电能消耗。同时要考虑的是，机组冷凝温度的降低，并不总是导致机组性能的提高。实际上机组的耗电指标随着冷凝压力的进一步降低有升高的趋势。
$U,L7L3q0~,Z lV2.2 冷却塔运行方式比较

KKv.c1Y5{Ca&F/^%Ui机组的负荷是随时间变化的，冷却塔的性能受外界空气的湿度条件与制冷机组的冷却负荷影响。因此，在设计条件下运行冷却塔，不是最经济的。另外一种方式是将冷却水出塔温度控制点设定为空气湿球温度加上2.8摄氏度，这种方式同样不是最经济的，原因同上。因此，存在冷却塔出水温度最佳控制点，该点应在设计点和最冷点之间，使得制冷机组与冷却塔风机总耗电量最小。节能建筑,生态建筑,可持续建筑,建筑能耗,建筑能源,wL3Y{6s?v
3 结束语
9a'V#Z:`a xU@对于空调用户而言，所耗电量为制冷机组、冷却塔、水泵等系统各部分耗电量的总和。
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l目前，制冷机组的性能指标同过去相比，已达到很高的水平，而系统中除机组之外其它部分的耗能亦占有相当大的比例，所以不能仅仅注重制冷机组的耗能而忽视了空调系统其它设备的节能。

建筑能耗，国内外习惯上理解为使用能耗，即建筑物使用过程中用于供暖、通风、空调、照明、家用电器、输送、动力、烹饪、给排水和热水供应等的能耗。在发达国家,建筑能耗约占总能耗的30%—40%。这一比例的高低，反映了一个国家的经济发展和人民生活水平。上海是国内经济发展水平最高的地区之一，建筑能耗约为总能耗的13.2%。随着我国的经济腾飞和气候变化,这一比例正不断攀升。f!WjY
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Uqdu*PvwE4|    在公共和民用建筑中空调总耗电量占建筑能耗的40%—50%。空调水系统的能耗约占空调总耗电量的15%—20%。空调水系统的节能运行是空调节能的重要方面。本文就空调冷却水系统的节能运行作一些探讨。
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L+r*bA Lwww.topenergy.org    一、空调设计、设备选择对空调冷却水系统的变流量节能运行的可行性 k%a        d;my'Pi{


THy v"Coj0H|4Cwww.topenergy.org   1、空调负荷的变化特性
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1QKs9~%U$iTopEnergy建筑节能&绿色建筑论坛    公共和民用建筑空调系统的负荷主要来自围护结构传热(包括太阳辐射)和新风负荷。空调系统负荷是随室外气象条件而变化的，而空调设计、设备选择是按最不利工况进行的。
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    据对上海地区某宾馆夏季实测的空调负荷变化看(全年总运行时数4680h)，该宾馆配置有2台制冷量为2286KW的冷水机组，夏季空调最大负荷为2970KW，夏季空调最大冷负荷仅为设备容量的65%。建筑节能,绿色建筑,节能建筑,生态建筑,可持续建筑,建筑能耗,建筑能源^ ^s0m$N
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    此外还对杭州地区某宾馆夏季实测的空调负荷变化进行了调查(全年总运行时数4560h)，该宾馆配置有2台制冷量为1758KW的冷水机组，夏季空调最大负荷为2162KW，空调最大冷负荷仅为设备容量的62%。从以上数据可看出，上海的宾馆全年有96%的时间是在设计负荷的80%以下运行。杭州的宾馆全年有77%的时间是在设计负荷的60%以下运行。R`;IK)G#e*j
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    2、冷水机组冷却水系统变流量运行的可能性
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6fslhd'm节能建筑,生态建筑,可持续建筑,建筑能耗,建筑能源    随着控制技术的发展，不同类型的冷水机组都有较完善的自动控制调节装置，能随负荷变化自动调节运行状况，保持高效率运行。对于溴化锂吸收式冷水机组，可以根据负荷变化自动调节供给的蒸汽量(或燃油量)，同时溶液泵采用变频控制，自动调节溶液循环量。对于该机组国内某空调公司已进行冷却水变流量试验，并在其样本中建议采用变频控制；对于离心式冷水机组，当负荷发生变化时可通过进口导叶调节或变频调速调节，改变吸入的气体量，使制冷量在15%—100%间作无级调节。电子控制系统采用精密的集成电路控制器，能在不同负荷范围内根据冷水温度传感器的信号进行调节，以满足系统不同要求；对于螺杆式冷水机组，当负荷发生变化时可以通过滑阀在机体内轴向移动，改变螺杆有效长度，从而改变吸入的气体量，使制冷量在10%—100%间连续调节。比例微积分控制方法可保持冷却水的温度，控制稳定和高效率。
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cP"h&TN&V节能建筑,生态建筑,可持续建筑,建筑能耗,建筑能源    从上述分析可以看出，进入蒸发器的冷媒流量是随负荷下降而改变的。如果冷水机组的冷却水流量也随负荷按比例变化，在设备运行上是可行的。综上所述，对冷水机组的冷却水系统进行变流量运行是完全可行的。由于冷却水量要比冷水流量大20%—30%，其节能效果会更加显著。jQT gAy!f%[
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!k6`Wz7YVW3@z节能建筑,生态建筑,可持续建筑,建筑能耗,建筑能源    二、冷却水系统节能运行方法    考虑到当前设备的供应情况及控制系统的性能，可以得出下面两种可行的冷却水系统节能方法。    首先是冷却水泵变速驱动，取消调节阀，使水泵特性与管路特性更好地匹配。目前工程中常采用加调节阀方法来调节冷却水系统的工作点。在水泵的选择计算中，流量附加系数取1.1—1.2，压力附加系数取1.1—1.2，再加上调节阀本身的局部阻力以及管路阻力与水泵特性的配合差别，将导致系统运行时调节阀上的压力降达到环路总压力的20%以上。如采用变频调速水泵代替调节阀，冷却水泵耗能将节约20%以上。节能建筑,生态建筑,可持续建筑,建筑能耗,建筑能源YI.ovc1O(f&P1s Jt+v

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l    其次是根据冷水机组冷凝器的冷却需求，调节冷却水流量，使系统在部分负荷工况下运行时，减少冷却水传输耗能。冷水机组在部分负荷工作情况下，冷凝器所需换热量减少，如维持冷却水进出冷凝器的温差不变，则可以减少冷却水流量，即可大幅减少冷却水的能耗。由于冷却水量的减少对冷凝器的换热有影响，故不能过多地减少冷却水量。节能建筑,生态建筑,可持续建筑,建筑能耗,建筑能源*MNu _;t F(V

%?"Yu9{0`%Ba pq    在上述两种方式的基础上，再辅以冷却塔风机的通断控制，能进一步减少冷却水系统的耗能。当负荷进一步减少，低于额定值的75%时，由于不能继续减少冷却水流量，以免影响冷水机组的运行，可以采用通断方式或变速驱动方式控制冷却塔风机的运行，进一步减少冷却水系统的能耗。
} b%q`9]c#v:k        Vg建筑节能,绿色建筑,节能建筑,生态建筑,可持续建筑,建筑能耗,建筑能源节能建筑,生态建筑,可持续建筑,建筑能耗,建筑能源)Sy+Z*h^
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    三、冷却水系统节能计算 L i:Is4tX.ls;Y
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    根据前面的分析，杭州地区夏季某宾馆中冷水机组为采用R134a制冷剂的离心式机组，额定制冷量1759KW，冷却水流量380m3/h，2台；冷却塔型号为IBCM-400，风机电机功率15KW，2台。设计工况下，冷凝器水阻力76kPa，冷却塔提升高度和喷射压力56kpa，直管段阻力35kPa，局部阻力85kPa，调节用截止阀局部阻力45kPa，计297kPa。选择冷却水水泵时的流量为400m3/h，压力328kPa，选择水泵型号为ISG200-315(I)，配用电机功率55kw。冷却水系统总装机容量140KW。根据上述结果，即可得出冷却水系统采用调节阀调节和采用变频器调节时水泵轴功率和冷却塔风机功率消耗与冷水机组负荷率之间的静态关系。设系统一个制冷季工作4560h。经对冷却水系统耗能进行计算，采用调节阀调节时同时引入台数控制，并手动控制冷却塔风机，变频调节时自动控制水泵运行台数和风机启停。计算结果是平均每小时节电36.7kwh。空调冷却水系统的节能运行系统造价约人民币25万元，按商业用电1元kWh计算,若空调系统每天运行12小时，投资回收期为19.16个运行月。若每天运行24小时,则回收期为9.58个运行月。        ?\6?)b(i$W&b
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    冷却水系统能耗是空调系统总能耗的重要组成部分之一。采用截止阀对冷却水流量进行调节将导致能量无谓的浪费，在部分负荷时固定冷却水流量以及不对冷却塔风机电机进行控制也将浪费大量电能。如采用微机控制技术和变频调速技术对冷却水系统进行控制节能效果约为30%，具有显著的节能效益。特别对于宾馆、饭店、商场等工作期较长的集中空调系统以及南方地区空调运行期长的其他建筑物空调系统，采用空调冷却水系统的节能运行系统的投资回收期一般在1—2年，具有非常显著的经济效益。
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~ h"k&n3~X3B9l    综上所述，空调系统的冷负荷是随室外气象条件而变化的，空调系统的设计及设备选型是按最不利工况进行的。根据空调负荷变化对空调冷却水系统进行节能控制，对于空调节能具有十分重要的意义。随着控制技术发展，不同类型冷水机组都配置有完善的控制装置，能根据负荷变化自动调节蒸发器和冷凝器中冷媒循环流量，为空调冷却水系统的变流量运行提供了基本条件。通过水泵的变频调速控制, 空调冷却水系统采用变流量运行具有很大的节能潜力，变频器投资在1—2年内即可回收。空调冷却水系统采用变流量运行后，其运行特性也将发生改变。对此需要进行后续的分析讨论。每一项新技术都有它的适用范围和局限性, 空调冷却水系统的流量控制同样有它的适用条件。应结合不同的工程，提出相应的控制措施，使其发挥最佳的运行效果。