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中央空调系统附属设备节能控制分析
来源: | 作者:zhbjl1 | 发布时间: 2016-04-13 | 550 次浏览 | 分享到:
主要介绍了中央空调系统附属设备即冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机在节能运行控制上的重要意义和控制方法。
0 引言

中央空调系统全负荷运行时,其附属设备冷水泵、冷却水泵及冷却塔风机耗电约占中央空调总耗电量12%~15%。根据美国空调制冷学会(ARI)统计;一般空调设备有90%的时间运行在70%的负荷一下,因此在部分空调负荷时,冷水泵、冷却水泵及冷却塔风机耗电量所占比例将会更高。

目前中央空调系统节能控制大都针对冷水主机,很少针对附属设备中冷水泵、冷却水泵及冷却塔风机做研究,虽然中央空调系统水泵及冷却塔风机已渐采用变频节能控制,但变频实施后节能效果不一,不少空调散热系统中冷却塔与冷水主机之间节能运行存在着顾此失彼,因小失大的问题,影响了系统的运行和节能的效果。空调系统的节能传统的做法是以降低设备中最大的驱动电机(冷水主机的电机)耗电为方向,不过这跟最佳化节能目标有相当的偏差,空调系统运行效率系依冷却水泵、冷却水塔的选择、冷水主机型式、空调负荷,以及环境湿球温度而定。满负荷时,若减少冷却水量将得不偿失,而在部分负荷时,适当调节冷却水流量却可以达到某种程度的节能。

国内现有的大楼或工、商业等一定规模的中央空调系统中,普遍采用有较远运行效率的水冷式中央空调系统,但其冷却散热系统的冷却水泵和冷却塔皆最大空调负荷匹配设置,当空调系统在部分负荷时,由于制冷量小,冷凝热负荷也小。因此,冷却散热系统的冷却水泵、冷却塔风机就不需全量投入运行以节约耗能。为了进一步提升中央空调整体效率,还要针对中央空调散热系统的运行参数(冷却水温度)进行最佳化调节使得整体耗能(包括冷水主机、冷却塔风机、冷却水泵的耗能)达到最小。使空调系统的变频节能工作尽可能做到完美无缺、获得最大的节能效果。

1 冷却水温度最佳化控制

针对冷却水温度对于冷水主机的冷却塔的综合耗能的影响分析冷却水温度控制、以及冷却塔风机的变频调速控制。

对大中型空调系统而言,水冷式冷水机组是采用得最为普遍的冷源。目前国内的设计标准都把冷却水供、回水温度定义为32℃、37℃的运行范围。这是因为我们对冷水机组性能测定是在冷却水温度32℃进入冷凝器,37℃流出冷凝器的条件下定义的。但冷水机组在实际使用时,有90%以上的时间运行在非设计条件(部分负荷)下。此时,不但冷水机组的工作负荷与设计负荷有偏差,而且由于室外气候条件的变化,冷水机组的工作点也与设计工作点有很大的不同。在各种不同的空调条件下需要进行冷却水温度的最佳化控制才能使得整体冷水机组的耗能最低。

对于传统机械式的冷却塔,其风机转速越高,冷却水的温度就会越低,此时冷却塔的耗电越大;但是对于冷水主机来说,冷却水温度越低,冷水主机的耗电越少。反之,若冷却塔速越低,冷却水的温度就越低高,这样冷却塔的耗电越少。但对于主机来说,由于进入冷凝器的水温升高,相应的主机耗电会增加。这里显然存在一个最佳化控制的问题。

实际上,冷水主机和冷却塔的整体最低耗能并非确定在某一个固定的冷却水温度上,它会随着室外湿球温度、冷水主机的负荷的变化而变化。因此,若能在冷却水系统的运行过程中,及时计算出该时刻的冷却水最佳化温度,提供给冷水主机的冷凝器,则将减少冷水主机与冷却塔的整体耗能。

冷却水温的调节有许多方法,有冷却水系统的旁通泵变频控制,也有冷却塔风机的两段风速控制,还有冷却塔风机的无段变频控制。采用多部冷却塔并联,对风机采变频调速控制,多部冷却塔并联且以较低转速运行时冷却塔节能的一个较好方法。

空调系统部分负荷运行时,冷却水系统的节能调节普遍被忽视。如果根据实地测试和计算机分析,提出空调系统部分负荷时,冷却水系统的节能调节原则,可指导既有空调系统的节能调节和新设空调装置的最佳化设计。

影响空调系统冷水主机性能的一个主要因素是冷凝温度。对于采用水冷式冷凝器的空调系统冷水主机,冷却水系统的调节直接影响到冷凝温度。当蒸发温度不变,冷凝温度升高时,冷媒循环的压缩比增大,效率降低,压缩机的耗功增加。

在部分负荷时,由于制冷量小,冷凝热负荷也小。因此,部分负荷时水泵和冷却塔就不需全量投入运行。另一方面,如果投入量不足,冷凝条件恶化,冷凝温度(压力)上升。在压缩式冷媒循环中,蒸发温度不变而冷凝温度上升时,压缩机的耗功增大,冷水主机的性能下降。

冷却塔虽然是中央空调系统中的附属设备,但它却担负着散发整个系统所吸收的总热量的重要任务。因此,对冷却塔的操作正确与否,直接关系到整个空调系统的制冷效果和节能。冷却塔出水温度tct=ts+4℃,ts为湿球温度,由冷却塔出水温度15℃为条件可以推出,室外湿球温度ts必须小于11~12在自控系统中,现行的温湿度传感器测量到的参数为室外干球湿度和室外空气相对湿度,而判断冷却塔投入运行量的多寡则是利用室外湿球温度的大小来衡量的,因此必须从测量到的室外干球温度ts和室外空气相对湿度去求出室外湿球温度,这个求解过程可由空调原理来计算。

2 冷水温度最佳化控制

中央空调冷水机组在标准条件下系按所规定的冷水回水温度为12℃,供水温度7℃温差为5℃的条件下运行的,对于同一台冷水机组来说,若运行条件不变,外界负荷固定的情况下,冷水机组的制冷量是一定的。此时,通过蒸发器的冷水流量与供、回水温差成反比关系,即冷水流量越大,温差越小;反之,流量越小,温差越大。所以。冷水机组规定冷水供回水温差5℃这实际上是规定了机组的冷水流量。这种冷水流量的控制实际上为控制冷水通过蒸发器的压力降。

当冷水出水温度的设定温度增加时,冷水主机的耗电量(kW)即可下降,性能系数(COP)则将随之增大,表示冷水主机于设定较高的冷水出水温度时,将可活得较佳的节能效果。但由于实际应用时,某些应用场合空调的要求条件较为严格,不允许随意提升冷水出水温度,因此若能在空调系统初期规划设计时,将高冷水温度系统与低冷水温度需求的系统分别独立设计,以不同的冷水主机供给不同冷水水温必能大幅度地减少运行成本及能源。

3 中央空调系统部分负荷运行的节能控制

我国的工商业、大楼等一定规模的中央空调系统中,广泛采用水冷式空调系统,水冷式空调系统配备水冷式冷凝器,冷却水系统通常按满负荷配备设备。但是,在实际运行中,部分负荷运行的时间占很大比例。在空调系统的设计中,显然,按满负荷配置的冷却水系统,在部分负荷时存在着最佳调节问题。在部分负荷时,由于制冷量小,冷凝热负荷也小。因此,冷却水系统的水泵、冷却塔就不需全量投入运行。但是,如果投入量不足,无疑将使冷凝条件恶化,造成冷凝温度上升,相应的冷凝压力上升。在压缩式冷媒循环中,蒸发温度不变而冷凝压力(温度)上升时,压缩机的功耗增大,循环性能下降。但水系统的能耗减少。因此,在一定条件下,减少冷却水流量可以使总能耗减少,获得节能效果。

4 结论

如前所述,空调系统大部分时间运行在部分负荷状态下,定频运行的水泵、风机处于超扬程、超流量的运行状态,如果采用变频方法控制水泵、风机运行,可以解决超扬程、超流量的不利运行条件,同时通过适当的水泵、风机频率控制策略,可以使水泵、风机运行在高效率区域,并能很好适应系统流量及扬程需要,达到理想的节能效果。

 

参考文献

[1]M.A.Bernier B.Bourret,Pumping Energy and.variable Frequence Drives[J]. ASHRAE Journal,1999

[2]J.R.Brodrick,Are Fans Blowing Your Energy Budget ?[J].HPAV Engineering,2000.

[3]H.Crowther and J.Furlong,Optimizing Chillers&Tower[J].ASHRAE Journal,Vol.46,2004