中央空调系统中冷却塔风机变频节能的可行性分析

殷 萍

(深圳市福田区建筑工务局,深圳518000)

随着节能意识日益深入人心,各种各样的节能技术纷纷投入应用,而在离心式设备上安装变频器被认为是最简单、投资回报最快的技术,例如在离心式冷水机组上,冷冻水水泵、末端离心风机上加装变频驱动,在理论上和实践上都能获得比较良好的效果。但是,冷却水水泵或冷却塔轴流风机安装变频驱动是否能获得同样的效果?文献 [1]讨论了在冷却水泵上安装变频驱动对冷水主机性能的影响。本文将通过详细的模拟计算讨论在冷却塔安装变频器的节能分析。

需要指出的是,在中央空调系统中的冷冻水或冷却水系统中的任一设备安装变频驱动,都必须考虑它是否对冷水机组本身的性能会产生影响。例如,随着控制技术水平的提高,冷冻水侧实现变流量运行下的主机性能与定水流量相差无几,这是因为两者的蒸发温度基本相同。但在冷却水侧若实施变流量运行则将提高冷水机组的冷凝温度,导致冷水机组本身的能耗增加,那么必须权衡水泵的节能与冷水机组效率变差的综合效果。同样,在冷却塔上实施变频,相应也改变了冷水机组的冷却水温度,其能耗必将受到影响,因此也必须将冷水机组的性能考虑在内,单纯考虑冷却塔本身的节能效果是不合适的,否则得到的综合效果可能是得不偿失的。

1 理论分析

目前在冷却塔实施变频的控制逻辑一般是调节风机的转速以维持冷却塔的出水温度与湿球温度之差 (即为冷却塔的逼近度)为一定值。但这在实践中可行吗?

图1①和图2②都清楚地表明,随着湿球温度的降低,冷却塔的逼近度将逐渐变大。因此即使要实施变频以维持固定的逼近度,则外界的湿球温度与冷却塔的负荷必须同时满足一定的条件才能实现。其中冷却塔的热负荷为冷水机组冷凝器的排热量,约等于冷水机组的冷量与输入功率之和 (体现在冷却水温差的大小),因此它还与冷水机组的效率有关。

图1 冷却塔典型性能曲线

图2 标准工况下冷却塔性能曲线

另外,即使冷却塔在一定的条件下有一定的变频空间,那么如果将冷水机组的能耗也考虑在内,那么结果将会是什么?从理论上将,如果对冷却塔不进行控制,相对而言可以获得较低的冷却水进水温度,对主机有利;反之,对冷却塔有利,两者的综合效果才是问题的关键。

2 选型过程

为了验证该控制逻辑的可行性,本人与冷水机组厂家及冷却塔厂家合作,在不同的负荷及湿球温度下,利用它们的选型软件进行冷却塔的变频与不变频选型验证,基本情况与数据的获取方法及过程如下。

选型软件情况:冷水机组的选型软件经过美国美国制冷协会 (ARI)认证;而冷却塔选型软件经过美国冷却塔协会 (CTI)认证。需要说明的是,该软件提示当逼近度小于2.78℃(5℉)时,不保证机组的性能;

选取常规空调工况下遇到频率较大的部分负荷运行工况点100%,80%,60%负荷点,湿球温度分别为28℃,24℃,20℃;冷却塔变频时的设计逼近度为4℃;

冷水机组的标准型号为某公司的YK系列3516kW(1000RT)离心式冷水机组,设计参数为:满载耗电量607kW,冷却水进出温度为32/37℃,冷却水流量为196.7 l/s(3118GPM);根据上述冷水机组的冷却水流量和进出温度,软件自动得出某公司SC系列最经济的型号为三台250L,其最大的处理能力为208.2 l/s;

在此选型过程中做如下的假设:不考虑冷却水管路系统获得的温升或者温降,即冷却塔的出水温度为冷水机组的进水温度,而冷水机组的出水温度为冷却塔的进水温度。

其他非设计工况下数据的获取程序如下:

(1)冷却塔不变频时的冷却水温度计算

此时冷却塔的进出水温度需要与冷水机组进出水温之间做迭代计算。先假定一个冷却水进水温度值,代入冷水机组软件,得出其性能值,再反代入冷却塔软件,直至得出的最经济型号为设计型号且最大处理能力与设计点的最大处理能力相差不超过2%时即为该工况点的冷却水温度。

(2)冷却塔变频的冷却水温度计算:

先初步以设定的冷却水进水温度对冷水机组进行选型,再反代入到冷却塔选型软件进行校核。由于该冷却塔选型软件不能直接计算变频工况下的性能,因此我们以如下方式获取数据:以该软件得出的功率最小的型号作为其输入功率;反之,如果该软件得出的最经济型号大于设计型号,则采用2.6.1的方法进行校核计算,很显然,此时的运行状态与不变频一致。

3 数据分析

3.1 数据整理

通过各自的选型软件并经过迭代,相关的数据整理如下。

表1 冷却塔不变频 (湿球温度28℃)

表2 冷却塔不变频 (湿球温度24℃)

表3 冷却塔不变频 (湿球温度20℃)

表4 冷却塔变频(湿球温度28℃)

表5 冷却塔变频(湿球温度24℃)

表6 冷却塔变频(湿球温度20℃)

3.2 分析结果

相关分析的结果如下:

将湿球温度作为横坐标,分别将冷却塔变频与不变频下的节能率 (冷水机组和冷却塔能耗之和)及各个湿球温度下恒速冷却塔所能获得的极限逼近度和设计逼近度作为纵坐标,其结果如图3所示。如果节能率是正值,则意味着该工况下整体能耗将上升,实际上不能获得节能效果。同样,如果获得的极限逼近度小于设计逼近度,则冷却塔风机存在一定的变频空间。

我们从图3可以有如下结论:

(1)在所有的工况下,只有一个点有节能效果,而且节能效果很小;而在大部分的工况下,变频冷却塔带来的是整体耗电不变或者增加!

(2)随着湿球温度的降低,冷却塔能实施该变频控制的负荷越来越低,例如在28℃时,所有的工况点都可以实现变频;当湿球温度降为24℃时,只有80%及以下负荷点有很小的变频区间;当湿球温度降为20℃时,只有60%及以下负荷点有很小的变频区间。这些工况点占常规的舒适性空调运行时间比例已经非常小,因此其实际意义已经不是很大。

(3)以上的计算分析只是针对单台冷水机组与单台冷却塔之间的耗能评价,但在实际的应用中更多的是多台系统,因此也有逻辑控制改为将运行的冷却塔数量多于冷水机组的数量以维持设定的逼近度,认为这样可以降低风机转速,获得一定的节能效果。由于冷却塔的选型软件无法对此方案进行准确的模拟计算,但笔者认为,根据上面的分析,即使相比单机系统有更大的变频范围,但总体节能效果也相当有限,而且其在硬件和软件上的投资回报期相对而言不是很理想。

图3 不同负荷率下的节能率,逼近度与湿球温度的关系

4 结论

通过实例计算表明,在大部分空调使用时间内,由于湿球温度对冷却塔性能的影响,在冷却塔实施变频,虽然其本身获得了一定的节能效果,但却对冷水机组的能耗产生了不利的影响,因此就其整体效果而言,很可能是得不偿失的。冷却塔安装变频可能更适用于那些需要长时间在冬季湿球温度较低但需要开启冷水机组的场合,通过变频调节以保证冷却水温度不低于冷水机组所允许的最低却水温度。

[1]曾振威.节能不能因小失大 [J].暖通空调,2002,32(4):32-33

①John C.Hensley(SPX cooling Technologies).Cooling Tower Fundamentals[M],second edition,2006:21

②McQuay International.Chiller plant design[M],2002:64