冬季冷却塔供冷系统节能效果动态预测与应用

(中国葛洲坝集团房地产开发有限公司,北京 100020)

大型综合体建筑的内区或者某些工业厂房,在冬季仍然具有空调供冷需求。例如卷烟厂建筑,由于卷烟厂卷接包、滤棒成型、膨胀烟丝、制丝等生产车间的工艺设备产热量较大,全年需要供冷,因此在冬季可考虑利用自然冷源实现节能运行。通常来讲,设置冷却塔供冷系统,采用冷却塔代替冷水机组或者空调系统加大新风量运行,充分利用室外冷风,是冬季利用冷源的两种方式。这两种节能技术都在工程中得到广泛应用。但从实践经验来看,冬季卷烟厂空调系统加大新风比可能会因为室外温湿度波动带来车间温湿度控制精度降低的问题。因此,卷烟厂在冬季倾向于采用冷却塔供冷系统为其产热量较大的车间提供冷量。

本文以某卷烟厂冬季冷却塔供冷系统为例,结合冷却塔风扇台数控制策略,从分析冷却塔换热的热工特性出发,理论推导冷却塔风扇运行台数与空调系统冷负荷以及室外气象参数等因素之间的数学关系式,实现对冷却塔供冷系统能耗水平的动态预测,以期为科学评价该项技术实际的节能效果提供更为准确的技术手段。

1 系统方案

某卷烟厂位于我国长三角地区,其冷冻站现有6台离心式冷水机组,单台制冷量为5274 kW(折合1500冷吨),机组额定能效系数 (Coefficient Of Performance,COP)为 6.5。每台冷水机组分别对应1台冷冻水泵、1台冷却水泵及1组冷却塔。单台冷冻水泵额定流量为1000 m3/h,电机功率为160 kW；额定流量为1130 m3/h,电机功率为132 kW；每台冷却塔由8个冷却单元组合而成,每个单元装有1台风扇,单台风扇额定功率为7.5 kW。

拟采用的冬季冷却塔供冷系统方案是：在保持现有冷冻站系统设备的基础上,增加2台板式换热器和相应的旁通回路,单台板式换热器设计供冷能力与单台冷水机组相当。每台板式换热器对应1台冷冻水泵与1台冷却水泵,但对应2组冷却塔以在冬季增大换热面积。在运行过程中,系统采用冷却塔风扇台数控制策略,通过设定冷却水出水的温度范围,自动启停冷却塔风扇。系统流程见图1。

图1 系统流程

2 模型建立

根据冷却塔的换热原理,通过建立冷却塔出水温度与冷却塔风扇台数,空调冷负荷以及室外气象参数的关系模型,即可以在冷却塔出水温度限值前提下,结合所承担的空调逐时冷负荷以及室外逐时气象参数,计算得到风扇逐时运行台数,进而实现对冷却塔供冷系统能耗的动态预测。

2.1 理论假设

(1)见图2,对某一气水比固定的冷却塔,当湿球温度及冷却水进出水温差在某一小范围内变动时(如对文中系统,湿球温度0℃

图2 冷却塔热工特性曲线(67%设计流量：36mL/(s•kW))

(2)当冷却塔某些冷却单元的风扇关闭时,忽略在自然进风下对冷却水的降温效果。这相当于对冷却塔的降温作用做保守估计,利于系统安全。

(3)不考虑水系统管路温升(冬季室外气温较低且系统做好保温)。

2.2 建立预测模型

基于上述理论假设,此处建立预测冷却塔风扇运行台数的数学模型。将卷烟厂冬季冷却塔供冷系统按水－水板式换热器分成两组子系统。由前述的系统方案可知,单组子系统中包含2组冷却塔,而每组冷却塔设有8台风扇,即对每组冷却塔供冷子系统共有16台风扇可用于进行台数控制。对单组冷却塔供冷子系统,其换热过程见图3。

图3 冷却塔换热过程

假定在某时刻空调冷负荷及室外湿球温度下,在保证冷却塔供冷系统出水温度(图3中tg'与冷却单元冷却水出水温度tg不同)尽可能接近但不高于某一温度限值的条件下,某一组冷却塔供冷子系统风扇的开启台数为n,则关闭的风扇台数为(16－n)。

对开启风扇的冷却单元,其冷却水进出水温差Δt可表示为：

式中：Q为系统承担空调冷负荷(kW)；G为系统冷却水量(kg/s)；CW为水的比热,可取4.19 kJ/(kg℃ )。

同时有：

式中：th为系统回水温度,(℃)。

根据前述理论假设(1),冷却单元的冷却水出水温度tg可以表示为：

式中：ts为室外湿球温度(℃)；a、b、c均为常数,是反映冷却特换热的热工特性参数。冷却水出水端的能量守恒有：

式中：tg'为冷却塔系统的出水温度(℃),数值应不高于某一限定温度tlim(文中卷烟厂的tlim为12 ℃),即有：

联立上述式(1)～(5),即可以得到：

对上述不等式取整,即可以得到冷却塔风扇开启台数应为：

式中：ceil为向上取整。

由式(7)可以看出,影响冷却塔供冷系统风扇开启台数的因素有冷却塔系统出水温度限值tlim、冷却水量G、冷却塔热工特性参数(即a、b、c三个常数)、空调冷负荷Q以及室外湿球温度ts。其中,冷却塔系统出水温度限值,冷却水流量以及冷却塔热工特性参数对某一系统而言为固定值,前两者可根据实际系统取值,而冷却塔热工特性参数,可通过实测数据进行拟合得到。空调冷负荷和室外湿球温度为瞬时值,前者可利用能耗模拟软件计算得到,而后者可依据当地典型年气象数据进行取值。当得到上述影响因素的取值后,即可以利用式(7)计算运行期内冷却塔供冷系统的逐时风扇运行台数。

2.3 模型验证

对于某卷烟厂冷却塔供冷系统,模型验证分两工况进行(该两工况均运行一组冷却塔供冷子系统,即至多开启16台冷却塔风扇)。第一工况为非自控工况,即开启全部16台冷却塔风扇,此时冷却单元出水温度tg与冷却塔系统出水温度tg'相等,通过测试冷却塔系统进出水温度以及室外湿球温度,利用式(3)线性回归得到冷却塔热工特性参数(即a、b、c三个常数)；第二工况为自控工况,此时冷却塔供冷系统按照风扇台数控制策略运行,该工况测试冷却塔系统进出水温度、冷却水流量G以及室外湿球温度ts并记录风扇实际开启台数n,利用系统进出水温度与冷却水流量可计算空调供冷量Q,进而利用式(7)可计算风扇开启台数的预测值,将其与实际值比较即可验证模型的准确性。

基于第一工况下的冷却塔实测数据,通过线性回归处理,即可以得到式(3)中的a、b、c常数值。回归结果表明,该卷烟厂冷却塔换热的热工特性方程为：

线性回归的显著性水平p<0.001,这说明上述回归有效。同时,实测值与预测值的最大绝对误差不超过0.8℃,最大相对误差不超过10%,基本满足工程需求,这表明前述理论假设(1)是可以接受的。

第二工况的测试时长为48 h,时间间隔为1 h。基于实测数据,利用式(7)计算得到的风扇开启台数预测值以及记录的实际值见图4。

由图4可以看出,冷却塔风扇台数预测值与实际值虽有所差异,但是两者差别不大,大多数误差在2台风扇以内,这说明冷却塔风扇开启台数的预测值能够反映实际值的变化规律。因此,上述预测模型能够对冬季冷却塔供冷系统风扇运行台数进行动态预测,进而能够更为准确地预测和评价系统的实际能耗水平。

图4 某卷烟厂冷却塔供冷系统风扇开启台数的实际值和预测值比较

3 模型应用

根据前面建立的预测模型,即可以计算得到卷烟厂冷却塔供冷系统全年逐时的风扇开启台数,从而可以预测系统的逐时能耗,最终可以对冷却塔供冷系统的节能效果进行评价。

3.1 冷却塔风扇全年运行台数

首先利用建筑能耗模拟软件,可得到文中卷烟厂车间全年空调系统逐时冷负荷,并结合卷烟厂所在地的全年逐时室外湿球温度,利用预测模型即可以计算得到全年冷却塔供冷系统需要逐时开启的风扇台数。针对冷却塔出水温度不高于12℃的运行控制要求,计算得到的某卷烟厂冷却塔供冷系统逐时的风扇开启台数见图5。可以看出,在冬季供冷运行期内,不存在运行2组冷却塔供冷子系统全部32台风扇的时段,而且同时需要运行2组子系统的时段也较少；在运行1组子系统的时段,大部分时刻也不需要运行全部的16台风扇。因此,冬季冷却塔供冷系统采用风扇台数控制策略能够取得显著的节能效果。

图5 冷却塔供冷系统冬季供冷期逐时的风扇开启台数预测

3.2 系统运行能耗

根据卷烟厂冷却塔供冷系统供冷期内逐时的风扇开启台数,即可以统计计算系统运行能耗(冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风扇三者能耗之和)。需要说明的是,当预测的风扇运行台数n值满足0＜n≤16,即此时只需运行1组冷却塔子系统,则统计能耗时只计入1台冷冻水泵和1台冷却水泵；而当16＜n≤32,则统计能耗时计入2台冷冻水泵和2台冷却水泵。由统计可知,该冷却塔供冷系统冬季供冷期内电耗为1.03h106kWh。

3.3 系统节能效果评价

为简化考虑,近似认为冬季冷却塔供冷与常规冷水机组供冷方式的冷冻水泵、冷却水泵以及冷却塔风扇的电耗相同,也即两者的主要差别是冷水机组电耗。根据假设,冬季冷却塔供冷系统承担的空调逐时冷负荷由冷水机组承担,并按照一定的制冷COP折算冷水机组的电耗,即得到冷却塔供冷系统的节电量。

对文中卷烟厂统计可知,在冬季供冷期内空调总冷量约为7.403h106kWh,若承担上述总冷量,根据制冷COP折算,则冷水机组电耗为1.139h106kWh。此即为冬季冷却塔供冷与冷水机组供冷方式相比的节电量。因此,若由采用冷水机组供冷方式,则其总电耗应为2.169h106kWh,从而冬季冷却塔供冷系统节能率为52.5%。

工业用电成本按0.8元/kWh计算,则该卷烟厂冬季冷却塔供冷系统全年可节约电费约为91万元。整个系统增加了2台水－水板式热交换器以及旁通管路等,投资约为160万元,则理论上来讲,其投资回收期约为2 a。

需要指出的是,上述节电量或者节约电费的指标不能反映出不同供冷方案的能源转换效率,这可能导致对方案的评价不全面。为了定量说明这个问题,本文根据《公共建筑节能改造技术规范》(JGJ 176－2009)中的定义,对冷源系统能效系数指标进一步对比分析。冷源系统能效系数是指冷源系统单位时间供冷量与冷水机组、冷水泵、冷却水泵和冷却塔风机单位时间耗能的比值,这比单纯考虑冷水机组本身的COP更全面,适用于本文中冬季冷却塔供冷和冷水机组供冷两种方案的比较。针对文中卷烟厂,冬季供冷运行期内冷却塔与冷水机组供冷方式的冷源系统能效系数见表1。

表1 某卷烟厂冬季冷却塔与冷水机组供冷方式冷源系统能效系数比较

由表中可以看出,冬季冷却塔供冷方式的季节冷源系统能效系数约为冷水机组的两倍左右,且远远大于JGJ 176－2009中规定的限值(规范限值为2.5),这说明卷烟厂的冷却塔供冷系统具备优异的能源转换效率。

4 结语

本文克服了已有研究中静态分析冬季冷却塔供冷系统节能效果的不足,从分析冷却塔换热的热工特性着手,基于合理的理论假设,理论推导了风扇台数控制策略逻辑下冷却塔风扇运行台数与冷却塔系统出水温度、冷却水流量、冷却塔热工特性参数、空调冷负荷以及室外湿球温度等因素的数学关系式,建立了冷却塔风扇运行台数的预测模型并实施了验证,从而实现了对冬季冷却塔供冷系统节能效果的动态预测。

基于文中提出的动态预测方法,对某卷烟厂冬季冷却塔供冷系统的节能效果进行了预测和评价。结果表明,该卷烟厂冷却塔供冷系统在冬季供冷期提供空调冷量7.403h106kWh,运行电耗为1.03h106kWh；与冷水机组供冷方式相比,其冬季供冷期内节电量1.139h106kWh,节能率为52.5%,节约电费约为91万元,投资回收期约为2a,季节能源系统能效系数高达7.19。本文的研究成果可为预测和评价冬季冷却塔供冷系统的节能效果提供参考。