中央空调冷却水系统的节能分析

律宝莹，张 哲

（天津商业大学 机械工程学院，天津300134）

1 引言

中央空调系统不仅要满足人们对工作、生产的环境要求，同时也要满足对环境保护和节能的要求。随着国家节能政策的实施，中央空调的能耗问题成为许多学者的研究方向。中央空调机组系统包括冷冻水系统、冷却水系统及主机，其中冷却水系统能耗占中央空调总能耗的15%～20%［1］。同时由于冷却水量多于冷冻水量，因此对冷却水系统的节能优化显得尤为重要。由于室外环境的变化和室内人员的流动性大，中央空调系统在大部分情况下只提供部分负荷，因此冷却水系统也在很长时间内处于部分负荷运行下，而设计时是参考满负荷运转进行设备选型，必然会出现设备选型庞大和能源的浪费。研究冷却水系统节能即是研究在部分负荷运转下的控制运行。冷却水系统包括冷却水泵、机组和冷却塔三部分，本文主要对冷却水泵和冷却塔的节能进行了分析。

2 冷却水泵节能分析

对于冷却水系统而言部分负荷运转的情况是由外部环境参数的改变引起的。外部环境参数主要包含4个：冷水进口温度、冷水出口温度、制冷量和室外湿球温度［2］。通过改变水泵的运行工况适应负荷的变化。通常冷却水泵运行工况的改变方法有3种。

2.1 改变阀门开启度

调节水泵出口处阀门的开启度，是改变水泵工况点最简便易行的方法。阀门在正常运行情况下，一般都全部开启，当关小阀门时，局部阻力加大，性能曲线变抖，流量变小，扬程增大。水泵的工作点由A2 点移动到A1点，如图1。这种方法虽然简便，但是阀门的调节范围有限，当扬程过大时，会导致水泵过载，降低其使用寿命。由于增大了局部阻力导致水泵的输出功率增大，造成电能的浪费。关小阀门也会加大管路的噪音。

2.2 改变水泵叶轮直径

由相似定律可知，叶轮直径改变，会引起水泵的流量，扬程，轴功率发生相应的变化，因此可以通过改变直径达到改变运行工况的目的。但是车削技术的精度要严格控制，否则可能会影响水泵的性能。由于水泵直径的改变量有限，不能满足各个负荷率的使用情况，因此适应性比较差。

图1 改变阀门开启度调节水泵工况点

2.3 改变水泵转速

改变水泵转速会得到不同的性能曲线，从而会产生不同的工况点，此方法不会产生额外的摩擦损失，调节方便，是现在广泛应用的一种形式。转速和流量，扬程，功率之间的关系如下：

式中：Q、N、H分别表示水泵转速为n时的流量、扬程、轴功率。Q，、N，、H，分别表示水泵转速为n，时的流量、扬程、轴功率。

冷却水变流量系统原理图如图2所示。变频泵节能原理如下：冷水机组冷凝器进行热交换时，换热量一定，流量减少，进口温度不变，则出口温度会升高，从而导致冷机的能耗增加。对于冷却水系统而言，冷却水流量减少，使冷却水泵的能耗降低。这两者的差值即是冷却水变频泵的节能量。国内许多学者对冷却水变流量的研究都比较谨慎，认为虽然冷却水变流量可以降低自身的能耗，但会降低机组的使用性能，达不到综合节能的目的。随着学者对冷却水节能的深入研究［3～5］，通过对比冷却水变流量的节能量和制冷机组的能耗增加量，提出由于冷却水量要多于冷冻水量，因此只要设计合理，控制得当，冷却水系统还是有很大节能空间的。最后通过分析数据得出，冷却水泵的功率和制冷机组功率相差越小，冷却水泵台数越少，综合节能效果越显著。

图2 变流量系统

采用变频泵不仅可以节能还具有其他优势，如成本回收时间较短。采用变频泵会增大初投资，因此需要一定的时间回收设备投资，如果时间太长则经济性不合理。文献［6］中通过对一工程实例的数据分析得出，采用变频水泵每月可节约用电12377kW·h，折合人民币12129.5元，投资费回报时间为7.9个月，回报时间较短。通过分析可以得出，采用变频泵，只要设计合理，控制得当，在一定情况下是有很大节能空间的，同时回收投资时间短，具有市场推广价值。

3 冷却塔的节能分析

建设节约型社会的政策下，节约用水量得到重视，其中使用循环水是最直接高效的节约方法，国外发达国家水的重复使用率高达75%～85%，我国还有很大差距，除制定节水政策外还要加强对循环水技术进行研究。据调查显示，循环水的冷却与输送的能耗约为0.2～0.3kW·h／（m3·h），每年全国循环水耗电300～450亿kW·h［7］，对循环水技术的研究是节约电能的有效措施。通过分析知冷却塔的节能方式不仅包括节约电能，同时还包括提高循环水技术。

（1）控制冷却塔出口温度。降低冷却水出口温度可以提高制冷机组性能，然而由于冷凝压力的限制使得冷凝温度有最低温度限制。对于冷却水系统而言，降低冷却水温度必然会导致冷却塔风机和水泵的功率增大，引起电能不必要的浪费。通过对比最冷工况，设计工况和空气湿球温度加上2.8℃三种出口温度，得出最佳温度控制方式较其他方式节约费用约5%左右［8］，可以看出控制出口温度在节约能源方面的重要性。

（2）控制冷却塔水量和风量。由相似性准则知功率和流量之间有三次方的关系，因此降低流量和风量会降低功率，从而节约电能。通过研究得出水泵功耗比重越大，节能效果越明显［5］。目前不少人对冷却塔变水流量做了研究［9～13］，从节能方面讲，也要注重两者的耦合关系，文献14研究得出，当冷却塔负荷从170kW 降低到12kW 时，冷却塔的风量仅为原来的54.6%，水流量变为原来的70.6%，从而节约能耗。

（3）提高循环水技术。循环水技术可以通过多种方式进行改进如控制进水口温度，选用合理的冷却塔形式，选用合适的风机等等。其中不同的冷却塔形式产生的能耗有很大区别。通过对比逆流式冷却塔和横式冷却塔得出，横流式冷却塔的供水水压比逆流式冷却塔的供水水压高4m，因此逆流式冷却塔每1m3／h可以节约水泵功率0.014kW，全年可节省近119kW·h［7］，循环水量越大，节能效果越显著。

4 结语

对于空调系统而言，耗能主要由制冷机组、水泵、冷却塔等各部分能耗组成，因此只有控制各部分的耗电量，才能达到整体的节能。目前制冷机组的性能指标已达到很高的水平，系统其他部分同样具有很大的节能潜力，空调用户可以采取不同的控制方式达到节能效果。

本文通过对水泵和冷却塔的节能分析，为以后的学者提供一些参考方向。研究数据表明当水泵和风机同时采用变频技术，节省电能高达53.9%［15］，因此对空调系统各部分进行节能研究的同时，也要注重各部分之间的耦合关系，才能将理论更好的应用到实际工程，达到理想的节能效果。

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