冷却塔供冷系统在某空调系统中的节能改造_李帷

冷却塔供冷系统在某空调系统中的节能改造李帷顾平道东华大学环境科学与工程学院摘要：将冷却塔供冷系统应用于杭州某电子厂房空调系统节能改造项目中，主要从建立冷却塔供冷系统模拟平台，系统运行模式和控制，影响因素及优化，实测分析及节能改造的经济性等方面进行研究与分析。利用TRNSYS模拟软件，针对杭州市某电子厂空调系统节能改造项目，建立适合的冷却塔供冷系统模型。分析了该系统的运行模式和控制策略。探讨了冷却塔供冷系统在其它典型城市工业建筑节能改造中的应用潜力，并对冷却塔供冷系统模型模拟的结果进行分析。结果表明，冷却塔供冷系统在工业建筑节能改造中的节能潜力较大。关键词：冷却塔供冷节能改造电子厂能耗经济性ModificationofCooling-towerforAir-conditionSystemEnergy-savingLIWei,GUPing-daoCollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,DonghuaUniversityAbstract:Thecooling-towercoolingsystemisappliedtotheenergy-savingreconstructionprojectofanair-conditioningsysteminanelectronicsfactorylocatedinHangzhou.Itmainlyconsistsofestablishingcoolingtowersimulationplatform,systemoperationmodeandcontrol,influencingfactorsandoptimization,actualanalysisandeconomicefficiencytoresearchandanalysis.ByusingTRNSYSsimulationsoftware,acooling-towercoolingsystemmodelwasestablishedfortheenergysavingprojectofanelectronfactory‘sairconditioningsysteminHangzhou.Theoperationmodeandcontrolstrategyofthesystemareanalyzed.Theapplicationpotentialofcooling-towercoolingsystemintheenergysavingreconstructionofothertypicalurbanindustrialbuildingsisdiscussed,andthesimulationresultsofthecooling-towercoolingsystemareanalyzed.Theresultsshowthatthecooling-towercoolingsystemhaveagreatenergy-savingpotentialintheenergysavingofindustrialbuildings.Keywords:coolingtower,energy-savingreconstruction,electronicsfactory,energyconsumption,economy收稿日期：2017-3-8作者简介：李帷（1992～），女，硕士研究生；上海市松江区人民北路2999号东华大学环境学院3131室（201620）；E-mail:15618953020@163.com在建筑当中，中央空调系统能耗通常占建筑能耗的60%以上[1-2]，而中央空调冷却水系统的能耗在中央空调能耗中占据重要部分。在节能行业，空调系统节能措施很多。众多节能改造技术当中，设备变频技术、冷却塔自然供冷技术的应用，初期投资成本较低、节能效果较明显，非常适合对旧建筑进行节能改造，直接从自然环境中获得冷源，大大减少对一次能源或二次能源的使用。本文通过对工程案例的分析，结合电子厂房的特点（四季使用冷量），在冬季和过渡季节正好可以直接使用室外冷量通过冷却水系统送入室内消除室内热量。探究电子厂房的节能措施，冷却塔自然供冷技术和设备变频技术成为冷却水系统节能优化的主要方法，降低冷却水系统的能耗成为企业降低设备运行成本的重要途径。1研究内容1.1系统概述本文以杭州电子厂房中央空调系统节能改造工程为对象，研究了中央空调采用冷却塔供冷技术的节第36卷第12期2017年12月建筑热能通风空调BuildingEnergy&EnvironmentVol.36No.12Dec.2017.66～69文章编号：1003-0344（2017）12-066-5ChaoXing能效果及其影响因素，以及冷却水泵、风机变频运行对空调系统节能效果的综合影响，从设计和控制的角度对电子厂中央空调系统的节能进行研究，并对冷却塔供冷技术在全国典型城市的适用性进行分析，为冷却塔供冷技术在杭州地区乃至全国的推广与应用提供理论参考。1.2冷热源概况该厂冷却水温度根据天气和冷却塔开启台数变化，冷却塔开启为人工根据经验手动启停。制冷压缩机启停和台数控制，也是人工根据经验手动完成。目前冷冻机房控制属于传统的一次泵定流量系统，有较大节能改造空间。该厂房室内设计温度23±0.5℃、湿度50±5%，中央空调系统各部件设备配置如表1：表1电子厂房中央空调系统设备配置及设计参数2模型建立2.1冷热源模型建立根据TRNSYS具有开放式结构优势，用户则可以根据自己的模拟需求建立所需要的模块。本文的冷水机组模型就是根据机组COP，功率等凸显机组特性的参数基础上建立的。先确定新模块的Typenumber和object，即该模块的编号和名称，然后以名为TYPE的子程序入手。其中，每个TYPE子程序包括变量输入（INPUT），变量输出（OUTPUT），固化参数（PARAMETER）以及模块的计算过程[3]。则冷水机组的TYPE子程序参数设置如表2所示。表2冷水机组TYPE子程序参数设置2.2逆流式冷却塔模型在TRNSYS软件中，自带有冷却塔模块：TYPE51b，仔细了解模块内容发现与前面建立的冷却塔模型相符，也是在基于热湿交换模型的基础上建立而成，所以本课题的研究选用了冷却塔模块TYPE51b来进行模拟分析。该模块具体的TYPE子程序参数如表3所示。表3冷却塔TYPE子程序参数设置2.3水泵、集水器、分水器模型冷却水系统除了冷水机组等大型设备外，水泵、集水器、分水器等设备也是极其重要的，本文研究的实际工程项目中，中央空调系统中的水泵均是一次定频水泵，在水泵变频变速调节方面仍有很大的节能空间。在TRNSYS软件中已有符合所需的模块，无需重新建立其数学模型，可以直接使用。表4是水泵模块详细的TYPE子程序参数：表4冷却水泵TYPE子程序参数设置2.4空调负荷计算空调工程建筑物的冷负荷计算包括围护结构负荷、人体负荷、新风负荷、用电负荷、设备负荷、照明负荷等等，本文研究的工厂空调负荷中，设备负荷较大，围护结构负荷较小。设备负荷主要是工厂内生产机器设备的散热，当工厂全年生产量基本恒定时，设备负荷全年变化也很小。本文研究的对象主要是中央空调系统的冷却水系统，是对已有工程项目进行改造设计，实际工程中会有一些设计和经验数据，空气侧的细节部分在本文暂不讨论，所以空调负荷作为已知数据直接读取。冷却塔的出水温度和设备的规格参数可通过读取的气象数据中的室外湿球温度来确定。设备名称设备参数台数约克冷水机组额定制冷量1758kW，功率323kW；供水温度7℃，回水温度12℃。5横流式冷却塔每台冷却塔有四台风机，每台风机功率12kW5水泵流量760m3/h，扬程37m，功率10hp14参数类型参数名称符号单位空调负荷 e QkW水的比热容 CkJ/(kg∙K)冷却水进水流量Minkg/h冷却水进水温度tinc℃变量输入（INPUT）冷冻水出水温度toute℃功率WkW冷却水出水流量Moukg/h冷却水出水温度touc℃变量输出(OUTPUT)冷水机组能效系数COP--参数类型参数名称表示符号单位干球温度Drybulbtemperature℃湿球温度Wetbulbtemperature℃冷却水流量Inletwaterflowratekg/h冷却塔进水温度Waterinlettemperature℃变量输入风机相对转速Relativefanspeedforcell--热交换率HeatrejectionratekW/h冷却水损失量Waterlossratekg/h冷却塔出水温度Celloutlettemperature℃变量输出风机耗能量FanpowerrequiredkW参数类型参数名称表示符号单位水泵进口流量M1kg/h冷却水温度T1℃变量输入水泵频率Frequency--水泵出口流量M2kg/h水泵扬程Hm水泵功率PkW变量输出水泵效率η--李帷等：冷却塔供冷系统在某空调系统中的节能改造第36卷第12期·67·ChaoXing2.5系统仿真器建立据建立的各部件的数学模型和设备实际的布置和连接情况，把各部件模块串联起来利用TRNSYS软件建立研究对象的动态数字仿真器，形成计算回路。并依据一些计算方法同时求解各个数学模型中的方程。当整个闭式计算回路计算收敛且每个时刻这些方程计算收敛时，各个模型的计算结果就是仿真系统实际运行的状态参数。本文建立的仿真器主要是为了研究分析电子厂房自然供冷系统的能耗情况，与改造前进行对比，探讨电子厂房自然供冷空调系统的经济性。以热力及其控制系统的通用仿真软件—TRNSYS软件作为仿真器的连接和计算平台，将部件模型作为子程序，利用TRNSYS主程序对子程序的连接管理和调用计算功能，以及其输入输出等其它功能，建立研究对象的动态数字仿真器[4-5]。如图1表示的是冷却塔供冷空调系统水系统模拟系统图。图1冷却塔供冷空调系统模拟水系统3空调系统的控制对于每一次建筑空调系统的改造，目的只有一个就是降低系统设备的能耗，冷却塔供冷空调系统也不例外。所以，在本次工程改造中，采用优先采用冷却塔自然供冷是冷却塔供冷空调系统设计改造第一原则。冷水机组启停控制策略：基于PLC控制技术，当承担负荷增加时，增加冷水机组开启台数。当承担负荷减少时，减少冷水机组开启台数。冷水机组频繁启停不利于系统的稳定运行、冷冻水温度稳定、增加设备损耗、增加能耗，为此，笔者增加冷水机组启停时间间隔，当需要增加机组时，优先开启停机时间最长的机组，关闭机组时，优先关闭运行时间最长的机组。3.1冷却塔启停控制在冷却塔自然供冷空调系统中，冷却塔有两个任务：一是为冷水机组供应冷却水以消除机组冷凝热。二是为系统提供冷量消除部分或全部空调负荷。因此，冷却塔的启停控制、数量控制在冷却塔自然供冷系统中占据重要地位。图2表示的是冷却塔自然供冷空调系统的冷却塔启停控制逻辑图：图2冷却塔启停控制逻辑图在图2中，通过供冷模式转换控制器选择供冷模式，而冷却塔的开启数量通过设备启停控制器控制，控制策略如下：为保证冷却水系统的稳定可靠的运行，冷却塔的出水温度不能过低，冷凝温度过低，会造成机组回气压力低，压缩机低压保护停机，不利于冷水机组的运行。当冷却塔出水温度低于某一设定值时，PLC控制系统通过末端温度感应器获取相关数据并通过冷却塔中风机变频器对风机速度进行调节。若冷却塔风机停止时，冷却塔出水温度还是过低，可以通过调节冷却水进出水管的旁通阀进行调节。3.2风机、水泵变频控制原中央空调系统的水泵风机为定频控制，本次对空调系统的改造设计中增加变频设备，通过PLC控制系统进行控制调节。图3基于PLC的冷却塔自然供冷系统变频控制逻辑图2017年建筑热能通风空调·68·ChaoXing图3所示是PLC技术在冷却塔自然供冷空调系统中的控制逻辑图。根据风机特性定律可知，风机风量和转速成正比例关系，扬程和转速的平方成正比例关系，电机功率与转速三次方成正比例关系，利用转速控制风量的方法来控制调节冷却水的冷量[6-7]。基于PLC技术的应用，在改造中会增加变频器、温度感应器、压力感应器、转换器等设备，节能效果较为明显。4模拟计算结果分析模拟计算结果是冷却塔供冷空调系统在第三节阐述的控制逻辑下运行得到的。即系统优先采用冷却塔自然供冷模式，当室外湿球温度达到系统要求时，开启全部冷却塔，冷却塔冷量不足时开启相应台数的冷水机组。冷却塔型号相同、风机满负荷下运行。冷却塔供水温度由风机变速调节等。如表5表示的是杭州地区该电子厂房2014年全年逐月空调系统能耗数据，是根据该电子厂中央空调系统全年运行统计得到的。图4是通过软件模拟杭州电子厂节能改造后冷却塔供冷空调系统全年运行能耗，分别模拟在不同供水温度（7℃、8℃、9℃、10℃、11℃）下该电子厂全年的各主要设备能耗及总能耗。从图4可以看出，随着供水温度的增加，该厂冷却塔供冷空调系统全年总能耗逐渐减少，冷水机组的能耗逐渐降低。虽然冷却塔的能耗有所增加，但是相对于冷水机组的能耗，冷却塔能耗增加的幅度很小，系统总体能耗降低，节能明显。表5该厂2014年空调系统逐月用电统计图4该厂房冷却塔供冷系统在不同供水温度下模拟能耗组成图在之前分析过，供水温度降低使得冷却塔供冷空调系统在自然供冷模式下运行时间增加，该系统利用自然冷源的时间增加，冷水机组开行数量减少，系统节能显著。图5表示的是该电子厂空调系统在节能改造后，冷却塔供冷空调系统的节能率W（见公式4-1）随供冷温度的变化。从图中可以看出随着供水温度的增加，冷却塔供冷空调系统的节能率逐渐增加，在供水温度7℃时，该系统全年节能率达到32%，全年空调系统节能电量3853MKWh，由此可见，冷却塔供冷技术在电子厂的应用潜力很大。图5该厂房冷却塔供冷空调系统节能率随供水温度的变化图5冷却塔供冷系统节能改造经济性分析本次对于杭州电子厂房空调系统节能改造过程中，将原有冷水机组供冷的常规空调系统改造为冷却塔供冷空调系统，在节能改造设计中，需要增加板式换热器、循环管路、阀门等设备。影响节能改造的重要因素之一就是投资回报期：式中：ω为投资回报期，年；M0为节能改造初投资，元；B为改造后年节省运行费用，元。杭州市年平均电价设定为0.65元/kWh，依据文献[8]所述冷却塔供冷空调系统初投资ω与板式换热器效率ε0的关系可知，该厂空调系统节能改造初投资M0=128.26万元，年节省费用B=214.98万元。此次杭州电子厂空调系统节能改造项目理想投资回报期ω=0.597年，约7个月多。月份用电量/103kWh月份用电量/103kWh月份用电量/103kWh1月956.905月978.019月1160.952月703.606月1097.6210月1048.373月851.367月1104.6611月1048.374月985.058月1083.5512月963.942014-2014 W=年全年总能耗冷却塔供冷空调系统模拟能耗年全年总能耗（1）o= M Bω（2）5.007503.853 o Meε=×（3）（下转27页）李帷等：冷却塔供冷系统在某空调系统中的节能改造第36卷第12期·69·ChaoXing提高而单调递增，不同的入口水温Tew,in条件下，制冷量Qe的变化趋势相同，但同样雷诺数Re条件下，入口水温Tew,in越大，制冷量Qe越大。由图4（b）可以看出，蒸发器传热系数K随着管内流体雷诺数Re升高而逐渐升高，当雷诺数Re在2300附近时，不同入口水温Tew,in条件下的传热系数K基本相同，随着雷诺数Re继续提高，管内流体流动状态更加激烈，不同入口水温Tew,in条件下的传热系数K有一些上下浮动，但总体上K值相对稳定，由试验结果可知，相对于入口水温Tew,in对蒸发器传热系数K的影响，换热管内流体雷诺数Re的影响明显更具有决定性作用，所以提高管内流体雷诺数Re是提升换热器换热性能的一个有效措施。由图4（c）可以看出，压缩比CR随着管内流体雷诺数Re的提高而逐渐降低，并且随着管内流体雷诺数Re的继续提高，压缩比CR的下降速度逐步放缓，在同一雷诺数Re条件下，入口水温Tew,in越高，压缩比CR越低，压缩机工作效率越高。由图4（d）可以看出，系统COP随着管内流体雷诺数Re的提高而单调递增，不同入口水温Tew,in条件下，变化曲线基本平行，在雷诺数Re相同条件下，较高的入口水温Tew,in系统COP值更大，由试验结果可知，管内流体雷诺数Re是判断系统性能参数的一个重要参数。5结论本文通过搭建立式满液式蒸发器试验平台，对该蒸发器进行了换热性能测试试验，通过试验结果分析，可得到如下结论。1）入口水温Tew,in对蒸发器传热系数K影响不大，但入口水温Tew,in越高压缩机压缩比CR越小，压缩机工作效率越高。2）冷凝温度一定的条件下，蒸发温度越高，蒸发器传热系数K越大，换热效果越好，同时，蒸发温度的提高，有利于提高压缩机工作效率和系统COP。3）提高管内流体雷诺数Re是提升换热器换热性能的有效措施，同时Re也是判断系统性能参数的一个重要参数。参考文献[1]张吉礼,马良栋.污水源热泵空调系统污水侧取水，除污和换热技术研究进展[J].暖通空调,2009,39(7):41-47.[2]刘志斌,张吉礼,马良栋.污水换热器性能测试与分析[J].流体机械,2013,41(5):55-59.[3]沈朝,姜益强,姚杨.自除污型干式污水源热泵系统的实验研究[J].太阳能学报,2013,34(1):154-159.[4]吴荣华,岳利茜,李琪.直接式与间接式污水源热泵系统的比较[J].暖通空调,2011,41(9):111-114.[5]ACengelYunus.HeatTransfer:aPracticalApproach[M].NewYork:McGraw-Hill,2007.6结语工业建筑能耗作为建筑能耗的重要组成部分，研究工业建筑节能改造技术对解决当前能源短缺，低碳环保等问题具有重要意义。本文选取工业建筑中的电子行业的工业厂房空调系统为研究对象，根据实际电子厂空调系统的特点，将冷却塔供冷技术应用于实际工程中，研究冷却塔供冷空调系统在电子厂空调系统节能改造中模拟与实际应用的效果。参考文献[1]钱康.建筑空调系统节能技术措施探讨[J].制冷空调与电力机械,2002,23(3):58-59.[2]姚国梁.试论我国能源现状与空调冷热源的选择[J].浙江建筑,2004,21(3):65-68.[3]刘洋.基于TRNSYS的中央空调冷却水系统节能优化仿真研究[D].广州:华南理工大学,2013.[4]肖晓坤.建筑空调变水量水系统实时优化控制研究[D].上海:上海交通大学,2005.[5]陈丹丹.集中空调变水量水系统实时优化控制策略研究[D].上海:上海交通大学,2007.[6]张庆君.基于PLC的纺织企业空调系统节能研究[D].西安:西安工程大学,2012.[7]石钰.基于PLC和变频技术的纺织空调系统的研究与应用[D].苏州:苏州大学,2009.[8]何克青.自然供冷空调系统的节能分析与优化控制策略研究[D].上海:上海交通大学,2012.（上接69页）宋嘉林等：立式满液式蒸发器换热性能的试验研究第36卷第12期·27·ChaoXing