冷却水变流量节能分析与计算探讨

龚思越，郭勇，江宋标

（广东省建筑设计研究院有限公司，广州，510000）

0 引言

集中空调系统的制冷主机、水泵、冷却塔等设备一般都是按照设计工况配置的，而实际运行过程中，部分负荷下的运行时间居多，大流量小温差的现象比较普遍。针对冷却水侧，大流量小温差将导致电冷源综合制冷性能系数（SCOP）较低，从而空调系统的能效必然也较低。在部分负荷下，采用冷却水变流量的运行方式可以很好的解决大流量小温差现象。一般，冷却水循环泵根据冷却水供回水温差变频运行，当温差小于设定值时，降低水泵运行频率，当水泵运行频率低于下限值时，再减载水泵［1］。冷却水变流量工况下，水泵的功耗会减少，但由于水量的减少，水流速减少，降低了制冷主机冷凝器的换热系数，主机功耗会增加。有研究表明，在冷却水泵变频的同时，结合冷却塔风机变频，节能效果显 著［2］，所以在研究冷却水变流量运行特性时，冷却塔风机的定频、变频运行特性也需同步考虑。以冷水机组+冷却水泵+冷却塔组成的冷却水系统为比较基准，计算分析冷却水变流量前后，冷却水系统总功耗随负荷的变化特性和节能率更具代表性。

本文以广州某商业项目采用的600 Rt定频离心式冷水机组、以及对应的冷却水泵和冷却塔为例，分析不同负荷率和冷却水变流量工况下，冷水机组、冷却水泵、冷却塔风机的变流量运行特性，并定量计算流量变化前后的冷却水系统节能率，供工程设计参考。

1 冷水机组冷却水变流量性能分析

以设计工况制冷量为600 Rt（2110 kW）的定频离心式冷水机组为研究对象，冷却水进出水温度32～37 ℃，冷却水流量432 m3/h，配置两台300 m3/h的方形横流低噪冷却塔。冷却水泵流量432 m3/h，经水力计算水泵扬程27 m。冷冻水进出水温度7～12 ℃。根据订货设备厂家提供的数据，负荷率50～100 %，冷水机组负荷率每改变10 %对应冷却水流量变化率也为10 %下的机组冷却水进、出水温度如表1所示。

表1 不同负荷率，冷却水变流量下的进出水温度

从表1可知，定32 ℃进水温度条件下，随着负荷率和冷却水流量的减少，出水温度有所降低，但温差变化很小，近似认为其满足定5 ℃温差。

通过订货设备厂家数据，统计该离心式冷水机组在冷却水变流量工况下的运行参数如表2、图1所示。

图1 600 RT离心式冷水机组的变工况运行参数对比

表2 600 RT离心式冷水机组的变工况运行参数

从表2和图1可知：（1）该冷水机组在定32 ℃冷却水进水温度，进出水温差5 ℃，负荷率从100～50 %，冷却水流量变化率10 %条件下，定、变流量工况下的机组COP变化均呈下降趋势；（2）冷却水变流量运行下，机组功耗增加，COP下降。两者在负荷率70～100 %，变化较缓；在50～70 %负荷率下，变化幅度加剧，功耗急剧增加，COP下降加快。

2 冷却水变流量性能分析

冷却水系统为开式系统，管路特性曲线可表示为式（一）：

式中：H为冷却水泵扬程，m；h为冷却塔塔体扬程，m；S为管网阻抗系数；G为冷却水流量m3/h。

冷却水泵的轴功率可表示为式（二）：

式中：N为冷却水泵轴功率，kW；g为重力加速度，9.8 m/s2；G为水泵流量，m3/s；H为冷却水泵扬程，m；η为水泵效率，%。

在冷却水变流量工况下，式（一）中h保持不变；其他部分管路阻力会随着冷却水流量的二次方变化，从而H会随着流量变化而增加或减少。水泵效率不会一直不变，它也会随着流量的变化而变化。根据水泵订货厂家提供的选型曲线，可拟合得出H-G曲线和η-G曲线，以及对应的回归方程，得出不同流量下对应的水泵效率，从而计算出不同冷却水流量下冷却水泵对应的功耗，如表3所示。

表3 冷却水泵变流量功耗分析

3 冷却塔风机变频性能分析

根据《广东省公共建筑节能设计标准》，一般冷却塔的汽水比为500～600 m3/h，按每1 m3/h水量对应的冷却塔风量为550 m3/h进行估算是可行的。有研究表明，在一定范围内，气水比不变，水流量、风量等比例变化的情况下，如进水温度不变，则出口水温不变［3］。结合表1可知，冷却水变流量工况下冷却塔进水温度变化非常小，假设冷却水流量变化率10 %，冷却塔风机频率变化也为10 %，在气水比不变的情况下忽略风机变频对冷却塔出水温度的影响。冷却塔风机变频功率根据风量之比的三次方关系进行计算，同时考虑变频后电机的效率和变频器的效率改变的影响，效率和变速比的关系如下［4］：

式中：ηg为电动机效率，%；ηf为变频器效率，%；k为变速比。

冷却水变流量下，冷却塔风机变频功耗计算结果如表4所示。由表可知，冷却塔风机变频是节能的。

表4 冷却塔风机变频功耗分析

4 冷却水系统变流量节能性分析

由前文计算分析可知，相较于冷却水定流量，随着冷却水流量的变化，离心式冷水机组功耗增加，而冷却水泵功耗是减少的。冷却塔风机变频下，塔的耗功也会减少。以冷水机组+冷却水泵+冷却塔组成的冷却水系统为比较基准，计算分析流量变化前后，冷却水系统总功耗随负荷的变化和节能率。

当不考虑冷却塔风机变频运行这一因素时，表5所示为冷却塔风机定频运行条件下，冷却水系统定、变流量工况下的功耗。

表5 冷却水系统定、变流量工况下的功耗对比分析（冷却塔风机定频）

在冷却塔风机定频运行条件下，负荷率从50～100 %，每改变10 %对应冷却水流量变化率也为10 %前提下，冷却水系统的总功耗减少；功耗/冷量随着负荷率和流量的变化而增大，究其原因是COP下降造成的。该冷却水系统节能率约为1.0～3.5 %，其中负荷率50～80 %运行条件下，对应的节能率相对高，平均在2.6 %左右。

考虑冷却塔风机变频运行时，冷却水系统定、变流量工况下的功耗对比如表6所示。

表6 冷却水系统定、变流量工况下的功耗对比分析（冷却塔风机变频）

表6相比于表5，仅改变了变流量工况下的冷却塔风机功耗，从而使冷却水系统总功耗进一步减少，节能率约为2.0～7.5 %，较表5的结果有明显提高。其中负荷率50～80 %运行条件下，节能率相对较高，平均在5.9 %左右。

综合比较表5、表6，结果如下图2、图3所示。

图2 冷却水系统定、变流量工况下的功耗/冷量对比

图3 水泵减少的功耗与冷水机组增加的功耗之和对比

由图2、图3可知，（1）负荷率在50～100 %，冷却水定、变流量工况下的功耗/冷量变化趋势基本一致。在80～100 %负荷率下，功耗/冷量变化缓慢；50～80 %负荷率下，功耗/冷量变化幅度增大；（2）变流量工况下的功耗/冷量小于定流量下的功耗/冷量；（3）冷却水变流量工况下，水泵减少的功耗大于离心式冷水机组增加的功耗。（4）变流量工况下，冷却塔风机变频运行条件下的功耗/冷量小于冷却塔风机定频运行条件下的功耗/冷量，冷却水泵变频加冷却塔风机变频的方式下节能效果更明显。

5 结论

结合选型主机的性能特性，冷却水变流量运行在一定范围内是节能的。负荷率从50～100 %每改变10 %，对应冷却水流量变化率也为10 %前提下，冷却塔风机定频运行时，对应冷却水流量变化前后，冷却水系统节能率约为1.0～3.5 %，其中负荷率50～80 %区间，对应的节能率相对较高，平均在2.6 %左右；冷却塔风机变频运行条件下，节能率约为2.0～7.5 %，负荷率在50～80 %区间，节能率相对较高，平均在5.9 %左右。

冷却水变流量工况运行时，冷却水泵变频结合冷却塔风机变频的运行方式，节能效果更明显。