中央空調(diào)冷卻塔子系統(tǒng)能耗研究

1、1 中央空調(diào)冷卻塔子系統(tǒng)的能耗研究 2 引言引言 在大型中央空調(diào)系統(tǒng)中，由冷卻塔和冷水機組組成的 空調(diào)水系統(tǒng)的能耗約占整個空調(diào)系統(tǒng)能耗的55%左右，其中 冷卻塔子系統(tǒng)的耗電量占整個系統(tǒng)耗電量的15%左右， 目前的空調(diào)冷卻塔系統(tǒng)的設(shè)計是按全年最不利工況進 行設(shè)計的，如何改善其工作狀況，實現(xiàn)節(jié)能的目的，具有 重要意義。 由于空調(diào)系統(tǒng)大多數(shù)時間內(nèi)處于部分負荷狀況下運行， 如果能根據(jù)負荷在線找出空調(diào)系統(tǒng)的最佳工作點，將大幅 度地降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。 3 冷卻塔系統(tǒng)工作工藝流程冷卻塔系統(tǒng)工作工藝流程 冷卻塔是利用水和空氣的接觸，通過蒸發(fā)作用來散 去工業(yè)上或制冷空調(diào)中產(chǎn)生的廢熱的一種設(shè)備。 其工作的基本原理

2、是:干燥(低燴值)的空氣經(jīng)過風(fēng)機 的抽動后，自進風(fēng)網(wǎng)處進入冷卻塔內(nèi);飽和蒸汽分壓力大的 高溫水分子向壓力低的空氣流動，濕熱(高燴值)的水自播 水系統(tǒng)灑入塔內(nèi)。當(dāng)水滴和空氣接觸時，一方面由于空氣 與水的直接傳熱，另一方面由于水蒸汽表面和空氣之間存 在壓力差，在壓力的作用下產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，將水中的熱量 帶走即蒸發(fā)傳熱，從而達到降溫之目的。 Part 1 4 熱水自主機房通過水泵以一定的壓力經(jīng)過管道、橫 喉、曲喉、中心喉將循環(huán)水壓至冷卻塔的播水系統(tǒng)內(nèi)，通 過播水管上的小孔將水均勻地播灑在填料上面；干燥的低 晗值的空氣在風(fēng)機的作用下由底部入風(fēng)網(wǎng)進入塔內(nèi)，熱水 流經(jīng)填料表面時形成水膜和空氣進行熱交換，高濕

3、度高晗 值的熱風(fēng)從頂部抽出，冷卻水滴入底盆內(nèi)，經(jīng)出水管流入 主機。 5 一般情況下，進入塔內(nèi)的空氣、是干燥低濕球溫度 的空氣，水和空氣之間明顯存在著水分子的濃度差和動能 壓力差，當(dāng)風(fēng)機運行時，在塔內(nèi)靜壓的作用下，水分子不 斷地向空氣中蒸發(fā)，成為水蒸氣分子，剩余的水分子的平 均動能便會降低，從而使循環(huán)水的溫度下降。從以上分析 可以看出，蒸發(fā)降溫與空氣的溫度(通常說的干球溫度)低 于或高于水溫?zé)o關(guān)，只要水分子能不斷地向空氣中蒸發(fā)， 水溫就會降低。 6 影響因素影響因素 冷卻塔冷卻能力的影響因素： 循環(huán)水量，水溫，誘導(dǎo)風(fēng)量，當(dāng)?shù)乜諝飧蓾袂驕囟群涂諝?中灰塵濃度等 7 7 采用變風(fēng)量變水量系統(tǒng) 系統(tǒng)優(yōu)

4、化 提高制冷機組效率 降低冷負荷需求 風(fēng)機臺數(shù)控制 溫度控制 Part 2 8 溫度控制溫度控制 利用熱敏電阻聯(lián)接溫度調(diào)節(jié)器，控制冷卻塔風(fēng)機 電源的通斷。 熱負荷變化時，通過熱敏電阻的檢測，發(fā)信號給 調(diào)溫計，控制風(fēng)機的開停。 熱負荷低于某種程度，命令風(fēng)機停止運轉(zhuǎn)，熱負 荷升高，則再讓風(fēng)機啟動，從而達到節(jié)能目的。 9 風(fēng)機臺數(shù)控制風(fēng)機臺數(shù)控制 風(fēng)機臺數(shù)的控制:對并聯(lián)配置的冷卻塔而 言，風(fēng)量的調(diào)節(jié)可以通過風(fēng)機臺數(shù)控制來 實現(xiàn)，根據(jù)實際需要來確定風(fēng)機開啟的臺數(shù)。 10 降低冷負荷要求降低冷負荷要求 在一個設(shè)計和建造不合理的建筑物中，大約 50%的冷負荷需求來源于太陽的熱輻射和室內(nèi) 的照明光源的熱輻射

5、，所以，這兩種顯熱源 的熱輻射的降低直接導(dǎo)致建筑物冷負荷的降 低，由此節(jié)約整個暖通空調(diào)系統(tǒng)的運行費用。 11 提高制冷機組工作效率提高制冷機組工作效率 提高制冷機組的工作效率，要根據(jù)建筑物的位 置、當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c、建筑物的建筑材料組成、建筑物 的用途來準確計算冷負荷的需求，進而選擇合適的制 冷機組使之運行在最佳的工作效率的工作點上。 12 系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化 系統(tǒng)及其部件的優(yōu)化，在95%以上的運行時 間內(nèi)，冷卻塔乃至整個暖通空調(diào)系統(tǒng)都是運 行在部分負荷條件下，通過改變系統(tǒng)的工作 設(shè)定點使整個系統(tǒng)運行的效率最高，可以極 大地降低系統(tǒng)的能量消耗。 13 采用變風(fēng)量變水量空調(diào)系統(tǒng)采用變風(fēng)量變水量空調(diào)系統(tǒng)

6、 由于冷卻塔系統(tǒng)的風(fēng)扇和水泵的能量 消耗與設(shè)備的轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當(dāng) 風(fēng)扇和水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的80%，它 們的能量消耗僅為額定能耗的50%，故采 用變風(fēng)量、變水量的空調(diào)系統(tǒng)大量節(jié)約了 風(fēng)扇和水泵的能量。 14 冷卻水回路分析冷卻水回路分析 冷卻水回路是在壓縮機和冷卻塔之間進行熱量交換 的。所以在研究冷卻塔優(yōu)化問題中必須由冷卻水回路出發(fā) 進行研究。 下面將分別從濕球溫度的變化和冷卻塔與制冷機能 耗關(guān)系兩個主要方面來進行分析。 Part 3 15 這里所討論的環(huán)境濕球溫度是變量，假定 冷卻塔的熱交換率和冷卻水供水溫度恒定 不變。當(dāng)環(huán)境濕球溫度變化時冷卻塔水泵 與風(fēng)扇的最佳工作點也在相應(yīng)的發(fā)生

7、變化。 濕球溫度對冷卻塔系統(tǒng)運行工作點的影響濕球溫度對冷卻塔系統(tǒng)運行工作點的影響 16 圖1 空氣流量與風(fēng)扇及水泵的能耗關(guān)系 17 這里，為了比較不同濕球溫度(20和25)條件下的最優(yōu)工作 點情況，假設(shè)對于部分負荷下的冷卻塔熱交換率是不變的。圖中用分 別五角星來標示出了各自狀態(tài)下的最優(yōu)工作點.從而可以看出相應(yīng)的空 氣流量以及風(fēng)扇和水泵的能耗。對于相同型號的冷卻塔，風(fēng)扇在不同 環(huán)境濕球溫度下的能耗曲線也是相同的。在冷卻塔熱交換效率不變的 情況下，冷卻水流量隨著風(fēng)流量和戶外溫度的變化而變化。 在濕球溫度為25時空氣流量的最優(yōu)值應(yīng)該為全負荷的85%，而 在濕球溫度為20時則應(yīng)該為50%。在濕球溫度為

8、20時的最佳能耗工 作點應(yīng)為全負荷的12%。如果在濕球溫度為20時將空氣流量保持在全 負荷的85%，則風(fēng)扇和水泵的能耗則必須被設(shè)定為全負荷的19%，由此 可以看出采用最優(yōu)工作點可以節(jié)約大約全負荷7%的能量。所以，在熱 交換率不變的情況下，不同濕球溫度下的優(yōu)化運行工作點是不同的。 18 冷卻水供水溫度對于冷卻水回路的影響冷卻水供水溫度對于冷卻水回路的影響 圖2 制冷機COP與冷卻水供水溫度和制冷量的關(guān)系 19 制冷機與冷卻塔之間的相互影響制冷機與冷卻塔之間的相互影響 當(dāng)風(fēng)流量與冷卻水流量增加時，風(fēng)扇與水泵的能耗呈立方 的趨勢增長。也就是說風(fēng)扇與水泵的能耗與流量的三次方成正比。 在冷卻水流量不變的

9、條件下，在增大風(fēng)流量的同時，冷卻水供水溫 度降低，從而使制冷機能耗降低，而風(fēng)扇則正好相反。 另一方面，冷卻水供水溫度的變化也影響著冷卻塔的冷卻 效率，冷卻水供水溫度的降低對于在負荷一定的條件下，冷卻水回 水溫度也跟著降低。這樣因為在同樣的濕球溫度下空氣與水的燴值 變小，從而導(dǎo)致冷卻塔的冷卻效率變低。所以最優(yōu)工作點一定有且 僅有一個。 20 圖3 制冷機與冷卻塔能耗關(guān)系 21 冷卻塔系統(tǒng)中各耗能部件間的能耗關(guān)系冷卻塔系統(tǒng)中各耗能部件間的能耗關(guān)系 在冷卻塔散熱過程中，增大風(fēng)流量或提高水流 量都可以增加散熱量，也就是說在散熱量一定的情況 下，ma與mw，之間一定有最優(yōu)值，而對于不同的冷卻水 的供水溫

10、度和環(huán)境濕球溫度冷卻塔的散熱效率又不同。 為了說明水流量和空氣流量對冷卻塔特性的影 響，下圖闡述了不同散熱量所測得空氣流量與水流量 之間的關(guān)系，其中R軸表示水流量的百分比，Y軸表示 空氣流量的百分比。 Part 4 22 圖4 不同散熱能力下冷卻水流量和冷卻塔空氣 質(zhì)量流量之間的關(guān)系 23 從圖中可以看出：在區(qū)域(1)和區(qū)域(C3)中曲線 變得比較平緩，在區(qū)域(1)中改變冷卻水的質(zhì)量流量對 冷卻塔的散熱量基本沒有影響； 在區(qū)域(3)中改變空氣的質(zhì)量流量對冷卻塔的散 熱量的影響同樣不大，而在區(qū)域(2)中無論增加空氣質(zhì) 量流量還是增加冷卻水的質(zhì)量流量都會顯著提高冷卻塔 的散熱量； 同理，無論減少空

11、氣質(zhì)量流量還是減少冷卻水的 質(zhì)量流量都會顯著降低冷卻塔的散熱量。 24 在區(qū)域(2)中，降低空氣流量導(dǎo)致風(fēng)扇能耗降低， 為了保證冷卻塔產(chǎn)生足夠的散熱量，水流量不得不升高， 這樣導(dǎo)致水泵能耗的升高； 同樣，降低水流量會使冷卻水泵的能耗降低，但 同時導(dǎo)致風(fēng)扇能耗的升高。由于風(fēng)扇和水泵的能耗曲線 不同，因此，對于一定的散熱量，一定存在一個最優(yōu)的 運行工作點，使風(fēng)扇和冷卻水泵的能耗總和最小。 25 其次，當(dāng)冷卻水的供水溫度和環(huán)境濕球溫度變 化時，我們來討論制冷機與冷卻塔之間的相互影響: 當(dāng)環(huán)境濕球溫度變化，會引起空氣中含濕量的變 化，導(dǎo)致冷卻塔的散熱能力隨之變化。 當(dāng)環(huán)境濕球溫度上升，空氣中含有的濕空氣的比 重就會變大，空氣的燴值隨之增大，空氣的冷卻能力降 低，這必然會引起空氣和冷卻水的質(zhì)流量配合的變化。 例如提高空氣的質(zhì)量流量、降低水的質(zhì)量流量， 或者提高冷卻水的質(zhì)量流量、降低空氣的質(zhì)量流量，如 何調(diào)整空氣和冷卻水的流量配合主要取決于風(fēng)扇和冷卻 水泵的能耗特性。 26 總之，可以找到新的最優(yōu)運行工作點，使風(fēng)扇和 冷卻水泵的能耗總和再次達到最小。 當(dāng)風(fēng)流量與冷卻水流量增加時