大型公共建筑集中空調(diào)冷卻塔系統(tǒng)優(yōu)化控制

1、大型公共建筑集中空調(diào)冷卻塔系統(tǒng)優(yōu)化控制清華大學(xué)建筑學(xué)院建筑技術(shù)科學(xué)系 沈 啟 魏慶芃摘要:冷卻塔是集中式空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分,開式逆流冷卻塔在大型公共建筑空調(diào)系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用,而其實(shí)際運(yùn)行過程中卻普遍存在著效率偏低的問題。本文以冷機(jī)和冷卻塔構(gòu)成的系統(tǒng)為研究目標(biāo),提出以冷機(jī)節(jié)能為核心的優(yōu)化思路。建立半經(jīng)驗(yàn)理論模型,進(jìn)行模擬計(jì)算,并在實(shí)際建筑中進(jìn)行改造測試,總結(jié)分析得到針對冷卻塔風(fēng)機(jī)聯(lián)合變頻調(diào)節(jié)和高低風(fēng)速調(diào)節(jié)的控制方法。關(guān)鍵詞:冷卻塔,最優(yōu)化,控制,模擬,測試1 大型公建冷卻側(cè)運(yùn)行現(xiàn)狀筆者在香港某寫字樓群從事節(jié)能改造工作期間,觀察了大量公共建筑冷卻側(cè)的運(yùn)行情況,發(fā)現(xiàn)因冷卻塔運(yùn)行不佳導(dǎo)致冷源1效率

2、偏低的現(xiàn)象十分普遍。為深入分析冷卻側(cè)對冷源效率的影響狀況,定義以下三個溫差:冷凝器換熱溫差:11cond w T T T =- (1冷卻水換熱溫差:212w w T T T =- (2 冷卻塔換熱溫差:32w s T T T =-(3從室外濕球溫度到冷機(jī)的冷凝溫度,這三個溫差分別表征冷源三種設(shè)備的運(yùn)行特性。對于開式冷卻塔而言,冷卻水與空氣傳熱傳質(zhì)的極限就是出塔水溫達(dá)到室外濕球溫度,即T 3越小,就說明冷卻塔的換熱特性越好,反之則要考慮冷卻塔運(yùn)行中是否存在降低效率的因素。 以下根據(jù)LNH2008年的記錄數(shù)據(jù)2,考察LNH 冷源的各部分設(shè)備的換熱性能。根據(jù)圖1.1可以看出,LNH 冷源內(nèi)冷卻塔在冬

3、季和過渡季節(jié)換熱溫差過大,說明在這些時間段冷卻塔運(yùn)行狀況不佳。筆者收集了香港辦公樓群中四棟大樓的冷源數(shù)據(jù),包括LNH 在內(nèi)橫向比較四棟樓的逐時冷卻塔換熱溫差,見圖1.2?，F(xiàn)階段大多數(shù)大型公建冷源的運(yùn)行策略基本都是“一機(jī)一泵一塔”和“大機(jī)大泵大塔”。而從圖1.2中可以看出這種運(yùn)行模式普遍存在冬季和過渡季冷卻塔效率偏低的現(xiàn)象。說明實(shí)際運(yùn)行過程中卻沒有在這段時間內(nèi)發(fā)揮冷卻塔的優(yōu)勢,造成不必要的付出。 圖1.1 冷凝側(cè)溫差逐時變化圖圖1.2 冷卻塔換熱溫差比較1本文中將集中式空調(diào)系統(tǒng)分為三大部分:冷源,輸配和末端。其中冷源包括冷機(jī)、冷卻泵和冷卻塔。詳見參考文獻(xiàn)1。 2文中所述以LNH 為實(shí)際工程范例。

4、文中所有建筑能耗數(shù)據(jù)和熱參數(shù),不做特別說明,均來自該大廈的BM S 數(shù)據(jù)庫。另一方面,冷機(jī)電耗基本占據(jù)整個建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗的30%50%。所以從冷機(jī)的角度出發(fā),考慮如何利用冷卻塔有效提高散熱效率,從而達(dá)到低投入高回報(bào),冷源系統(tǒng)效率提高的效果。2 冷卻塔群控策略優(yōu)化現(xiàn)場改造2.1 水塔群控策略優(yōu)化筆者在LNH冷源實(shí)施節(jié)能改造。LNH建筑面積30968m2,配有3臺大冷機(jī)、1臺小冷機(jī)和3個大水塔、1個小水塔。大冷機(jī)(CH-LG制冷量1410kW,額定功率300kW,冷卻水流量76L/s。小冷機(jī)(CH-SM制冷量705kW,額定功率160kW,冷卻水流量39L/s。大水塔(CT-LG額定水量76L/

5、s,風(fēng)機(jī)高低檔61/41m3/s。小水塔(CT-SM額定水量38L/s,風(fēng)機(jī)高低檔40/27m3/s。策略優(yōu)化改造考慮通過臺數(shù)和風(fēng)檔調(diào)節(jié),制定一套以冷機(jī)開啟狀態(tài)為基準(zhǔn)的冷卻塔運(yùn)行模式,保證冷卻塔系統(tǒng)的風(fēng)水比全部保持在1.01.5之間。經(jīng)模擬計(jì)算得到全年的冷卻塔運(yùn)行模式,見表2.1。表2.1 冷卻塔群控策略表 代表冷卻塔低風(fēng)擋;Hi代表冷卻塔高風(fēng)檔。2.2 現(xiàn)場改造概述筆者將LNH冷源現(xiàn)階段的“一機(jī)一塔”、“大機(jī)大塔”的控制策略改換為如表2.1所列的運(yùn)行模式。于2009年6月1日至2009年6月8日進(jìn)行效果測試。利用歷史同期同類型數(shù)據(jù)與本次測試結(jié)果相比較,對比時間為2008年6月5日至2008年

6、6月12日。對比工況選擇標(biāo)準(zhǔn)為:冷源內(nèi)冷機(jī)運(yùn)行模式相同,逐時濕球溫度、耗冷量基本相同。由此對比兩組工況下的電耗數(shù)據(jù),比較出改換冷卻塔運(yùn)行策略后的節(jié)能量。測試和比較工況的數(shù)據(jù)來源均是LNH的BMS逐時記錄數(shù)據(jù),在分析數(shù)據(jù)前已對部分外露的溫度傳感器、電功率計(jì)進(jìn)行了測量設(shè)備校核,對冷源的溫度和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行了冷量平衡校核。2.3 改造效果對比分析選擇典型日的工作時作為對比時間段,其詳細(xì)工況說明見下表。 兩組工況的外部條件基本相同,即濕球溫度和冷負(fù)荷基本相同。對比工況下平均濕球溫度為24.36、總冷負(fù)荷33626kWh;實(shí)驗(yàn)工況下平均濕球溫度24.01,歷史同期下降0.35,總冷負(fù)荷為33990kWh,

7、歷史同期上升1.08%。在此基礎(chǔ)上比較兩組工況下的冷機(jī)電耗和系統(tǒng)效率,其中系統(tǒng)效率是指冷量與冷機(jī)和風(fēng)機(jī)總電耗的比值。冷機(jī)電耗 9:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00 系統(tǒng)效率9:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00圖2.1冷機(jī)電耗逐時對比圖2.2 系統(tǒng)效率逐時對比 9:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0017:5918:5919:59 9:0010:0011:0012:0013:0014:0

8、015:0016:0017:0018:0019:0020:00圖2.3 冷機(jī)COP逐時對比圖2.4 冷機(jī)ICOP逐時對比從對比實(shí)驗(yàn)中可以看出,冷機(jī)電耗有明顯下降,冷機(jī)總電耗由對比工況的8030kWh下降為6632kWh,下降率17.41%。相應(yīng)的由冷機(jī)和冷卻塔組成的系統(tǒng)的總效率也有了明顯的提高。產(chǎn)生冷機(jī)COP提高的主要原因是冷機(jī)冷凝側(cè)溫度特性有了顯著改變。冷卻塔運(yùn)行策略改換之后,冷卻塔出水溫度有明顯下降,從平均31.80到27.83,平均下降3.97。而冷卻水溫度的下降將導(dǎo)致冷凝溫度跟著下降,從平均39.03到33.08,平均冷凝溫度下降5.23。表2.2工作時段冷卻側(cè)溫度對比 導(dǎo)致冷機(jī)冷凝溫

9、度下降的主要原因是冷卻塔換熱特性提高,冷卻塔換熱溫差降低。從平均溫度對比來看,冷卻塔換熱溫差減少量占最終冷凝溫度減少量的70%。由于冷凝溫度的下降使得冷機(jī)的理想效率(ICOP大幅提升,從平均8.09提升到9.46,提升率16.95%。相應(yīng)的,在兩組工況中,冷機(jī)的內(nèi)部效率則基本沒有改變,實(shí)驗(yàn)和對比工況的平均DCOP分別為0.54和0.52。這說明了,改變冷卻塔運(yùn)行策略的本質(zhì)是降低冷凝溫度,提高冷機(jī)ICOP,從而提高冷機(jī)COP和系統(tǒng)總效率。休息時段也有類似的比對結(jié)果:因冷凝溫度的下降使得冷機(jī)的理想效率(ICOP大幅提升,從平均9.5提升到10.0,提升率5.12%,從而提高冷機(jī)COP。2.4 改造

10、結(jié)果小結(jié)通過改造前后電耗和冷機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)對比分析可知,在新的冷卻塔運(yùn)行策略下,冷機(jī)的外部運(yùn)行環(huán)境得到了明顯的改善,冷凝溫度下降使得冷機(jī)COP 提高,進(jìn)而減少了冷機(jī)電耗。同時冷卻塔風(fēng)機(jī)電耗的增加量比冷機(jī)電耗的減少量要小,所以冷源整體電耗降低。 改造的基本思想是充分利用冷卻塔換熱面積,提高換熱效率,以提升冷機(jī)運(yùn)行狀況為核心,綜合提升冷源的系統(tǒng)效率。測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了此改造思路,下面將采用模擬分析的手段,對比各種運(yùn)行模式。3 冷卻塔群控模擬分析本文在冷卻泵定頻運(yùn)行的條件下,以冷機(jī)和冷卻塔為優(yōu)化目標(biāo),通過最優(yōu)化分析的方法找到使得系統(tǒng)能耗最低的冷卻塔運(yùn)行模式。3.1 冷機(jī)和冷卻塔模型模擬冷卻塔換熱過程中采用M

11、arkel 焓差模型5,準(zhǔn)確計(jì)算焓差積分。但同時忽略許多建模中的細(xì)節(jié)性問題,例如海水和淡水的區(qū)別、布水和淋水面積的變化、流場的不均勻等問題68。根據(jù)冷卻塔進(jìn)出水溫和室外濕球溫度定義冷卻塔(水效率:121w w T w st t t t -=- (4對于冷機(jī)而言,改變冷卻塔運(yùn)行模式只是改變了冷機(jī)本身的運(yùn)行環(huán)境,對冷機(jī)內(nèi)部特性影響不大。模擬中參照卡諾循環(huán)和冷機(jī)COP 的定義,采用簡易的冷機(jī)模型。理想效率ICOP 表征了冷機(jī)(壓縮機(jī)外部環(huán)境所決定的最高效率,而內(nèi)部效率DCOP 則主要表征了冷機(jī)(壓縮機(jī)自身的運(yùn)行性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),DCOP 與冷機(jī)的負(fù)荷率有很強(qiáng)的相關(guān)性,可以視為冷機(jī)負(fù)荷率的單值函數(shù),而

12、其關(guān)系式可以通過統(tǒng)計(jì)擬合得到。通常表示為二次函數(shù)的形式。令1f C O P=,*11s s evaT T T T +=-,聯(lián)立冷機(jī)和冷卻塔的換熱方程,可以得到冷機(jī)效率與冷卻塔效率的關(guān)聯(lián)式:*2211Q o sT eva o QoT eva oK T T T f f K T D C O P T f +=-+(5其中,對于額定工況下的物理量都用下標(biāo)o 表示。在給定冷源的運(yùn)行條件,即額定參數(shù)、負(fù)荷率、濕球溫度確定的情況下,已知塔效率就能夠計(jì)算冷機(jī)效率,從而求出冷機(jī)電耗:chiller W f Q =(63.2 模擬計(jì)算說明系統(tǒng)優(yōu)化模擬計(jì)算以LNH 冷源為物理模型范例,以BMS 系統(tǒng)中2007年逐時空

13、調(diào)系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),進(jìn)行優(yōu)化模擬分析。按照冷機(jī)運(yùn)行模式對冷源數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,針對不同的冷機(jī)模式進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。在實(shí)際運(yùn)行中,LNH 冷源只有5種狀態(tài),根據(jù)2007年BMS 的記錄數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)每種狀態(tài)的下的能耗數(shù)據(jù)如下表: LNH 冷卻塔采用風(fēng)速高低檔控制,為簡化理論分析過程,模擬中假設(shè)風(fēng)機(jī)聯(lián)合變頻調(diào)節(jié),所有的冷卻塔都處于使用狀態(tài),不考慮布水不勻和淋水面積改變等問題。冷卻塔風(fēng)機(jī)功 3.3 理想變頻計(jì)算結(jié)果若系統(tǒng)處于理想變頻控制時,經(jīng)計(jì)算知冷機(jī)和冷卻塔總電耗全年可以節(jié)省25.8萬kWh ,節(jié)能率12.0%。觀察風(fēng)機(jī)頻率的變化特性,見圖3.1。風(fēng)機(jī)頻率與系統(tǒng)冷量具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性,冷量越大,風(fēng)機(jī)頻率越

14、高。此結(jié)果與文獻(xiàn)34的仿真結(jié)論相吻合。觀察冷卻塔出水溫度與濕球溫度的分布關(guān)系,見圖3.2。對角線代表出塔水溫與濕球溫度溫差恒為4,即3T 恒為4。該計(jì)算結(jié)果證明了當(dāng)冷卻塔系統(tǒng)運(yùn)行總是處于最優(yōu)時,即冷卻塔風(fēng)量選擇總是讓冷源效率最高時,系統(tǒng)將呈現(xiàn)定3T 的特性,而這個定值也就是冷卻塔換熱達(dá)到極限時的過余溫度。 圖3.1 風(fēng)機(jī)頻率與冷量關(guān)系圖圖3.2 Case1計(jì)算結(jié)果之濕球溫度與出塔水溫3.4 三種模式計(jì)算結(jié)果對比理想變頻控制能夠得到良好的節(jié)能效果,而此目標(biāo)的達(dá)成依賴于一套十分復(fù)雜的控制系統(tǒng),而大量傳感器和執(zhí)行器的偏差和錯誤極易對控制系統(tǒng)造成巨大影響。所以考慮定出水溫度和定風(fēng)機(jī)頻率兩種極簡單的控制

15、方式與其對比。定出塔水溫控冷卻塔運(yùn)行模式(風(fēng)機(jī)頻率要求不同冷機(jī)模式對應(yīng)不同的出水溫度設(shè)定值,通過計(jì)算找到冷機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)總電耗最小的冷卻塔出水溫度設(shè)定值。經(jīng)計(jì)算知冷機(jī)和冷卻塔總電耗全年可以節(jié)省21.6萬kWh ,節(jié)能率10.1%。表3.2 各冷機(jī)模式對應(yīng)的出塔水溫設(shè)定值 定冷卻塔運(yùn)行模式,即每一種冷機(jī)開啟模式對應(yīng)一個固定的風(fēng)機(jī)頻率。在計(jì)算中改變風(fēng)水比設(shè)定值,對于每種冷機(jī)模式,通過模擬計(jì)算找到冷機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)總電耗最小的風(fēng)水比設(shè)定值。經(jīng)計(jì)算冷機(jī)和冷卻塔總電耗全年可以節(jié)省19.5萬kWh ,節(jié)能率9.1%。表3.3 各冷機(jī)模式對應(yīng)的風(fēng)水比設(shè)定值 總結(jié)這三種情況下的全年冷機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)電耗，如下：

16、250 200 150 100 50 0 原數(shù)據(jù) case 1 case 2 case 3 年耗電量萬kWh 冷卻塔 冷機(jī) 圖 3.3 全年冷機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)電耗對比 3.4.1 模擬計(jì)算小結(jié) 從圖 3.3 中不難發(fā)現(xiàn)，定出塔水溫和定塔風(fēng)水比（風(fēng)機(jī)頻率）的運(yùn)行方法，雖然全年能 耗比時時最優(yōu)的情況要高，但卻相差無幾；從操作實(shí)施的角度來說，按照冷機(jī)模式定塔風(fēng)水 比的運(yùn)行模式是受限最少、也是最簡單的方法，所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該考慮這種控制方式。 同時， 觀察表 3.3 中風(fēng)水比的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)系統(tǒng)處于最優(yōu)時， 風(fēng)水比都維持在 1.01.5 之間。這是因?yàn)槔鋮s塔效率在風(fēng)水比 1.01.5 時已經(jīng)基本接

17、近極限效率。由此可以考慮冷卻 塔全年固定一個風(fēng)水比（LNH 參考值 1.4） ，將風(fēng)水比設(shè)定隨冷機(jī)模式改變的電耗與全年設(shè) 定風(fēng)水比不變的電耗相比較，二者的差別很小。 4 結(jié)論 本文以 LNH 為工程范例，將原“一機(jī)一塔”“大機(jī)大塔”的控制模式改為依冷機(jī)模式 、 定冷卻塔運(yùn)行模式的控制方法，并通過現(xiàn)場實(shí)測得到驗(yàn)證。模擬計(jì)算估計(jì) LNH 以此改造全 年可節(jié)電 19.1 萬 kWh，折合 6.16kWh/m2。 對于高低風(fēng)擋調(diào)節(jié)的冷卻塔系統(tǒng)， 比較好的控制方法是按照冷機(jī)的運(yùn)行模式給定冷卻塔 的運(yùn)行模式。 水塔模式選擇的辦法基本遵照多開塔， 保證平均風(fēng)水比在 1.01.5 之間的原則。 對于風(fēng)機(jī)聯(lián)合變

18、頻調(diào)節(jié)的冷卻塔系統(tǒng)， 定風(fēng)水比是比較好的控制方法， 但需要對實(shí)際系統(tǒng)有 比較充分的調(diào)研和認(rèn)識后，根據(jù)實(shí)際情況確定控制參數(shù)。 文中所提出的冷卻塔群控方法，雖然不能達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài)，但具有初投資低、控制 邏輯簡單、運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中具有很大的應(yīng)用潛力。 參考文獻(xiàn) 1 蔡宏武.實(shí)際運(yùn)行調(diào)節(jié)下的空調(diào)水系統(tǒng)特性研究D.清華大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文， 2009.5 2 徐新華、王盛衛(wèi)等.香港環(huán)球貿(mào)易中心冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化控制研究J.建筑節(jié)能，2007(7 3 F.W.Yu、K.T.Chan. Optimization of water-cooled chiller system with load-based speed controlJ.Applied Energy 85 (2008 931950 4 Rhett David Graves. Thermodynamic modeling and optimization of a screw compressor chiller and cooling towerD.Texas: A&M Unive