中央空调制冷系统节能改造

刘丙刚，贾丕建，王博，王焕亮

（1.玲珑集团有限公司，山东招远 265406；2.烟台市能源综合执法支队，山东烟台 264003）

1 原制冷系统状况

1.1 主要设备

玲珑集团公司PCR5 厂中央空调制冷系统是该厂生产车间环境温湿度控制和工艺设备冷却水换热降温的重要工序，它的工作原理是该厂制冷机房的制冷机通过屋顶冷却塔提取室外热量制取低温冷冻水，分别供应给机房中央空调用来控制生产车间温湿度和循环泵房工艺换热器设备冷却。该中央空调制冷系统主要由3 台制冷主机、4 台冷却水循环水泵、4 台冷冻水循环水泵、3 座冷却塔、20 台空调机组、3 台板式换热器和3 台低温循环水泵等组成。中央空调主要设备技术参数见表1。

1.2 原系统运行存在问题

冷却塔存在的主要问题如下：

表1 中央空调主要设备技术参数

1）冷却塔采用单层喷淋，布水不均匀，降温效果差。

2）冷却塔运行方式不合理，冷却塔供水和回水阀门全部开启，只通过开停冷却塔风机进行控制。

3）冷却水泵和冷水泵控制方式简单。制冷主机运行时配套的冷水泵和冷却水泵开启运行时无控制逻辑。特别是低负荷时中央空调机组冷水需求量少，水泵无法根据实际情况进行调整。

4）中央空调机组布置相对分散，操作工必须到现场开启机组，而且日常设备巡检劳动强度很大。

5）循环泵房工艺设备冷却水温度波动大。特别在白夜交替和车间工艺设备变负荷时，供应循环冷却水换热器的冷冻水流量调节不及时，冷却水温度波动严重，这不利于设备工艺的控制，同时也极大地浪费了能源。

2 制冷系统节能改造原理及方案

针对该厂中央空调制冷系统冷却塔夏季降温效果差，导致制冷机效率下降、冷水超温车间温湿度控制不达标、手动控制操作工劳动强度大、控制精度差和能耗高等实际情况，经过反复论证，决定对该厂中央空调制冷系统实施双层布水、智能变频及控制等节能技术改造[1]。

2.1 冷却塔双层布水改造

原冷却塔采用单层喷淋，布水不均匀，降温效果差，依据均匀布水能增加冷却塔喷淋水滴的表面积及增大冷却水散热效果的原理，将原制冷系统单层布水管道改造为双层布水，上下层的支管和布水喷头错开设置，以提升布水及冷却效果。

2.2 冷却塔风机进行联合变频改造

安装冷却塔能效变频控制柜，通过监测冷却水温度实行联合变频确保冷却塔风机高效运行，避免只开冷却水不开风机造成的系统短路，提高冷却塔降温效果。

冷却塔风机功率百分比和风量百分比随风机频率变化而变化，风量和功率百分比随频率变化曲线图如图1 所示。由图1 可看出，风机功率百分比随频率上升而增大，同时风量百分比也增大，但两者不是线性关系。在频率为25 ～42 Hz 时，冷却塔电机功率区间在13%～51%，这时风量可达到55%～86%，该区间的平均电风比为1:2.218。该区间两侧的平均电、风比均比此值低。由此得出：频率为25 ～42 Hz 时是冷却塔风机的高效区。

图1 风量和功率百分比随频率变化曲线图

随着冷却塔风量的上升，冷却塔出水温度下降。在达到一定风量后，即使继续增大风量，出水温度也基本不再变化。理论上出水温度始终不会低于环境的湿球温度。系统据此找到冷却塔风机的运行频率点。通过对塔群的控制，将风机运行频率自动锁定在风机高效区间内，实现节能目的。冷却塔风量和出水温度变化曲线如图2 所示。

依据上述原理并结合公司实际情况，设计了三个冷却塔运行方案。第一个方案为3 台冷却塔开启2 台，1 台旁通，方案1 运行参数图如图3所示。第二个方案为3台冷却塔开启2 台，1 台不旁通，方案2 运行参数图如图4所示。第3个方案为3台冷却塔全开，联合变频控制，方案3运行参数图如图5 所示。

在不采用冷却塔联合变频控制的情况下，消耗的功率是开启台数的倍数关系，冷却塔的整体利用率低，冷却水出水温度较高。

图2 冷却塔风量和出水温度变化曲线图

在联合变频工况下，开启3 台冷却塔，运行功率为1.5 倍单台冷却塔额定功率P0，而出水温度降低到29 ℃时比不采用联合变频技术工况下的出水温度降低1～2 ℃。方案效果比对如表2 所示。

图3 方案1 运行参数图

图4 方案2 运行参数图

图5 方案3 运行参数图

2.3 冷却水泵智能变频改造

安装冷却泵模块化能效变频控制柜，对冷却泵进行控制。冷却水能效控制柜进行自动控制，压力变送器能确保主机流量需求，并且能够实时跟踪机组因负荷变化造成的加载、减载与最佳冷凝温度，另外再参考冷却塔的实际冷却效果和能力，及时调整冷却水循环系统，使其扬程和流量达到最佳匹配状态，保持冷却水系统时刻处在最佳输送范围内[1]。

表2 方案效果比对表

智能型变流量冷却塔的进出水温差大是冷却泵节能运行的基础，冷却循环以水为载体来转移热量，遵循热量公式：

式（1）中，Q为冷却水转移的热量，即冷却量；C为水的比热容，常数；M为冷却水的流量，由冷却泵提供；ΔT为冷却塔的进出水温差。

主机冷凝器需要被转移的热量（即：冷却水需要提供的冷却量）Q一定时，若ΔT小，则M需求大，即需要冷却泵提供的流量多，冷却泵的能耗大。

普通冷却塔在实际运行时，冷却水温差为2～3 ℃，智能型变流量冷却塔的温差不低于5 ℃，由于主机冷凝器需要被转移的热量相同，二者需要的流量比较计算如下：

即温差从3 ℃提到高5 ℃时，需求的冷却水流量仅为3 ℃温差时的60%。

依据水泵的特性，流量G，扬程H，功率N，转速n，它们之间的关系是：

M2的流量为M1的60%时，N2与N1的关系是：

上式中，M1为普通冷却塔冷却量；M2为智能型变流量冷却塔冷却量；G1为普通冷却水泵流量；G2为智能型变流量冷却水泵流量；n1为普通冷却水泵转速；n2为智能型变流量冷却水泵转速；H1为普通冷却水泵扬程，H2为智能型变流量冷却水泵扬程；N1为普通冷却水泵功率，N2为智能型变流量冷却水泵功率。

冷却水温差从3 ℃提高到5 ℃，水泵的功率只有原来的21.6%，考虑到管道的阻力要求和其它损耗，冷却泵可实现60%以上的节能率。

2.4 冷冻水泵智能变频改造

传统意义上，冷冻主机的回水温度和出水温度之差表明了冷冻水从区间带走的热量，温度或温差应该作为控制的依据，由于冷冻主机的出水温度一般较为稳定，因此只需根据回水温度进行控制即可。

控制方案：以温度为控制，以温度信号为反馈信号进行恒温控制。对于冷冻水系统我们采用全闭环温度控制。安装冷冻泵模块化能效变频控制柜及压力变送器，对冷冻泵进行控制。冷冻泵模块化能效变频控制柜确保主机冷冻水流量需求，结合实际负荷与主机运行工作需求，调整冷冻水循环系统，使其扬程和流量达到最佳匹配状态，保持冷冻水系统在最佳输送系数范围内运行[2]。

2.5 空调末端送风机组改造

安装末端风机模块化能效变频控制柜，实现末端送风机组变频控制，确保车间温湿度恒温恒湿。

2.6 循环泵房冷却水恒温控制改造

在循环泵房冷却水换热器的冷冻水管路上安装电动调节阀，信号转换采用温差PID 控制，不但能将温差信号转换为0～10 V 的标准模拟量信号，而且可以方便显示回水温度、进水温度和温差值，通过监测冷却水温度对调节阀进行PID 控制，达到实现冷却水恒温控制。

2.7 增加工控机控制平台

将整个制冷系统全部纳入该控制平台，实现中央空调一站式的监控和记录。通过智能化控制的建设和升级，以便更精确地对运行状态点和数据进行分析，使空调系统处于最佳工况运行，从而显著提高中央空调系统的管理效率，减小能源浪费环节。

3 节能效果核算分析

3.1 改造后节能效果

中央空调改造后节能效果情况如表3 所示。

表3 中央空调改造后节能效果情况

3.2 效益分析

项目实施后年总效益=126.08 万kW·h×0.678 元/kW·h=85.48 万元。

项目投资主要包括设备采购费和安装费等，总投资额为人民币366 万元，项目投资回收期约为52 个月。

4 结语

中央空调制冷系统节能技术改造提升了冷却塔降温效果，提高了制冷机效率，同时降低了能源消耗，增加了经济效益，中央空调制冷系统改造后比改造前节能达30%以上。该系统的操作实现了自动化和智能化，减少了操作工的劳动强度。改造结果表明，该企业实施对其中央空调节能技术改造是有效降本增效的一条途径。