合理提高冷凍水出水溫度可以節(jié)能降耗

王劍壁

(江蘇南熱發(fā)電有限公司，江蘇南京210035)

提高冷水機(jī)組冷凍水的出水溫度是提升制冷系統(tǒng)整體節(jié)能效果的一個(gè)有力措施。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和冷水機(jī)組廠家提供的數(shù)據(jù)，在其他參數(shù)不變的條件下，每當(dāng)提高1℃的出水溫度，冷水機(jī)組的制冷量將提高3%～4%，而功耗約增加1%。隨著出水溫度的提升，制冷量和用電功率都在增加，但制冷量的增幅更大。且可以利用更少的電力消耗提供更多的制冷量。同時(shí)，由于冷凍水溫度的提高，冷凍水管路傳輸?shù)膿p耗也大大降低，有效地避免了系統(tǒng)和末端設(shè)備結(jié)露現(xiàn)象。另外，冷凍水溫度的提高，又能使機(jī)組運(yùn)行負(fù)載減輕，設(shè)備的健康狀況得以改善，延長(zhǎng)修理周期，大大降低了設(shè)備維護(hù)和配件更換的費(fèi)用。

1 節(jié)能措施及原理

冷凍水經(jīng)過(guò)風(fēng)冷冷水機(jī)組制冷以后，通過(guò)管路輸送到中央空調(diào)末端，由空調(diào)末端進(jìn)行汽水熱交換，冷凍水再經(jīng)過(guò)回程管路回到風(fēng)冷冷水機(jī)組，形成循環(huán)。在這個(gè)過(guò)程中，風(fēng)冷冷水機(jī)組出水溫度越低，風(fēng)冷冷水機(jī)組蒸發(fā)器銅管兩側(cè)的溫差越小，就越是難以傳熱，那么換熱過(guò)程中所需功耗也就越大。同時(shí)，冷凍水輸送管路上是有冷量損失的，輸送管路內(nèi)外的溫差越大，冷凍水冷量的損失也就越大。傳熱系數(shù)K方程式為：

式（1）其意義為換熱操作過(guò)程的熱量通量q與傳熱推動(dòng)力（溫度差Δt）的比例系數(shù)，它在數(shù)值上等于在單位溫度差推動(dòng)下于單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)單位傳熱面所傳遞的熱量[1]。從式（1）可看出，當(dāng)Q一定時(shí)，溫差Δt和傳熱系數(shù)K是比例關(guān)系，當(dāng)傳熱過(guò)程的傳熱系數(shù)一定時(shí)，溫度差Δt越大，則冷凍水輸送管道和風(fēng)冷冷水機(jī)組蒸發(fā)器的傳熱速率越高。對(duì)于輸送冷凍水的管道來(lái)說(shuō)，管道內(nèi)側(cè)的水溫和管道外則的空氣溫度差越大，意味著傳輸過(guò)程中的冷量損耗越大。而對(duì)于制冷機(jī)組的蒸發(fā)器來(lái)說(shuō)，如果冷凍水的出水溫度越低，蒸發(fā)器銅管兩側(cè)制冷劑的蒸發(fā)溫度和冷凍水的溫度差Δt越小，制冷過(guò)程中所需功耗也就越大。

通過(guò)分析看出，提高風(fēng)冷冷水機(jī)組的冷凍水出水溫度，既增加風(fēng)冷冷水機(jī)組蒸發(fā)器兩側(cè)制冷劑和冷凍水之間的溫度差Δt，又減小冷凍水輸送管路內(nèi)外兩側(cè)的溫差，是提升制冷系統(tǒng)整體節(jié)能效果的一個(gè)有力措施。

2 實(shí)施節(jié)能措施的案例

江蘇南熱發(fā)電公司主廠房制冷系統(tǒng)的集中制冷加熱站設(shè)在集控樓內(nèi)，采用模塊化風(fēng)冷冷水機(jī)組（MSRA290C-1.0）向主廠房?jī)?nèi)的組合式空調(diào)系統(tǒng)和降溫通風(fēng)系統(tǒng)提供冷凍水，系統(tǒng)設(shè)計(jì)冷凍水出水7℃，回水12℃。組合式空調(diào)系統(tǒng)和降溫通風(fēng)系統(tǒng)為集控室、電子設(shè)備間及其他生產(chǎn)區(qū)域提供適宜的溫度。制冷系統(tǒng)共配置8個(gè)風(fēng)冷模塊單元，分2組集中布置。集控室和各電子設(shè)備間共配置14臺(tái)組合空調(diào)機(jī)組，22臺(tái)整體式空調(diào)機(jī)組。在室外溫度35℃,設(shè)定室內(nèi)溫度為25℃環(huán)境下，調(diào)整風(fēng)冷冷水機(jī)組出水溫度，使用情況如表1所示。

表1 調(diào)整風(fēng)冷冷水機(jī)組出水溫度過(guò)程中輸出制冷量和輸入電功率的關(guān)系

表1中的室內(nèi)溫度用采樣平均法統(tǒng)計(jì)；電功率由電度表計(jì)量；出水溫度由冷水機(jī)組出水溫度傳感器計(jì)量；制冷量根據(jù)溫度差流量法算出[2]，則：

式（2）中：Q為制冷量；Cp為冷凍水定壓比熱；r為冷凍水比重；Vs為冷凍水流量；Δt為冷凍水的出水進(jìn)水溫差。

從表1可看出，當(dāng)風(fēng)冷冷水機(jī)組的出水溫度7.2℃提高到10.1℃時(shí)，其制冷能效比從2.91提高3.29，而室內(nèi)溫度基本沒(méi)有什么變化。當(dāng)出水溫度提高到12.5℃以上時(shí)，室內(nèi)溫度才略有升高。其原因則是因?yàn)閷?shí)際需要的制冷負(fù)荷是隨室外溫濕度和實(shí)際的需要而變化的，另外設(shè)備性能參數(shù)在選型時(shí)都有較大的余量，所以組合式空調(diào)系統(tǒng)和降溫通風(fēng)系統(tǒng)的表冷器進(jìn)水量是PID調(diào)節(jié)的，在制冷負(fù)荷不足時(shí)并不需要輸入100%的冷凍水水量，還有較多的冷凍水沒(méi)參與熱交換就直接從旁通管回到冷水機(jī)組中去了，在循環(huán)過(guò)程中大量地?fù)p耗在管路傳輸過(guò)程中。當(dāng)水溫上升到15℃以上時(shí)，雖然能效比高達(dá)3.79，但已經(jīng)不能滿足組合式空調(diào)系統(tǒng)和降溫通風(fēng)系統(tǒng)的制冷要求，導(dǎo)致室內(nèi)溫度明顯升高。

根據(jù)上面的分析結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)得出，在其他參數(shù)不變的條件下，冷凍水的溫度在7～15℃，每當(dāng)提高1℃的出水溫度，相同功耗的情況下，風(fēng)冷冷水機(jī)組的制冷量約提高3%。隨著出水溫度的提升，可以利用更少的電力消耗提供更多的制冷量。這顯然是一項(xiàng)有效提升制冷系統(tǒng)能效的措施。值得注意的是，風(fēng)冷冷水機(jī)組的出水溫度也不可不受限制地提高，對(duì)于末端空調(diào)設(shè)備而言，當(dāng)來(lái)自冷水機(jī)組的冷凍水供水溫度提升時(shí)，其制冷量將隨之下降。為避免此情況發(fā)生，就需要結(jié)合末端空調(diào)設(shè)備在滿足降溫區(qū)域降溫要求的同時(shí)盡可能提高冷水機(jī)組的出水溫度。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，江蘇南熱發(fā)電有限公司風(fēng)冷模塊冷水機(jī)組的出水溫度一般設(shè)定在10℃。

3 節(jié)能效果分析

江蘇南熱發(fā)電有限公司風(fēng)冷冷水機(jī)組制冷設(shè)備名義工況總制冷量2176 kW，按80%的負(fù)載，85%出率核計(jì)，得出冷凍水出水溫度提高3℃制冷主機(jī)所節(jié)減冷量為 2176×0.8×0.85×（400—350）/400×3=555 kW。

冷凍水出水溫度提高除了制冷主機(jī)節(jié)減冷量外，另一方面冷凍水管路傳輸損耗的降低也不容忽視，江蘇南熱發(fā)電公司主廠房制冷系統(tǒng)冷凍水管路總長(zhǎng)4000m，按照冷凍水溫度每提高1℃，每100m減少傳輸損耗0.5 kW計(jì)，得出管路系統(tǒng)總計(jì)節(jié)能為4000/100×0.5×3=60 kW。則主廠房制冷系統(tǒng)總計(jì)節(jié)能量為主機(jī)節(jié)能量與冷凍水管路節(jié)能量之和為555+60=615 kW。615 kW的制冷量，相當(dāng)于主機(jī)額定負(fù)荷的1/4，節(jié)能效果相當(dāng)可觀。主廠房風(fēng)冷冷水機(jī)組（MSRA290C-1.0）每單元制冷機(jī)組的名義工況制冷量272 kW對(duì)應(yīng)消耗名義工況制冷總功率為93.8 kW，機(jī)組以每年實(shí)際運(yùn)行165天計(jì)，電價(jià)每度0.43元，則折合成電量費(fèi)用為615×93.8/272×24×165×0.43=361 137元。再加上冷凍水出水溫度的提高，使得機(jī)組運(yùn)行負(fù)載減輕，設(shè)備的健康狀況改善，同時(shí)也延長(zhǎng)修理周期，大大降低了維護(hù)和配件更換費(fèi)用，與同期同類型電廠相比每年約節(jié)省費(fèi)用30萬(wàn)元左右。

綜上所述，江蘇南熱發(fā)電公司主廠房制冷系統(tǒng)通過(guò)提高風(fēng)冷冷水機(jī)組冷凍水出水溫度，每年約節(jié)省費(fèi)用36+30=66萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)和冷水機(jī)組多數(shù)處于非滿負(fù)荷狀況下運(yùn)行的特點(diǎn)，充分利用設(shè)備選型余量，結(jié)合實(shí)際工況，適當(dāng)提高風(fēng)冷冷水機(jī)組的出水溫度，可以有效地節(jié)能降耗。而依靠調(diào)整冷水機(jī)組參數(shù)設(shè)置，自主提高冷凍水的出水溫度還不是最佳選擇。在原有設(shè)備基礎(chǔ)上，通過(guò)增加自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備，隨著負(fù)荷的變化隨時(shí)自動(dòng)調(diào)整冷凍水的出水溫度，正是當(dāng)前研究的課題和進(jìn)一步努力的方向。目前南熱發(fā)電有限公司通過(guò)提高制冷機(jī)組冷凍水出水溫度節(jié)能創(chuàng)效的舉措已經(jīng)推廣應(yīng)用到華潤(rùn)電力系統(tǒng)的常熟、板橋、化工園電廠以及國(guó)電諫壁、當(dāng)涂電廠、大唐下關(guān)等電廠，都取得了不錯(cuò)的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]劉金平，周登錦.空調(diào)系統(tǒng)變冷水溫度的節(jié)能分析[J].暖通空調(diào)，2004，34（5）：90-91.

[2]張雅銳，袁東立.建筑空調(diào)冷水系統(tǒng)變水溫調(diào)節(jié)的節(jié)能分析[J].暖通空調(diào)，1991，21（5）：12-15.