冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)節(jié)能效果動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與應(yīng)用

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司,北京 100020)

大型綜合體建筑的內(nèi)區(qū)或者某些工業(yè)廠房,在冬季仍然具有空調(diào)供冷需求。例如卷煙廠建筑,由于卷煙廠卷接包、濾棒成型、膨脹煙絲、制絲等生產(chǎn)車(chē)間的工藝設(shè)備產(chǎn)熱量較大,全年需要供冷,因此在冬季可考慮利用自然冷源實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。通常來(lái)講,設(shè)置冷卻塔供冷系統(tǒng),采用冷卻塔代替冷水機(jī)組或者空調(diào)系統(tǒng)加大新風(fēng)量運(yùn)行,充分利用室外冷風(fēng),是冬季利用冷源的兩種方式。這兩種節(jié)能技術(shù)都在工程中得到廣泛應(yīng)用。但從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,冬季卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)加大新風(fēng)比可能會(huì)因?yàn)槭彝鉁貪穸炔▌?dòng)帶來(lái)車(chē)間溫濕度控制精度降低的問(wèn)題。因此,卷煙廠在冬季傾向于采用冷卻塔供冷系統(tǒng)為其產(chǎn)熱量較大的車(chē)間提供冷量。

本文以某卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)為例,結(jié)合冷卻塔風(fēng)扇臺(tái)數(shù)控制策略,從分析冷卻塔換熱的熱工特性出發(fā),理論推導(dǎo)冷卻塔風(fēng)扇運(yùn)行臺(tái)數(shù)與空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷以及室外氣象參數(shù)等因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻塔供冷系統(tǒng)能耗水平的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè),以期為科學(xué)評(píng)價(jià)該項(xiàng)技術(shù)實(shí)際的節(jié)能效果提供更為準(zhǔn)確的技術(shù)手段。

1 系統(tǒng)方案

某卷煙廠位于我國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū),其冷凍站現(xiàn)有6臺(tái)離心式冷水機(jī)組,單臺(tái)制冷量為5274 kW(折合1500冷噸),機(jī)組額定能效系數(shù) (Coefficient Of Performance,COP)為 6.5。每臺(tái)冷水機(jī)組分別對(duì)應(yīng)1臺(tái)冷凍水泵、1臺(tái)冷卻水泵及1組冷卻塔。單臺(tái)冷凍水泵額定流量為1000 m3/h,電機(jī)功率為160 kW；額定流量為1130 m3/h,電機(jī)功率為132 kW；每臺(tái)冷卻塔由8個(gè)冷卻單元組合而成,每個(gè)單元裝有1臺(tái)風(fēng)扇,單臺(tái)風(fēng)扇額定功率為7.5 kW。

擬采用的冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)方案是：在保持現(xiàn)有冷凍站系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上,增加2臺(tái)板式換熱器和相應(yīng)的旁通回路,單臺(tái)板式換熱器設(shè)計(jì)供冷能力與單臺(tái)冷水機(jī)組相當(dāng)。每臺(tái)板式換熱器對(duì)應(yīng)1臺(tái)冷凍水泵與1臺(tái)冷卻水泵,但對(duì)應(yīng)2組冷卻塔以在冬季增大換熱面積。在運(yùn)行過(guò)程中,系統(tǒng)采用冷卻塔風(fēng)扇臺(tái)數(shù)控制策略,通過(guò)設(shè)定冷卻水出水的溫度范圍,自動(dòng)啟停冷卻塔風(fēng)扇。系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)流程

2 模型建立

根據(jù)冷卻塔的換熱原理,通過(guò)建立冷卻塔出水溫度與冷卻塔風(fēng)扇臺(tái)數(shù),空調(diào)冷負(fù)荷以及室外氣象參數(shù)的關(guān)系模型,即可以在冷卻塔出水溫度限值前提下,結(jié)合所承擔(dān)的空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷以及室外逐時(shí)氣象參數(shù),計(jì)算得到風(fēng)扇逐時(shí)運(yùn)行臺(tái)數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻塔供冷系統(tǒng)能耗的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。

2.1 理論假設(shè)

(1)見(jiàn)圖2,對(duì)某一氣水比固定的冷卻塔,當(dāng)濕球溫度及冷卻水進(jìn)出水溫差在某一小范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)(如對(duì)文中系統(tǒng),濕球溫度0℃

圖2 冷卻塔熱工特性曲線(xiàn)(67%設(shè)計(jì)流量：36mL/(s?kW))

(2)當(dāng)冷卻塔某些冷卻單元的風(fēng)扇關(guān)閉時(shí),忽略在自然進(jìn)風(fēng)下對(duì)冷卻水的降溫效果。這相當(dāng)于對(duì)冷卻塔的降溫作用做保守估計(jì),利于系統(tǒng)安全。

(3)不考慮水系統(tǒng)管路溫升(冬季室外氣溫較低且系統(tǒng)做好保溫)。

2.2 建立預(yù)測(cè)模型

基于上述理論假設(shè),此處建立預(yù)測(cè)冷卻塔風(fēng)扇運(yùn)行臺(tái)數(shù)的數(shù)學(xué)模型。將卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)按水－水板式換熱器分成兩組子系統(tǒng)。由前述的系統(tǒng)方案可知,單組子系統(tǒng)中包含2組冷卻塔,而每組冷卻塔設(shè)有8臺(tái)風(fēng)扇,即對(duì)每組冷卻塔供冷子系統(tǒng)共有16臺(tái)風(fēng)扇可用于進(jìn)行臺(tái)數(shù)控制。對(duì)單組冷卻塔供冷子系統(tǒng),其換熱過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 冷卻塔換熱過(guò)程

假定在某時(shí)刻空調(diào)冷負(fù)荷及室外濕球溫度下,在保證冷卻塔供冷系統(tǒng)出水溫度(圖3中tg'與冷卻單元冷卻水出水溫度tg不同)盡可能接近但不高于某一溫度限值的條件下,某一組冷卻塔供冷子系統(tǒng)風(fēng)扇的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)為n,則關(guān)閉的風(fēng)扇臺(tái)數(shù)為(16－n)。

對(duì)開(kāi)啟風(fēng)扇的冷卻單元,其冷卻水進(jìn)出水溫差Δt可表示為：

式中：Q為系統(tǒng)承擔(dān)空調(diào)冷負(fù)荷(kW)；G為系統(tǒng)冷卻水量(kg/s)；CW為水的比熱,可取4.19 kJ/(kg℃ )。

同時(shí)有：

式中：th為系統(tǒng)回水溫度,(℃)。

根據(jù)前述理論假設(shè)(1),冷卻單元的冷卻水出水溫度tg可以表示為：

式中：ts為室外濕球溫度(℃)；a、b、c均為常數(shù),是反映冷卻特?fù)Q熱的熱工特性參數(shù)。冷卻水出水端的能量守恒有：

式中：tg'為冷卻塔系統(tǒng)的出水溫度(℃),數(shù)值應(yīng)不高于某一限定溫度tlim(文中卷煙廠的tlim為12 ℃),即有：

聯(lián)立上述式(1)～(5),即可以得到：

對(duì)上述不等式取整,即可以得到冷卻塔風(fēng)扇開(kāi)啟臺(tái)數(shù)應(yīng)為：

式中：ceil為向上取整。

由式(7)可以看出,影響冷卻塔供冷系統(tǒng)風(fēng)扇開(kāi)啟臺(tái)數(shù)的因素有冷卻塔系統(tǒng)出水溫度限值tlim、冷卻水量G、冷卻塔熱工特性參數(shù)(即a、b、c三個(gè)常數(shù))、空調(diào)冷負(fù)荷Q以及室外濕球溫度ts。其中,冷卻塔系統(tǒng)出水溫度限值,冷卻水流量以及冷卻塔熱工特性參數(shù)對(duì)某一系統(tǒng)而言為固定值,前兩者可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)取值,而冷卻塔熱工特性參數(shù),可通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到。空調(diào)冷負(fù)荷和室外濕球溫度為瞬時(shí)值,前者可利用能耗模擬軟件計(jì)算得到,而后者可依據(jù)當(dāng)?shù)氐湫湍隁庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行取值。當(dāng)?shù)玫缴鲜鲇绊懸蛩氐娜≈岛?即可以利用式(7)計(jì)算運(yùn)行期內(nèi)冷卻塔供冷系統(tǒng)的逐時(shí)風(fēng)扇運(yùn)行臺(tái)數(shù)。

2.3 模型驗(yàn)證

對(duì)于某卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng),模型驗(yàn)證分兩工況進(jìn)行(該兩工況均運(yùn)行一組冷卻塔供冷子系統(tǒng),即至多開(kāi)啟16臺(tái)冷卻塔風(fēng)扇)。第一工況為非自控工況,即開(kāi)啟全部16臺(tái)冷卻塔風(fēng)扇,此時(shí)冷卻單元出水溫度tg與冷卻塔系統(tǒng)出水溫度tg'相等,通過(guò)測(cè)試?yán)鋮s塔系統(tǒng)進(jìn)出水溫度以及室外濕球溫度,利用式(3)線(xiàn)性回歸得到冷卻塔熱工特性參數(shù)(即a、b、c三個(gè)常數(shù))；第二工況為自控工況,此時(shí)冷卻塔供冷系統(tǒng)按照風(fēng)扇臺(tái)數(shù)控制策略運(yùn)行,該工況測(cè)試?yán)鋮s塔系統(tǒng)進(jìn)出水溫度、冷卻水流量G以及室外濕球溫度ts并記錄風(fēng)扇實(shí)際開(kāi)啟臺(tái)數(shù)n,利用系統(tǒng)進(jìn)出水溫度與冷卻水流量可計(jì)算空調(diào)供冷量Q,進(jìn)而利用式(7)可計(jì)算風(fēng)扇開(kāi)啟臺(tái)數(shù)的預(yù)測(cè)值,將其與實(shí)際值比較即可驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

基于第一工況下的冷卻塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)線(xiàn)性回歸處理,即可以得到式(3)中的a、b、c常數(shù)值。回歸結(jié)果表明,該卷煙廠冷卻塔換熱的熱工特性方程為：

線(xiàn)性回歸的顯著性水平p<0.001,這說(shuō)明上述回歸有效。同時(shí),實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的最大絕對(duì)誤差不超過(guò)0.8℃,最大相對(duì)誤差不超過(guò)10%,基本滿(mǎn)足工程需求,這表明前述理論假設(shè)(1)是可以接受的。

第二工況的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為48 h,時(shí)間間隔為1 h。基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),利用式(7)計(jì)算得到的風(fēng)扇開(kāi)啟臺(tái)數(shù)預(yù)測(cè)值以及記錄的實(shí)際值見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出,冷卻塔風(fēng)扇臺(tái)數(shù)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值雖有所差異,但是兩者差別不大,大多數(shù)誤差在2臺(tái)風(fēng)扇以?xún)?nèi),這說(shuō)明冷卻塔風(fēng)扇開(kāi)啟臺(tái)數(shù)的預(yù)測(cè)值能夠反映實(shí)際值的變化規(guī)律。因此,上述預(yù)測(cè)模型能夠?qū)Χ纠鋮s塔供冷系統(tǒng)風(fēng)扇運(yùn)行臺(tái)數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè),進(jìn)而能夠更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的實(shí)際能耗水平。

圖4 某卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng)風(fēng)扇開(kāi)啟臺(tái)數(shù)的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值比較

3 模型應(yīng)用

根據(jù)前面建立的預(yù)測(cè)模型,即可以計(jì)算得到卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng)全年逐時(shí)的風(fēng)扇開(kāi)啟臺(tái)數(shù),從而可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的逐時(shí)能耗,最終可以對(duì)冷卻塔供冷系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 冷卻塔風(fēng)扇全年運(yùn)行臺(tái)數(shù)

首先利用建筑能耗模擬軟件,可得到文中卷煙廠車(chē)間全年空調(diào)系統(tǒng)逐時(shí)冷負(fù)荷,并結(jié)合卷煙廠所在地的全年逐時(shí)室外濕球溫度,利用預(yù)測(cè)模型即可以計(jì)算得到全年冷卻塔供冷系統(tǒng)需要逐時(shí)開(kāi)啟的風(fēng)扇臺(tái)數(shù)。針對(duì)冷卻塔出水溫度不高于12℃的運(yùn)行控制要求,計(jì)算得到的某卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng)逐時(shí)的風(fēng)扇開(kāi)啟臺(tái)數(shù)見(jiàn)圖5。可以看出,在冬季供冷運(yùn)行期內(nèi),不存在運(yùn)行2組冷卻塔供冷子系統(tǒng)全部32臺(tái)風(fēng)扇的時(shí)段,而且同時(shí)需要運(yùn)行2組子系統(tǒng)的時(shí)段也較少；在運(yùn)行1組子系統(tǒng)的時(shí)段,大部分時(shí)刻也不需要運(yùn)行全部的16臺(tái)風(fēng)扇。因此,冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)采用風(fēng)扇臺(tái)數(shù)控制策略能夠取得顯著的節(jié)能效果。

圖5 冷卻塔供冷系統(tǒng)冬季供冷期逐時(shí)的風(fēng)扇開(kāi)啟臺(tái)數(shù)預(yù)測(cè)

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行能耗

根據(jù)卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng)供冷期內(nèi)逐時(shí)的風(fēng)扇開(kāi)啟臺(tái)數(shù),即可以統(tǒng)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行能耗(冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)扇三者能耗之和)。需要說(shuō)明的是,當(dāng)預(yù)測(cè)的風(fēng)扇運(yùn)行臺(tái)數(shù)n值滿(mǎn)足0＜n≤16,即此時(shí)只需運(yùn)行1組冷卻塔子系統(tǒng),則統(tǒng)計(jì)能耗時(shí)只計(jì)入1臺(tái)冷凍水泵和1臺(tái)冷卻水泵；而當(dāng)16＜n≤32,則統(tǒng)計(jì)能耗時(shí)計(jì)入2臺(tái)冷凍水泵和2臺(tái)冷卻水泵。由統(tǒng)計(jì)可知,該冷卻塔供冷系統(tǒng)冬季供冷期內(nèi)電耗為1.03h106kWh。

3.3 系統(tǒng)節(jié)能效果評(píng)價(jià)

為簡(jiǎn)化考慮,近似認(rèn)為冬季冷卻塔供冷與常規(guī)冷水機(jī)組供冷方式的冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻塔風(fēng)扇的電耗相同,也即兩者的主要差別是冷水機(jī)組電耗。根據(jù)假設(shè),冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)承擔(dān)的空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷由冷水機(jī)組承擔(dān),并按照一定的制冷COP折算冷水機(jī)組的電耗,即得到冷卻塔供冷系統(tǒng)的節(jié)電量。

對(duì)文中卷煙廠統(tǒng)計(jì)可知,在冬季供冷期內(nèi)空調(diào)總冷量約為7.403h106kWh,若承擔(dān)上述總冷量,根據(jù)制冷COP折算,則冷水機(jī)組電耗為1.139h106kWh。此即為冬季冷卻塔供冷與冷水機(jī)組供冷方式相比的節(jié)電量。因此,若由采用冷水機(jī)組供冷方式,則其總電耗應(yīng)為2.169h106kWh,從而冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)節(jié)能率為52.5%。

工業(yè)用電成本按0.8元/kWh計(jì)算,則該卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)全年可節(jié)約電費(fèi)約為91萬(wàn)元。整個(gè)系統(tǒng)增加了2臺(tái)水－水板式熱交換器以及旁通管路等,投資約為160萬(wàn)元,則理論上來(lái)講,其投資回收期約為2 a。

需要指出的是,上述節(jié)電量或者節(jié)約電費(fèi)的指標(biāo)不能反映出不同供冷方案的能源轉(zhuǎn)換效率,這可能導(dǎo)致對(duì)方案的評(píng)價(jià)不全面。為了定量說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題,本文根據(jù)《公共建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)范》(JGJ 176－2009)中的定義,對(duì)冷源系統(tǒng)能效系數(shù)指標(biāo)進(jìn)一步對(duì)比分析。冷源系統(tǒng)能效系數(shù)是指冷源系統(tǒng)單位時(shí)間供冷量與冷水機(jī)組、冷水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)單位時(shí)間耗能的比值,這比單純考慮冷水機(jī)組本身的COP更全面,適用于本文中冬季冷卻塔供冷和冷水機(jī)組供冷兩種方案的比較。針對(duì)文中卷煙廠,冬季供冷運(yùn)行期內(nèi)冷卻塔與冷水機(jī)組供冷方式的冷源系統(tǒng)能效系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某卷煙廠冬季冷卻塔與冷水機(jī)組供冷方式冷源系統(tǒng)能效系數(shù)比較

由表中可以看出,冬季冷卻塔供冷方式的季節(jié)冷源系統(tǒng)能效系數(shù)約為冷水機(jī)組的兩倍左右,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于JGJ 176－2009中規(guī)定的限值(規(guī)范限值為2.5),這說(shuō)明卷煙廠的冷卻塔供冷系統(tǒng)具備優(yōu)異的能源轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文克服了已有研究中靜態(tài)分析冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)節(jié)能效果的不足,從分析冷卻塔換熱的熱工特性著手,基于合理的理論假設(shè),理論推導(dǎo)了風(fēng)扇臺(tái)數(shù)控制策略邏輯下冷卻塔風(fēng)扇運(yùn)行臺(tái)數(shù)與冷卻塔系統(tǒng)出水溫度、冷卻水流量、冷卻塔熱工特性參數(shù)、空調(diào)冷負(fù)荷以及室外濕球溫度等因素的數(shù)學(xué)關(guān)系式,建立了冷卻塔風(fēng)扇運(yùn)行臺(tái)數(shù)的預(yù)測(cè)模型并實(shí)施了驗(yàn)證,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)節(jié)能效果的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。

基于文中提出的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法,對(duì)某卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,該卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng)在冬季供冷期提供空調(diào)冷量7.403h106kWh,運(yùn)行電耗為1.03h106kWh；與冷水機(jī)組供冷方式相比,其冬季供冷期內(nèi)節(jié)電量1.139h106kWh,節(jié)能率為52.5%,節(jié)約電費(fèi)約為91萬(wàn)元,投資回收期約為2a,季節(jié)能源系統(tǒng)能效系數(shù)高達(dá)7.19。本文的研究成果可為預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)的節(jié)能效果提供參考。