中央空調系統中冷卻塔風機變頻節能的可行性分析

殷 萍

(深圳市福田區建筑工務局,深圳518000)

隨著節能意識日益深入人心,各種各樣的節能技術紛紛投入應用,而在離心式設備上安裝變頻器被認為是最簡單、投資回報最快的技術,例如在離心式冷水機組上,冷凍水水泵、末端離心風機上加裝變頻驅動,在理論上和實踐上都能獲得比較良好的效果。但是,冷卻水水泵或冷卻塔軸流風機安裝變頻驅動是否能獲得同樣的效果?文獻 [1]討論了在冷卻水泵上安裝變頻驅動對冷水主機性能的影響。本文將通過詳細的模擬計算討論在冷卻塔安裝變頻器的節能分析。

需要指出的是,在中央空調系統中的冷凍水或冷卻水系統中的任一設備安裝變頻驅動,都必須考慮它是否對冷水機組本身的性能會產生影響。例如,隨著控制技術水平的提高,冷凍水側實現變流量運行下的主機性能與定水流量相差無幾,這是因為兩者的蒸發溫度基本相同。但在冷卻水側若實施變流量運行則將提高冷水機組的冷凝溫度,導致冷水機組本身的能耗增加,那么必須權衡水泵的節能與冷水機組效率變差的綜合效果。同樣,在冷卻塔上實施變頻,相應也改變了冷水機組的冷卻水溫度,其能耗必將受到影響,因此也必須將冷水機組的性能考慮在內,單純考慮冷卻塔本身的節能效果是不合適的,否則得到的綜合效果可能是得不償失的。

1 理論分析

目前在冷卻塔實施變頻的控制邏輯一般是調節風機的轉速以維持冷卻塔的出水溫度與濕球溫度之差 (即為冷卻塔的逼近度)為一定值。但這在實踐中可行嗎?

圖1①和圖2②都清楚地表明,隨著濕球溫度的降低,冷卻塔的逼近度將逐漸變大。因此即使要實施變頻以維持固定的逼近度,則外界的濕球溫度與冷卻塔的負荷必須同時滿足一定的條件才能實現。其中冷卻塔的熱負荷為冷水機組冷凝器的排熱量,約等于冷水機組的冷量與輸入功率之和 (體現在冷卻水溫差的大小),因此它還與冷水機組的效率有關。

圖1 冷卻塔典型性能曲線

圖2 標準工況下冷卻塔性能曲線

另外,即使冷卻塔在一定的條件下有一定的變頻空間,那么如果將冷水機組的能耗也考慮在內,那么結果將會是什么?從理論上將,如果對冷卻塔不進行控制,相對而言可以獲得較低的冷卻水進水溫度,對主機有利;反之,對冷卻塔有利,兩者的綜合效果才是問題的關鍵。

2 選型過程

為了驗證該控制邏輯的可行性,本人與冷水機組廠家及冷卻塔廠家合作,在不同的負荷及濕球溫度下,利用它們的選型軟件進行冷卻塔的變頻與不變頻選型驗證,基本情況與數據的獲取方法及過程如下。

選型軟件情況:冷水機組的選型軟件經過美國美國制冷協會 (ARI)認證;而冷卻塔選型軟件經過美國冷卻塔協會 (CTI)認證。需要說明的是,該軟件提示當逼近度小于2.78℃(5℉)時,不保證機組的性能;

選取常規空調工況下遇到頻率較大的部分負荷運行工況點100%,80%,60%負荷點,濕球溫度分別為28℃,24℃,20℃;冷卻塔變頻時的設計逼近度為4℃;

冷水機組的標準型號為某公司的YK系列3516kW(1000RT)離心式冷水機組,設計參數為:滿載耗電量607kW,冷卻水進出溫度為32/37℃,冷卻水流量為196.7 l/s(3118GPM);根據上述冷水機組的冷卻水流量和進出溫度,軟件自動得出某公司SC系列最經濟的型號為三臺250L,其最大的處理能力為208.2 l/s;

在此選型過程中做如下的假設:不考慮冷卻水管路系統獲得的溫升或者溫降,即冷卻塔的出水溫度為冷水機組的進水溫度,而冷水機組的出水溫度為冷卻塔的進水溫度。

其他非設計工況下數據的獲取程序如下:

(1)冷卻塔不變頻時的冷卻水溫度計算

此時冷卻塔的進出水溫度需要與冷水機組進出水溫之間做迭代計算。先假定一個冷卻水進水溫度值,代入冷水機組軟件,得出其性能值,再反代入冷卻塔軟件,直至得出的最經濟型號為設計型號且最大處理能力與設計點的最大處理能力相差不超過2%時即為該工況點的冷卻水溫度。

(2)冷卻塔變頻的冷卻水溫度計算:

先初步以設定的冷卻水進水溫度對冷水機組進行選型,再反代入到冷卻塔選型軟件進行校核。由于該冷卻塔選型軟件不能直接計算變頻工況下的性能,因此我們以如下方式獲取數據:以該軟件得出的功率最小的型號作為其輸入功率;反之,如果該軟件得出的最經濟型號大于設計型號,則采用2.6.1的方法進行校核計算,很顯然,此時的運行狀態與不變頻一致。

3 數據分析

3.1 數據整理

通過各自的選型軟件并經過迭代,相關的數據整理如下。

表1 冷卻塔不變頻 (濕球溫度28℃)

表2 冷卻塔不變頻 (濕球溫度24℃)

表3 冷卻塔不變頻 (濕球溫度20℃)

表4 冷卻塔變頻(濕球溫度28℃)

表5 冷卻塔變頻(濕球溫度24℃)

表6 冷卻塔變頻(濕球溫度20℃)

3.2 分析結果

相關分析的結果如下:

將濕球溫度作為橫坐標,分別將冷卻塔變頻與不變頻下的節能率 (冷水機組和冷卻塔能耗之和)及各個濕球溫度下恒速冷卻塔所能獲得的極限逼近度和設計逼近度作為縱坐標,其結果如圖3所示。如果節能率是正值,則意味著該工況下整體能耗將上升,實際上不能獲得節能效果。同樣,如果獲得的極限逼近度小于設計逼近度,則冷卻塔風機存在一定的變頻空間。

我們從圖3可以有如下結論:

(1)在所有的工況下,只有一個點有節能效果,而且節能效果很小;而在大部分的工況下,變頻冷卻塔帶來的是整體耗電不變或者增加!

(2)隨著濕球溫度的降低,冷卻塔能實施該變頻控制的負荷越來越低,例如在28℃時,所有的工況點都可以實現變頻;當濕球溫度降為24℃時,只有80%及以下負荷點有很小的變頻區間;當濕球溫度降為20℃時,只有60%及以下負荷點有很小的變頻區間。這些工況點占常規的舒適性空調運行時間比例已經非常小,因此其實際意義已經不是很大。

(3)以上的計算分析只是針對單臺冷水機組與單臺冷卻塔之間的耗能評價,但在實際的應用中更多的是多臺系統,因此也有邏輯控制改為將運行的冷卻塔數量多于冷水機組的數量以維持設定的逼近度,認為這樣可以降低風機轉速,獲得一定的節能效果。由于冷卻塔的選型軟件無法對此方案進行準確的模擬計算,但筆者認為,根據上面的分析,即使相比單機系統有更大的變頻范圍,但總體節能效果也相當有限,而且其在硬件和軟件上的投資回報期相對而言不是很理想。

圖3 不同負荷率下的節能率,逼近度與濕球溫度的關系

4 結論

通過實例計算表明,在大部分空調使用時間內,由于濕球溫度對冷卻塔性能的影響,在冷卻塔實施變頻,雖然其本身獲得了一定的節能效果,但卻對冷水機組的能耗產生了不利的影響,因此就其整體效果而言,很可能是得不償失的。冷卻塔安裝變頻可能更適用于那些需要長時間在冬季濕球溫度較低但需要開啟冷水機組的場合,通過變頻調節以保證冷卻水溫度不低于冷水機組所允許的最低卻水溫度。

[1]曾振威.節能不能因小失大 [J].暖通空調,2002,32(4):32-33

①John C.Hensley(SPX cooling Technologies).Cooling Tower Fundamentals[M],second edition,2006:21

②McQuay International.Chiller plant design[M],2002:64