中央空調冷卻水系統的節能分析

律寶瑩，張 哲

（天津商業大學 機械工程學院，天津300134）

1 引言

中央空調系統不僅要滿足人們對工作、生產的環境要求，同時也要滿足對環境保護和節能的要求。隨著國家節能政策的實施，中央空調的能耗問題成為許多學者的研究方向。中央空調機組系統包括冷凍水系統、冷卻水系統及主機，其中冷卻水系統能耗占中央空調總能耗的15%～20%［1］。同時由于冷卻水量多于冷凍水量，因此對冷卻水系統的節能優化顯得尤為重要。由于室外環境的變化和室內人員的流動性大，中央空調系統在大部分情況下只提供部分負荷，因此冷卻水系統也在很長時間內處于部分負荷運行下，而設計時是參考滿負荷運轉進行設備選型，必然會出現設備選型龐大和能源的浪費。研究冷卻水系統節能即是研究在部分負荷運轉下的控制運行。冷卻水系統包括冷卻水泵、機組和冷卻塔三部分，本文主要對冷卻水泵和冷卻塔的節能進行了分析。

2 冷卻水泵節能分析

對于冷卻水系統而言部分負荷運轉的情況是由外部環境參數的改變引起的。外部環境參數主要包含4個：冷水進口溫度、冷水出口溫度、制冷量和室外濕球溫度［2］。通過改變水泵的運行工況適應負荷的變化。通常冷卻水泵運行工況的改變方法有3種。

2.1 改變閥門開啟度

調節水泵出口處閥門的開啟度，是改變水泵工況點最簡便易行的方法。閥門在正常運行情況下，一般都全部開啟，當關小閥門時，局部阻力加大，性能曲線變抖，流量變小，揚程增大。水泵的工作點由A2 點移動到A1點，如圖1。這種方法雖然簡便，但是閥門的調節范圍有限，當揚程過大時，會導致水泵過載，降低其使用壽命。由于增大了局部阻力導致水泵的輸出功率增大，造成電能的浪費。關小閥門也會加大管路的噪音。

2.2 改變水泵葉輪直徑

由相似定律可知，葉輪直徑改變，會引起水泵的流量，揚程，軸功率發生相應的變化，因此可以通過改變直徑達到改變運行工況的目的。但是車削技術的精度要嚴格控制，否則可能會影響水泵的性能。由于水泵直徑的改變量有限，不能滿足各個負荷率的使用情況，因此適應性比較差。

圖1 改變閥門開啟度調節水泵工況點

2.3 改變水泵轉速

改變水泵轉速會得到不同的性能曲線，從而會產生不同的工況點，此方法不會產生額外的摩擦損失，調節方便，是現在廣泛應用的一種形式。轉速和流量，揚程，功率之間的關系如下：

式中：Q、N、H分別表示水泵轉速為n時的流量、揚程、軸功率。Q，、N，、H，分別表示水泵轉速為n，時的流量、揚程、軸功率。

冷卻水變流量系統原理圖如圖2所示。變頻泵節能原理如下：冷水機組冷凝器進行熱交換時，換熱量一定，流量減少，進口溫度不變，則出口溫度會升高，從而導致冷機的能耗增加。對于冷卻水系統而言，冷卻水流量減少，使冷卻水泵的能耗降低。這兩者的差值即是冷卻水變頻泵的節能量。國內許多學者對冷卻水變流量的研究都比較謹慎，認為雖然冷卻水變流量可以降低自身的能耗，但會降低機組的使用性能，達不到綜合節能的目的。隨著學者對冷卻水節能的深入研究［3～5］，通過對比冷卻水變流量的節能量和制冷機組的能耗增加量，提出由于冷卻水量要多于冷凍水量，因此只要設計合理，控制得當，冷卻水系統還是有很大節能空間的。最后通過分析數據得出，冷卻水泵的功率和制冷機組功率相差越小，冷卻水泵臺數越少，綜合節能效果越顯著。

圖2 變流量系統

采用變頻泵不僅可以節能還具有其他優勢，如成本回收時間較短。采用變頻泵會增大初投資，因此需要一定的時間回收設備投資，如果時間太長則經濟性不合理。文獻［6］中通過對一工程實例的數據分析得出，采用變頻水泵每月可節約用電12377kW·h，折合人民幣12129.5元，投資費回報時間為7.9個月，回報時間較短。通過分析可以得出，采用變頻泵，只要設計合理，控制得當，在一定情況下是有很大節能空間的，同時回收投資時間短，具有市場推廣價值。

3 冷卻塔的節能分析

建設節約型社會的政策下，節約用水量得到重視，其中使用循環水是最直接高效的節約方法，國外發達國家水的重復使用率高達75%～85%，我國還有很大差距，除制定節水政策外還要加強對循環水技術進行研究。據調查顯示，循環水的冷卻與輸送的能耗約為0.2～0.3kW·h／（m3·h），每年全國循環水耗電300～450億kW·h［7］，對循環水技術的研究是節約電能的有效措施。通過分析知冷卻塔的節能方式不僅包括節約電能，同時還包括提高循環水技術。

（1）控制冷卻塔出口溫度。降低冷卻水出口溫度可以提高制冷機組性能，然而由于冷凝壓力的限制使得冷凝溫度有最低溫度限制。對于冷卻水系統而言，降低冷卻水溫度必然會導致冷卻塔風機和水泵的功率增大，引起電能不必要的浪費。通過對比最冷工況，設計工況和空氣濕球溫度加上2.8℃三種出口溫度，得出最佳溫度控制方式較其他方式節約費用約5%左右［8］，可以看出控制出口溫度在節約能源方面的重要性。

（2）控制冷卻塔水量和風量。由相似性準則知功率和流量之間有三次方的關系，因此降低流量和風量會降低功率，從而節約電能。通過研究得出水泵功耗比重越大，節能效果越明顯［5］。目前不少人對冷卻塔變水流量做了研究［9～13］，從節能方面講，也要注重兩者的耦合關系，文獻14研究得出，當冷卻塔負荷從170kW 降低到12kW 時，冷卻塔的風量僅為原來的54.6%，水流量變為原來的70.6%，從而節約能耗。

（3）提高循環水技術。循環水技術可以通過多種方式進行改進如控制進水口溫度，選用合理的冷卻塔形式，選用合適的風機等等。其中不同的冷卻塔形式產生的能耗有很大區別。通過對比逆流式冷卻塔和橫式冷卻塔得出，橫流式冷卻塔的供水水壓比逆流式冷卻塔的供水水壓高4m，因此逆流式冷卻塔每1m3／h可以節約水泵功率0.014kW，全年可節省近119kW·h［7］，循環水量越大，節能效果越顯著。

4 結語

對于空調系統而言，耗能主要由制冷機組、水泵、冷卻塔等各部分能耗組成，因此只有控制各部分的耗電量，才能達到整體的節能。目前制冷機組的性能指標已達到很高的水平，系統其他部分同樣具有很大的節能潛力，空調用戶可以采取不同的控制方式達到節能效果。

本文通過對水泵和冷卻塔的節能分析，為以后的學者提供一些參考方向。研究數據表明當水泵和風機同時采用變頻技術，節省電能高達53.9%［15］，因此對空調系統各部分進行節能研究的同時，也要注重各部分之間的耦合關系，才能將理論更好的應用到實際工程，達到理想的節能效果。

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