冷卻塔能耗管理

1、冷卻塔能耗管理冷卻塔能耗管理王南2016年冷卻塔能效管理 一旦在安裝現(xiàn)場(chǎng)塔的類型確定，如何來節(jié)能？ 水分布系統(tǒng)和水流量均定死了。 正確的塔效率需要保證恒定的流量。除非生產(chǎn)工藝改變了流量。 調(diào)節(jié)塔的容量不能采用改變塔水流量的方法！ 這種方法不但自我限制了水和熱力性能，而且對(duì)塔的能效管理不好的。塔的水力和熱力性能 首先看下水利和熱力性能； 一個(gè)給定大小的噴嘴需要的壓力需求和通過噴嘴的水量平方成正比。 如果水量增加10%，需大約大于21%壓頭維持。 流量下降10%，壓頭下降19%， 先看增加，水利限制很快，很明顯，通過逆流塔壓力的升高，支管末端的噴嘴壓力升高，噴嘴噴嘴系統(tǒng)逆流塔在小流量下運(yùn)行噴嘴效率

2、 如果下降，塔的熱力性能的衰退非常顯著， 水離開噴嘴呈現(xiàn)一個(gè)圓錐形的花樣模式， 噴嘴間隔排列使這些圓錐體重疊，保證水覆蓋整個(gè)填料。 如果壓力掉下來，圓錐就垮下來。噴灑的覆蓋效果就丟了。 介于中間的填料面積就吃不到水了。 這種衰減效應(yīng)，塔的熱能力由于部分填料是干的就跑了。噴嘴效率 又因?yàn)榭諝獾谋拘允窍蛐∽枇μ庛@出去，他們就向這些干的填料間隙中擁擠過去。 哪些剩余濕潤(rùn)表面本來就減少了，加上空氣的減少，效率就更低了。 認(rèn)識(shí)了能效觀點(diǎn)后，冷卻塔風(fēng)機(jī)的貢獻(xiàn)的能耗是水泵壓頭貢獻(xiàn)能耗的4到5倍； 因此冷卻塔通過風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)熱能力比用水泵來調(diào)節(jié)要好很多。能耗管理 冷卻塔通過控風(fēng)來調(diào)節(jié)熱能力是正確的做法！ 讓我們

3、再來看看這種控制的必要性！ 對(duì)冷卻塔能力的過分的要求，降低風(fēng)機(jī)的負(fù)荷。 在能耗上以指數(shù)級(jí)別下降。 有時(shí)候沒有進(jìn)行全局的研究?jī)粜?，而進(jìn)行冷卻塔的調(diào)速。 但是這并不是說冷卻塔的風(fēng)機(jī)控制是沒有根據(jù)的。能耗管理 毫無疑問，正確的應(yīng)用后這是最有利的。 然而，誤用濫用的話，最終會(huì)影響整個(gè)制冷空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗。 物理限制一個(gè)冷卻塔的水分配系統(tǒng)水側(cè)熱力控制，能耗管理 正常流量條件下，壓縮機(jī)耗功和熱負(fù)荷有關(guān)，也和冷卻水溫度有關(guān)。 熱負(fù)荷降低，壓縮機(jī)功率降低。就當(dāng)做線型關(guān)系。 塔水溫度降低，壓縮機(jī)的功率也降低。 塔水水溫每降低1F 壓縮機(jī)功耗降低1% 由于運(yùn)行限制，特性曲線的最大值為20%（85F的塔水溫度設(shè)

4、計(jì)值）期待最低值為65F。約克機(jī)組的實(shí)驗(yàn)性能負(fù)荷百分比(%)制冷量(kW)輸入功率(kW)冷凍水供水溫度冷卻水溫度c冷卻水溫度FCOP214.00 100112021473289.65.234206.49 1011132208.773187.85.424199.41 1021143203.5730865.617192.46 1031154198.372984.25.819185.55 104116519372882.46.036179.24 1051176188.272780.66.249173.10 1061186183.372678.86.470166.92 1071197178.4725

5、776.710160.86 1081208173.572475.26.963155.40 109121816972373.47.207150.00 1101229164.672271.67.467144.63 111123916072169.87.744139.04 1121251155.3720688.055134.01 113126215171966.28.358129.16 1141273146.871864.48.672能耗管理 兩個(gè)因素影響壓縮機(jī)功率：塔水溫度和熱負(fù)荷 熱負(fù)荷是由系統(tǒng)決定的。 那么就基本上不考慮冷卻塔的運(yùn)行了。 當(dāng)環(huán)境溫度降到那個(gè)點(diǎn)。在這個(gè)點(diǎn)冷卻塔的能力能夠生產(chǎn)65F

6、 。而且此時(shí)系統(tǒng)熱負(fù)荷降低到原來2/3，也管不到冷卻塔什么事？能耗管理 負(fù)荷降低給400BHP 的機(jī)器節(jié)約 133BPH，(400*1/3=133.3) 那么塔水溫度降低到65F 貢獻(xiàn)了多少？ =2/3*400*20%=53.3BHP。 在該案例中，一直開冷卻塔的風(fēng)機(jī)導(dǎo)致最大化的功率節(jié)約了53-20=33HP.能耗管理 事實(shí)上，實(shí)際能耗節(jié)約值是時(shí)間的函數(shù)。該能耗節(jié)約值是由于冷卻塔水對(duì)壓縮機(jī)功耗的影響。 結(jié)果表明，壓縮機(jī)功率的消耗的減少值。開始超出風(fēng)機(jī)功率消耗，那個(gè)濕球溫度大致在72F（22）能耗管理 風(fēng)機(jī)定律 當(dāng)熱負(fù)荷變化，環(huán)境溫度變化，如何控制冷卻塔的風(fēng)量維持特定的出水溫度， 1、風(fēng)量和轉(zhuǎn)速

7、成正比； 2、功率和轉(zhuǎn)速的3次方成正比； 3、定轉(zhuǎn)速下功率和空氣密度成正比；能效管理全流量，風(fēng)機(jī)全速濕球溫度風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速-風(fēng)機(jī)功率-塔能力熱負(fù)荷%風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速%恒定流量恒定濕球恒定出水溫度熱負(fù)荷電機(jī)功率風(fēng)機(jī)功率能耗管理 上面風(fēng)機(jī)功率塔熱量圖上基本是線性關(guān)系。 在30%轉(zhuǎn)速以下出現(xiàn)分離點(diǎn)的原因是：當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0時(shí)，塔還存在10-15%的能力。 這個(gè)能力來源于空氣的自然對(duì)流。熱負(fù)荷-濕球-轉(zhuǎn)速圖環(huán)境濕球溫度F恒定水流量恒定出水溫度85F風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速%變化的負(fù)荷100負(fù)荷67負(fù)荷50負(fù)荷虛線為預(yù)期負(fù)荷熱負(fù)荷-濕球-轉(zhuǎn)速圖 該圖為維持某個(gè)出水溫度，熱負(fù)荷，隨著濕球溫度的變化，轉(zhuǎn)速如何變化，也就能得出功率如何變化。

8、 舉例：57F 濕球，67%熱負(fù)荷，控出水85F，得出風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速27%，查圖4%的電機(jī)功率。 節(jié)約了19.2HP (=20*96%),但是我在壓縮機(jī)上本應(yīng)該有53HP功率好省，現(xiàn)在虧了 53-19.2=33.8HP; 風(fēng)機(jī)不應(yīng)該減速，應(yīng)該全速。冷卻塔能效管理案例 地點(diǎn)：美國芝加哥（北緯41度52分55秒）,（接近中國沈陽：N414811.75） 大樓設(shè)計(jì)制冷量制冷量：400ton =1407kw=1210000kcal/h； 額定功率：0.745*400BHP=298KW; 塔水流量：1200gpm=1200*0.227=272.4m3/hr； 冷卻塔進(jìn)水-出水溫度：95F-85F (35-29

9、.44C)； 設(shè)計(jì)濕球78F=25.56C；負(fù)荷用%表示，能效案例能效案例 每1F 塔水溫度降低，壓縮機(jī)功耗大約降低1%，冷卻塔出水溫度從85F -65F （29.44C-18.33C) 最多20%降低。再往下主機(jī)不允許。 氣候變化，環(huán)境溫度下降后，塔水水溫降低到65F大樓熱負(fù)荷下降到原來的2/3，由于負(fù)荷變化節(jié)約的功率是：1/3*400=133.3BHP,由于塔水水溫的下降，得到的省功是：2/3*400*20%=53.3BHP，持續(xù)不停風(fēng)機(jī)，功率節(jié)約了53-20=33BHP, 能效案例 實(shí)際節(jié)能值是塔水溫度作用在壓縮機(jī)功率上的時(shí)間函數(shù)，并且伴隨著負(fù)荷的變化線，當(dāng)濕球溫度下降到72F(22.2

10、2C）壓縮機(jī)功率的減少=風(fēng)機(jī)功率消耗。 在這段運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，這個(gè)溫度范圍內(nèi)，不采用任何方法，例如在芝加哥，5月到9月是典型的空調(diào)運(yùn)行，這段時(shí)間大概600h 在一些北方城市，濕球溫度更低，夏季白天運(yùn)行時(shí)間更短。能效管理能效案例 圖4 下面的曲線是風(fēng)機(jī)功率曲線，隨著風(fēng)量指數(shù)變化。馬達(dá)曲線比風(fēng)機(jī)曲線要稍高一點(diǎn)，這是因?yàn)闄C(jī)械損失，馬達(dá)輸出功率后通過皮帶或齒輪箱傳動(dòng)的效率損失。 馬達(dá)負(fù)荷曲線是馬達(dá)的輸出功率，不是能耗，電機(jī)有電機(jī)效率和功率因素隨著轉(zhuǎn)速有變化，運(yùn)行能耗曲線跟隨這個(gè)曲線并且略高。 圖4上部曲線是在不同風(fēng)量下塔的能力，條件是恒定的水流量、出水溫度，和濕球；曲線在低風(fēng)量下出現(xiàn)分離點(diǎn)，表明風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為

11、0時(shí)仍舊有10-15%的性能；能效管理 原來的策略是風(fēng)機(jī)全速讓塔水冷到盡可能低溫，改變策略變頻控制塔水出水溫度維持在85F（29.44C)的塔水溫度。通過圖5的分析，能耗情況如何？ 當(dāng)濕球到57F(13.89C),建筑物熱負(fù)荷為2/3；分析圖5，得風(fēng)量為27%，查圖4風(fēng)機(jī)功率為4%設(shè)計(jì)值，表1中風(fēng)機(jī)功率為20HP 降低了19.2HP，由于限制了塔水水溫，壓縮機(jī)節(jié)約的53HP沒有了，拿回風(fēng)機(jī)的19.2，丟掉了壓縮機(jī)的53，我們損失了33.8HP 的功率，能效管理案例 顯然，將水溫降低到65F(18.33C),這個(gè)點(diǎn)隨著設(shè)備的不同而變化，要根據(jù)實(shí)際的機(jī)器設(shè)備設(shè)定，有些冷水機(jī)組，比如恒星、約克，可以

12、實(shí)現(xiàn)，但是頓漢布什實(shí)現(xiàn)不了，設(shè)定點(diǎn)偏低機(jī)器就跑油，運(yùn)行不良。有些冷水機(jī)組對(duì)這個(gè)溫度非常敏感，實(shí)際工作中藥小心，這些敏感性的機(jī)器，一般我們將塔水水溫控制在比設(shè)計(jì)值低5-6F 比如頓布設(shè)計(jì)值85F ,工作點(diǎn)不要低于80F（26.57C)為好,聽說在武漢公司，精益發(fā)展部控制塔水溫度不能超過25，結(jié)果導(dǎo)致了頓漢不生機(jī)器的成批損壞。一旦確定了控制點(diǎn)，有助于整個(gè)系統(tǒng)能耗下降；下面是一些有效的方法：能效管理案例 第一個(gè)方法是風(fēng)機(jī)啟?？刂品ǎ旱谝粋€(gè)方法是風(fēng)機(jī)啟停控制法： 濕球溫度72F(22.22C),控制器設(shè)定80F(26.67C)停風(fēng)機(jī)-87F(30.56C)開風(fēng)機(jī),假定負(fù)荷系數(shù)90%（360 tons）

13、冷卻塔出水80F，系統(tǒng)水量6000gallons，計(jì)算得到停機(jī)時(shí)間4.3分，重新在87F開機(jī)，大約15分，滿足電機(jī)啟動(dòng)次數(shù)。 如果氣候變冷濕球溫度降低到65F（18.33C)，熱負(fù)荷下降到70%（280tons)，制冷機(jī)的負(fù)荷下降，而塔能力增長(zhǎng)，冷卻塔降溫過程只有1分鐘，風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)間5分鐘。馬達(dá)小時(shí)啟動(dòng)次數(shù)10次，電機(jī)是否有絕緣損壞的危險(xiǎn)；實(shí)際上隨著氣溫變低，濕球下降，風(fēng)機(jī)的啟停就更加頻繁，因此風(fēng)機(jī)啟停，需要加入輔助的措施，這個(gè)輔助措施就是旁通水流量。能效管理案例 第二種方法是風(fēng)機(jī)啟停第二種方法是風(fēng)機(jī)啟停+溫控旁通的做法：溫控旁通的做法： 旁通閥的做法需要一個(gè)溫控三通閥，和一個(gè)時(shí)間繼電器，當(dāng)溫

14、度到87F(31C)時(shí)開風(fēng)機(jī)，到81F(27C)時(shí)，溫控器發(fā)指令給時(shí)間繼電器延時(shí)12分鐘， 風(fēng)機(jī)不停繼續(xù)降溫，冷卻塔回水三通閥收到溫控器指令將熱水混入到出水側(cè)，控制塔水溫度28C，12分鐘結(jié)束后，風(fēng)機(jī)停機(jī)。能效管理案例 三種方法是雙速風(fēng)機(jī)： 在冷卻塔上雙速風(fēng)機(jī)比單速風(fēng)機(jī)控制更靈活、能耗更低。圖6 是組合塔的2個(gè)單元，每個(gè)單元配置雙速風(fēng)機(jī)的運(yùn)行性能，上下曲線代表單個(gè)單元雙速風(fēng)機(jī)各自的半速和全速發(fā)生的情況。 如所見，當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，水溫達(dá)到80F(26.67C)單速風(fēng)機(jī)從全速降為半速，水溫開始爬到上曲線，塔在設(shè)計(jì)風(fēng)量的一半運(yùn)行，維持冷效，達(dá)到87F（29.44）的時(shí)間大大延長(zhǎng)，避免了風(fēng)機(jī)頻繁啟停

15、，一般情況，環(huán)境溫度降低后無法回到87F 的水溫，塔就一直運(yùn)行在半速。半速運(yùn)行時(shí)，軸功率只有15%的設(shè)計(jì)值。能效管理案例 圖6證明多塔雙速的控制靈活性，使用這種靈活性需要控制順序邏輯推算做法，不需要旁通閥，通過控制的不同的馬達(dá)，2座塔的啟動(dòng)次數(shù)或者速度變化次數(shù)是單座塔的2倍。能效管理案例能效管理案例 第四種方法是風(fēng)機(jī)變頻： 恒定轉(zhuǎn)速變風(fēng)量：為達(dá)到冷水機(jī)組運(yùn)行要求和風(fēng)機(jī)節(jié)能的和諧一致，定速風(fēng)機(jī)控制，單速或雙速將被限制在一系列的檔次等級(jí)上，或超過目標(biāo)值或達(dá)不到目標(biāo)值。如果風(fēng)量可變，那么控制更加簡(jiǎn)單，冷卻塔會(huì)追隨熱負(fù)荷的軌跡保持出水溫度恒定。有一些定速風(fēng)機(jī)變風(fēng)量運(yùn)行的介紹，這里不再展開，我們主要是搞

16、一下風(fēng)機(jī)變頻。 理論上通過變頻調(diào)節(jié)，冷卻塔風(fēng)機(jī)能精確跟蹤冷卻塔的負(fù)荷曲線。但是有一個(gè)風(fēng)機(jī)自己的特性限制了風(fēng)機(jī)的變頻。很顯然要限制風(fēng)機(jī)超速運(yùn)行，除此之外，大多數(shù)的風(fēng)機(jī)都有超過1個(gè)臨界轉(zhuǎn)速，讓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生共振損壞，變頻器有選擇逃避這些頻率。能效管理案例 比較結(jié)果： 為了確定不同容量控制方法在能耗方面的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)，芝加哥案例400 ton空調(diào)系統(tǒng)每周運(yùn)行5天，從早上7點(diǎn)到晚上6點(diǎn)，從5月1日到9月30日。負(fù)荷按照?qǐng)D變化。 5月 6月 7月 8月 9月 31 + 30+ 31+31+ 30=153 天，153/7=21.857周，21.857*5=109.2875天，109.2857*11=1202.2hr

17、 能效管理案例 風(fēng)機(jī)不做任何控制，較低的塔水溫度降低了冷水機(jī)組功耗。在芝加哥在這段時(shí)間，67F（19.44）濕球溫度在氣象條件中的中程數(shù)，也是加權(quán)平均值；同時(shí)產(chǎn)生75F 塔水溫度，83%負(fù)荷系數(shù)，壓縮機(jī)功率的節(jié)約值，馬達(dá)效率校正后為27kw。32459Kwhr，超過了風(fēng)機(jī)的功率需求，約為-19475=1300kwhr能效管理案例 表2剩余部分預(yù)見使用我們前面討論的控制方法風(fēng)機(jī)節(jié)能。這些數(shù)據(jù)隨著負(fù)荷因子、夜晚使用、全年使用，控制器的設(shè)置，地理位置等等的變化而變化，他們是相對(duì)的不是絕對(duì)的。然而相對(duì)于彼此，他們的比例是現(xiàn)實(shí)的。能效管理案例能效管理 冷卻塔管理的變風(fēng)量技術(shù)在國外70年代就已經(jīng)成為普遍的

18、技術(shù)相當(dāng)?shù)某墒臁Ｄ菚r(shí)迫于變頻器的昂貴，因此變了很多花招，有一些從機(jī)械上改造風(fēng)機(jī)定速而變風(fēng)量，目前這種限制已經(jīng)不存在了。 目前在ASHREA 90-2013年的能源規(guī)范中明確冷卻塔的全變系統(tǒng)。 在國外一個(gè)機(jī)房系統(tǒng)是一個(gè)全變的系統(tǒng)。帶來了巨大的能源節(jié)約。能源管理 目前的文獻(xiàn)大部分還停留在1981年的技術(shù)水平 其中已經(jīng)做出的進(jìn)步是在橫流塔和逆流塔上采用變流量的技術(shù)。我在前面一再強(qiáng)調(diào)傳統(tǒng)的冷卻塔能效的發(fā)揮必須恒定流量來實(shí)現(xiàn)。 但是通過冷卻塔的改造，將變流量和變風(fēng)量結(jié)合起來可以完成冷卻塔更巨大的能耗的節(jié)約。 全變的系統(tǒng)也同樣應(yīng)用在冷水機(jī)組變流量，冷卻水泵變流量。都會(huì)帶來更加巨大的節(jié)約。一道題目 有一個(gè)分公司屋面有8個(gè)JFT 300冷卻塔實(shí)際