中央空調(diào)冷卻塔子系統(tǒng)能耗研究_第1頁
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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)的設計是按全年最不利工況進行設計的,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)生的廢熱的一種設備。其工作的基本原理是:干燥(低燴值)的空氣經(jīng)

2、過風機的抽動后,自進風網(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 14 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機的作用下由底部入風網(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,高濕度高晗值的熱風從頂部抽出,冷卻水滴入底盆內(nèi),經(jīng)出水

3、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,當風機運行時,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)低于或高于水溫無關,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,誘導風量,當?shù)乜諝飧蓾袂驕囟群涂諝庵谢覊m濃度等77采用變風量變水量系統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)化提高制冷機組效率降低冷負荷需求風機臺數(shù)控制溫度控制Part 28溫度控制溫度控制利用熱

4、敏電阻聯(lián)接溫度調(diào)節(jié)器,控制冷卻塔風機電源的通斷。熱負荷變化時,通過熱敏電阻的檢測,發(fā)信號給調(diào)溫計,控制風機的開停。熱負荷低于某種程度,命令風機停止運轉(zhuǎn),熱負荷升高,則再讓風機啟動,從而達到節(jié)能目的。9風機臺數(shù)控制風機臺數(shù)控制風機臺數(shù)的控制:對并聯(lián)配置的冷卻塔而言,風量的調(diào)節(jié)可以通過風機臺數(shù)控制來實現(xiàn),根據(jù)實際需要來確定風機開啟的臺數(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,所以,這兩種顯熱源的熱輻射的降低直接導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

5、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?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采用變風量變水量空調(diào)系統(tǒng)采用變風量變水量空調(diào)系統(tǒng)由于冷卻塔系統(tǒng)的風扇和水泵的能量消耗與設備的轉(zhuǎn)速的三次方成正比,當風扇和水泵的轉(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%,故采用變風量、變水量的空調(diào)系統(tǒng)

6、大量節(jié)約了風扇和水泵的能量。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系兩個主要方面來進行分析。Part 315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。當環(huán)境濕球溫度變化時冷卻塔水泵與風扇的最佳工作點也在相應的發(fā)生變化。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 空氣流量與風扇及水泵的能耗關系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,假設對于部分負荷下的

7、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.從而可以看出相應的空氣流量以及風扇和水泵的能耗。對于相同型號的冷卻塔,風扇在不同環(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)值應該為全負荷的85%,而在濕球溫度為20時則應該為50%。在濕球溫度為20時的最佳能耗工作點應為全負荷的12%。如果在濕球溫度為20時將空氣流量保持在全負荷的85%,則風扇和水泵的能耗則必須被設定為全負荷的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

8、,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風流量與冷卻水流量增加時,風扇與水泵的能耗呈立方的趨勢增長。也就是說風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條件下,在增大風流量的同時,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

9、值變小,從而導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系21冷卻塔系統(tǒng)中各耗能部件間的能耗關系冷卻塔系統(tǒng)中各耗能部件間的能耗關系 在冷卻塔散熱過程中,增大風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 422圖4 不同散熱能力下冷卻水流量和冷卻塔空氣質(zhì)量流量之間的關系23從圖中

10、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,降低空氣流量導致風扇能耗降低,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,但同時導致風扇能耗的升高。由于風扇和水泵的能耗曲線不同,因此,對于一定的散熱量,一定

11、存在一個最優(yōu)的運行工作點,使風扇和冷卻水泵的能耗總和最小。25 其次,當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:當環(huán)境濕球溫度變化,會引起空氣中含濕量的變化,導致冷卻塔的散熱能力隨之變化。當環(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,使風扇和冷卻水泵的能耗總和再次達到最小。當風流量與冷卻水流量增加時

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