客專調(diào)度樓精密空調(diào)冷卻系統(tǒng)節(jié)能改造及效果分析

張鴻強 中國鐵路上海局集團有限公司辦公室

1 引言

水冷式空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制中，冷卻水溫度的調(diào)節(jié)控制對整個系統(tǒng)運行起著非常關(guān)鍵的作用，冷卻水溫度升高1℃，整個冷水機組的能耗增加3%左右，但是，降低冷卻水溫度的同時會導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)能耗的增加，如何尋找到不同負荷下系統(tǒng)的最佳效率工作點則是冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。對于閉式冷卻循環(huán)系統(tǒng)來說，在保證冷卻效果的同時，在不同的工況環(huán)境下，噴淋泵與風(fēng)機采用智能化聯(lián)動控制運行還是普通獨立模式運行帶來節(jié)能效果對比則是本文討論的重點。

2 項目概況

在項目的設(shè)計中，系統(tǒng)設(shè)計時是按滿負荷工況運行，冷卻塔容量、循環(huán)水泵以及風(fēng)機配備的依據(jù)為上海夏季最高溫度最大容量要求；然而在實際運行時，只有夏季較短的數(shù)十天才會出現(xiàn)實際運行工況與設(shè)計運行工況相符合的情況，在一般情況下精密空調(diào)系統(tǒng)都會處于部分負荷運行狀態(tài)。

客專調(diào)度樓冷卻循環(huán)系統(tǒng)需要全年不間斷運行。據(jù)統(tǒng)計，精密空調(diào)水系統(tǒng)滿負荷運轉(zhuǎn)的情況只占20%～25%，而部分負荷運轉(zhuǎn)的情況則占到了75%～80%，水系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵就是在部分負荷情況下能夠有效的減小能耗，進而降低整個空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗。

（1）2016 年為解決客專調(diào)度樓精密空調(diào)冷卻水系統(tǒng)單路運行不可靠的隱患，作為總公司督辦項目將原有的精密空調(diào)系統(tǒng)分成2 套，獨立存在、并聯(lián)運行，避免單路供水存在的安全隱患，確保精密空調(diào)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

（2）在確保精密空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行前提下，系統(tǒng)運營能耗也是集團公司關(guān)注的重點，為了進一步降低系統(tǒng)的運營能耗，局辦機關(guān)服務(wù)所會同申鐵杰能公司對客專調(diào)度樓精密空調(diào)水循環(huán)冷卻系統(tǒng)進行了細仔的調(diào)查、分析并對精密空調(diào)冷卻循環(huán)控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化改進。

3 精密空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)模型計算和選擇

由于智能控制系統(tǒng)本身是對冷卻水系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)節(jié)的，然后由建立的模型選擇能耗最優(yōu)的情況確定策略。其能耗數(shù)學(xué)模型以冷卻水系統(tǒng)最優(yōu)工作點的選取及各設(shè)備總能耗最小為目標函數(shù)，表達式為：

式中：Pcow為冷卻水系統(tǒng)總能耗，kW；Pcow1為精密空調(diào)機組能耗，kW；Pcow2為冷卻塔能耗，kW；Pcow3冷卻水泵能耗，kW；

冷卻水系統(tǒng)中各設(shè)備間相互耦合，若想求得總能耗最小值，需要了解各設(shè)備之間的關(guān)系來約束上式。其約束條件為：

式中：Cw為水的定壓比熱容，Kj/(kg.℃)；ρw為水密度，kg/m3；Pw為精密空調(diào)負荷，kW；ΔΤcα為冷卻塔冷幅，℃；fcow為冷卻塔風(fēng)機頻率，Hz。

尋找冷卻水系統(tǒng)最優(yōu)工作點的過程就是“最小值”控制問題，即冷卻水系統(tǒng)總能耗為冷卻水泵、精密空調(diào)機組、冷卻塔能耗總和的最小值，所有設(shè)備的能耗都受冷卻塔出水溫度的影響，若以冷卻塔出水溫度為被控對象，在確定工況下，不斷降低冷卻塔的出水溫度，可以提高冷機的COP，減少精密空調(diào)機組能耗。但是隨著冷卻塔出水溫度的降低，冷卻塔風(fēng)機轉(zhuǎn)速和了冷卻水泵轉(zhuǎn)速都會提高，增加其能耗。相反，若升高冷卻塔出水溫度，會降低冷機的 COP，增加精密空調(diào)機組能耗，但是冷卻水泵和冷卻塔能耗會降低。根據(jù)冷卻塔能耗、冷卻水泵能耗、精密空調(diào)機組能耗和冷卻水系統(tǒng)總能耗隨冷卻塔出水溫度、冷卻塔出水流量變化的趨勢曲線，如圖1、圖2 所示，分析單一設(shè)備變頻時冷卻水系統(tǒng)的總能耗變化。

圖1 冷卻水系統(tǒng)能耗隨冷卻塔出水溫度變化趨勢

圖2 冷卻水系統(tǒng)研究個能耗隨冷卻塔出水流量變化趨勢

從圖1 中可以看出，冷卻塔和冷卻水泵的能耗隨著冷卻塔出水溫度的升高而降低，精密空調(diào)機組的能耗隨著冷卻塔出水溫度升高而升高，在冷卻塔出水溫度的變化區(qū)間內(nèi)，一定存在一個冷卻塔出水溫度對應(yīng)著總能耗最低點，也就是系統(tǒng)的最優(yōu)工作點。

從圖2 中可以看出，冷卻塔和冷卻水泵的能耗隨著冷卻塔出水流量的增大而增大，而精密空調(diào)機組的能耗隨著冷卻塔出水流量的增大而減小，而在整個變化區(qū)間內(nèi)，同樣存在一個冷卻塔出水流量對應(yīng)著總能耗的最低點。

通過上述模型的建立，得到冷卻塔機組的能耗消費情況，根據(jù)能耗消費情況選定合理的智能節(jié)電系統(tǒng)的模型。

3.1 系統(tǒng)智能控制進化調(diào)節(jié)

在具體的應(yīng)用過程中，通過各個傳感器采集所需的循環(huán)水溫度、環(huán)境溫濕度變化情況結(jié)合設(shè)定的溫度需求，從數(shù)據(jù)模型庫里快速匹配出最佳運行方案，直接將最合理的運行參數(shù)給控制器，控制器按此調(diào)節(jié)負載，確保冷卻塔始終處于最優(yōu)化、最節(jié)能、最合理的運行狀態(tài)，以最小的能耗滿足循環(huán)水系統(tǒng)使用要求，達到節(jié)能的目的。具體智能控制管理系統(tǒng)流程見圖3。

圖3 智能控制管理系統(tǒng)流程圖

利用自動控制技術(shù)，精確調(diào)節(jié)冷卻參數(shù)運行在合理區(qū)間對節(jié)能降耗至關(guān)重要，在不同負荷、不同工況下冷卻塔的控制策略及控制精度直接影響著系統(tǒng)能耗。通過分析冷卻水系統(tǒng)各工況（不同負荷、濕球溫度和兩器溫差）下的進化調(diào)節(jié)，尋找冷卻系統(tǒng)的最佳效率工作點，記錄該工況下的最佳工作點，建立并完善該工況下的運行參數(shù)數(shù)據(jù)庫，以此來不斷進行系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)高效運行。

3.2 風(fēng)機噴淋泵的控制

在該項目的前期設(shè)計中，風(fēng)機與噴淋系統(tǒng)的控制是獨立控制，兩者之間無任何關(guān)聯(lián)，風(fēng)機與噴淋泵并不能形成聯(lián)動啟停控制，運行中經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)機與噴淋泵錯位運行的現(xiàn)象，致使冷卻塔的散熱達不到最佳的散熱效果。

在項目的優(yōu)化調(diào)節(jié)中對此進行了優(yōu)化，可根據(jù)不同的天氣條件進行聯(lián)動啟停或者噴淋泵的獨立控制。風(fēng)機噴淋泵的工作都是為了冷卻循環(huán)水進行降溫，但2 種模式下的能源消耗是不一樣的，因此根據(jù)不同的環(huán)境進行不同模式的運行能取得不同的效果。

（1）風(fēng)機噴淋的智能聯(lián)動啟停

溫度傳感器采集到的總管回水溫度值與優(yōu)化設(shè)定溫度進行比較，檢測溫度高于設(shè)定溫度時，啟動運行時間較短的風(fēng)機的低速檔，同時也啟動對應(yīng)的噴淋泵。

風(fēng)機（噴淋泵）運行后，如果檢測溫度低于設(shè)定溫度時延時一段時間后，則停止運行時間最長的風(fēng)機，如果運行時間最長的風(fēng)機處于高速運行，則把高速降為低速，檢測一段時間后溫度仍然低于設(shè)置溫度，則停止該風(fēng)機和噴淋泵。

（2）獨立模式

獨立模式則主要用于氣溫較低的冬季或者過渡季節(jié)，因室外溫度較低，冷卻系統(tǒng)無需較大的散熱量，而噴淋泵的功率較小，故優(yōu)先啟動噴淋泵系統(tǒng)，進行獨立模式的運行，保證散熱效果的同時投入設(shè)備運行能耗最小。

根據(jù)運行時間的長短順序進行風(fēng)機（噴淋泵）啟動和停止，確保各設(shè)備運行時間的均衡性，避免部分設(shè)備運行時間長，而部分設(shè)備運行時間短甚至閑置的情況。

4 節(jié)能效果數(shù)據(jù)對比分析

系統(tǒng)改造投運后，于2019 年的5 月18 日至5 月30 日，對客專調(diào)度樓精密空調(diào)的1#水循環(huán)系統(tǒng)進行了為期12 天的節(jié)能效果對比測試。將1#系統(tǒng)采用智能優(yōu)化控制方式即冷卻塔風(fēng)機與噴淋泵聯(lián)動控制，而將2#系統(tǒng)采用風(fēng)機與噴淋泵分開控制的方式進行能耗對比。1#系統(tǒng)和2#系統(tǒng)所分配熱負荷如表1 所示，統(tǒng)計結(jié)果1 號系統(tǒng)一共48 臺，2 號系統(tǒng)一共38 臺，還有13 臺精密空調(diào)的兩個壓縮機分別接入1#和2#系統(tǒng)，我們將其功率進行了均分。

表1 1#系統(tǒng)和2#系統(tǒng)熱負荷分配表

通過在相同時間、相同地點、相同氣象環(huán)境下，進行的節(jié)能效果對比測試。記錄相關(guān)設(shè)備的耗電量得出了的測試數(shù)據(jù)，對比分析能耗，得出智能聯(lián)動狀態(tài)下的控制策略的節(jié)電率。其分析結(jié)果如表2 所示。

表2 節(jié)能情況統(tǒng)計計算表

5 結(jié)論

這次節(jié)能改造的效果是非常顯著的，證明利用智能聯(lián)動狀態(tài)下的控制策略是能夠?qū)崿F(xiàn)冷卻塔節(jié)能的。從實際運行情況分析，在保證冷卻水溫滿足工藝要求的情況下，10 月份至次年5 月份環(huán)境溫度較低時，若實施聯(lián)動狀態(tài)下的控制策略；10 月份至次年5 月份運行243 天計算，減少耗電約44116 kW·h，單位電費0.956 元/kW·h，僅1#水系統(tǒng)年節(jié)約電費是4.21 萬元。故此，按客專調(diào)度樓常年兩套水循環(huán)系統(tǒng)同時運行，每年可節(jié)約電費約8 萬余元。由此可見，其節(jié)能性是明顯的，且延長了冷卻塔電動機的使用壽命。

在目前節(jié)能減排的大環(huán)境下，冷卻塔節(jié)能至關(guān)重要。對于已經(jīng)運行多年的已有冷卻塔進行改造，更換落后、低效能的零部件，優(yōu)化冷卻塔的運行管理，采取智能聯(lián)動狀態(tài)下的控制策略，以合理的方式使風(fēng)機、噴淋聯(lián)動并隨冷卻塔的負荷變化而變化，匹配合適的加減載幅度，獲得17.3%的節(jié)電率，達到安全節(jié)能的目的。