中央空調制冷系統節能改造

劉丙剛，賈丕建，王博，王煥亮

（1.玲瓏集團有限公司，山東招遠 265406；2.煙臺市能源綜合執法支隊，山東煙臺 264003）

1 原制冷系統狀況

1.1 主要設備

玲瓏集團公司PCR5 廠中央空調制冷系統是該廠生產車間環境溫濕度控制和工藝設備冷卻水換熱降溫的重要工序，它的工作原理是該廠制冷機房的制冷機通過屋頂冷卻塔提取室外熱量制取低溫冷凍水，分別供應給機房中央空調用來控制生產車間溫濕度和循環泵房工藝換熱器設備冷卻。該中央空調制冷系統主要由3 臺制冷主機、4 臺冷卻水循環水泵、4 臺冷凍水循環水泵、3 座冷卻塔、20 臺空調機組、3 臺板式換熱器和3 臺低溫循環水泵等組成。中央空調主要設備技術參數見表1。

1.2 原系統運行存在問題

冷卻塔存在的主要問題如下：

表1 中央空調主要設備技術參數

1）冷卻塔采用單層噴淋，布水不均勻，降溫效果差。

2）冷卻塔運行方式不合理，冷卻塔供水和回水閥門全部開啟，只通過開停冷卻塔風機進行控制。

3）冷卻水泵和冷水泵控制方式簡單。制冷主機運行時配套的冷水泵和冷卻水泵開啟運行時無控制邏輯。特別是低負荷時中央空調機組冷水需求量少，水泵無法根據實際情況進行調整。

4）中央空調機組布置相對分散，操作工必須到現場開啟機組，而且日常設備巡檢勞動強度很大。

5）循環泵房工藝設備冷卻水溫度波動大。特別在白夜交替和車間工藝設備變負荷時，供應循環冷卻水換熱器的冷凍水流量調節不及時，冷卻水溫度波動嚴重，這不利于設備工藝的控制，同時也極大地浪費了能源。

2 制冷系統節能改造原理及方案

針對該廠中央空調制冷系統冷卻塔夏季降溫效果差，導致制冷機效率下降、冷水超溫車間溫濕度控制不達標、手動控制操作工勞動強度大、控制精度差和能耗高等實際情況，經過反復論證，決定對該廠中央空調制冷系統實施雙層布水、智能變頻及控制等節能技術改造[1]。

2.1 冷卻塔雙層布水改造

原冷卻塔采用單層噴淋，布水不均勻，降溫效果差，依據均勻布水能增加冷卻塔噴淋水滴的表面積及增大冷卻水散熱效果的原理，將原制冷系統單層布水管道改造為雙層布水，上下層的支管和布水噴頭錯開設置，以提升布水及冷卻效果。

2.2 冷卻塔風機進行聯合變頻改造

安裝冷卻塔能效變頻控制柜，通過監測冷卻水溫度實行聯合變頻確保冷卻塔風機高效運行，避免只開冷卻水不開風機造成的系統短路，提高冷卻塔降溫效果。

冷卻塔風機功率百分比和風量百分比隨風機頻率變化而變化，風量和功率百分比隨頻率變化曲線圖如圖1 所示。由圖1 可看出，風機功率百分比隨頻率上升而增大，同時風量百分比也增大，但兩者不是線性關系。在頻率為25 ～42 Hz 時，冷卻塔電機功率區間在13%～51%，這時風量可達到55%～86%，該區間的平均電風比為1:2.218。該區間兩側的平均電、風比均比此值低。由此得出：頻率為25 ～42 Hz 時是冷卻塔風機的高效區。

圖1 風量和功率百分比隨頻率變化曲線圖

隨著冷卻塔風量的上升，冷卻塔出水溫度下降。在達到一定風量后，即使繼續增大風量，出水溫度也基本不再變化。理論上出水溫度始終不會低于環境的濕球溫度。系統據此找到冷卻塔風機的運行頻率點。通過對塔群的控制，將風機運行頻率自動鎖定在風機高效區間內，實現節能目的。冷卻塔風量和出水溫度變化曲線如圖2 所示。

依據上述原理并結合公司實際情況，設計了三個冷卻塔運行方案。第一個方案為3 臺冷卻塔開啟2 臺，1 臺旁通，方案1 運行參數圖如圖3所示。第二個方案為3臺冷卻塔開啟2 臺，1 臺不旁通，方案2 運行參數圖如圖4所示。第3個方案為3臺冷卻塔全開，聯合變頻控制，方案3運行參數圖如圖5 所示。

在不采用冷卻塔聯合變頻控制的情況下，消耗的功率是開啟臺數的倍數關系，冷卻塔的整體利用率低，冷卻水出水溫度較高。

圖2 冷卻塔風量和出水溫度變化曲線圖

在聯合變頻工況下，開啟3 臺冷卻塔，運行功率為1.5 倍單臺冷卻塔額定功率P0，而出水溫度降低到29 ℃時比不采用聯合變頻技術工況下的出水溫度降低1～2 ℃。方案效果比對如表2 所示。

圖3 方案1 運行參數圖

圖4 方案2 運行參數圖

圖5 方案3 運行參數圖

2.3 冷卻水泵智能變頻改造

安裝冷卻泵模塊化能效變頻控制柜，對冷卻泵進行控制。冷卻水能效控制柜進行自動控制，壓力變送器能確保主機流量需求，并且能夠實時跟蹤機組因負荷變化造成的加載、減載與最佳冷凝溫度，另外再參考冷卻塔的實際冷卻效果和能力，及時調整冷卻水循環系統，使其揚程和流量達到最佳匹配狀態，保持冷卻水系統時刻處在最佳輸送范圍內[1]。

表2 方案效果比對表

智能型變流量冷卻塔的進出水溫差大是冷卻泵節能運行的基礎，冷卻循環以水為載體來轉移熱量，遵循熱量公式：

式（1）中，Q為冷卻水轉移的熱量，即冷卻量；C為水的比熱容，常數；M為冷卻水的流量，由冷卻泵提供；ΔT為冷卻塔的進出水溫差。

主機冷凝器需要被轉移的熱量（即：冷卻水需要提供的冷卻量）Q一定時，若ΔT小，則M需求大，即需要冷卻泵提供的流量多，冷卻泵的能耗大。

普通冷卻塔在實際運行時，冷卻水溫差為2～3 ℃，智能型變流量冷卻塔的溫差不低于5 ℃，由于主機冷凝器需要被轉移的熱量相同，二者需要的流量比較計算如下：

即溫差從3 ℃提到高5 ℃時，需求的冷卻水流量僅為3 ℃溫差時的60%。

依據水泵的特性，流量G，揚程H，功率N，轉速n，它們之間的關系是：

M2的流量為M1的60%時，N2與N1的關系是：

上式中，M1為普通冷卻塔冷卻量；M2為智能型變流量冷卻塔冷卻量；G1為普通冷卻水泵流量；G2為智能型變流量冷卻水泵流量；n1為普通冷卻水泵轉速；n2為智能型變流量冷卻水泵轉速；H1為普通冷卻水泵揚程，H2為智能型變流量冷卻水泵揚程；N1為普通冷卻水泵功率，N2為智能型變流量冷卻水泵功率。

冷卻水溫差從3 ℃提高到5 ℃，水泵的功率只有原來的21.6%，考慮到管道的阻力要求和其它損耗，冷卻泵可實現60%以上的節能率。

2.4 冷凍水泵智能變頻改造

傳統意義上，冷凍主機的回水溫度和出水溫度之差表明了冷凍水從區間帶走的熱量，溫度或溫差應該作為控制的依據，由于冷凍主機的出水溫度一般較為穩定，因此只需根據回水溫度進行控制即可。

控制方案：以溫度為控制，以溫度信號為反饋信號進行恒溫控制。對于冷凍水系統我們采用全閉環溫度控制。安裝冷凍泵模塊化能效變頻控制柜及壓力變送器，對冷凍泵進行控制。冷凍泵模塊化能效變頻控制柜確保主機冷凍水流量需求，結合實際負荷與主機運行工作需求，調整冷凍水循環系統，使其揚程和流量達到最佳匹配狀態，保持冷凍水系統在最佳輸送系數范圍內運行[2]。

2.5 空調末端送風機組改造

安裝末端風機模塊化能效變頻控制柜，實現末端送風機組變頻控制，確保車間溫濕度恒溫恒濕。

2.6 循環泵房冷卻水恒溫控制改造

在循環泵房冷卻水換熱器的冷凍水管路上安裝電動調節閥，信號轉換采用溫差PID 控制，不但能將溫差信號轉換為0～10 V 的標準模擬量信號，而且可以方便顯示回水溫度、進水溫度和溫差值，通過監測冷卻水溫度對調節閥進行PID 控制，達到實現冷卻水恒溫控制。

2.7 增加工控機控制平臺

將整個制冷系統全部納入該控制平臺，實現中央空調一站式的監控和記錄。通過智能化控制的建設和升級，以便更精確地對運行狀態點和數據進行分析，使空調系統處于最佳工況運行，從而顯著提高中央空調系統的管理效率，減小能源浪費環節。

3 節能效果核算分析

3.1 改造后節能效果

中央空調改造后節能效果情況如表3 所示。

表3 中央空調改造后節能效果情況

3.2 效益分析

項目實施后年總效益=126.08 萬kW·h×0.678 元/kW·h=85.48 萬元。

項目投資主要包括設備采購費和安裝費等，總投資額為人民幣366 萬元，項目投資回收期約為52 個月。

4 結語

中央空調制冷系統節能技術改造提升了冷卻塔降溫效果，提高了制冷機效率，同時降低了能源消耗，增加了經濟效益，中央空調制冷系統改造后比改造前節能達30%以上。該系統的操作實現了自動化和智能化，減少了操作工的勞動強度。改造結果表明，該企業實施對其中央空調節能技術改造是有效降本增效的一條途徑。