冬季冷卻塔供冷系統節能效果動態預測與應用

(中國葛洲壩集團房地產開發有限公司,北京 100020)

大型綜合體建筑的內區或者某些工業廠房,在冬季仍然具有空調供冷需求。例如卷煙廠建筑,由于卷煙廠卷接包、濾棒成型、膨脹煙絲、制絲等生產車間的工藝設備產熱量較大,全年需要供冷,因此在冬季可考慮利用自然冷源實現節能運行。通常來講,設置冷卻塔供冷系統,采用冷卻塔代替冷水機組或者空調系統加大新風量運行,充分利用室外冷風,是冬季利用冷源的兩種方式。這兩種節能技術都在工程中得到廣泛應用。但從實踐經驗來看,冬季卷煙廠空調系統加大新風比可能會因為室外溫濕度波動帶來車間溫濕度控制精度降低的問題。因此,卷煙廠在冬季傾向于采用冷卻塔供冷系統為其產熱量較大的車間提供冷量。

本文以某卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統為例,結合冷卻塔風扇臺數控制策略,從分析冷卻塔換熱的熱工特性出發,理論推導冷卻塔風扇運行臺數與空調系統冷負荷以及室外氣象參數等因素之間的數學關系式,實現對冷卻塔供冷系統能耗水平的動態預測,以期為科學評價該項技術實際的節能效果提供更為準確的技術手段。

1 系統方案

某卷煙廠位于我國長三角地區,其冷凍站現有6臺離心式冷水機組,單臺制冷量為5274 kW(折合1500冷噸),機組額定能效系數 (Coefficient Of Performance,COP)為 6.5。每臺冷水機組分別對應1臺冷凍水泵、1臺冷卻水泵及1組冷卻塔。單臺冷凍水泵額定流量為1000 m3/h,電機功率為160 kW；額定流量為1130 m3/h,電機功率為132 kW；每臺冷卻塔由8個冷卻單元組合而成,每個單元裝有1臺風扇,單臺風扇額定功率為7.5 kW。

擬采用的冬季冷卻塔供冷系統方案是：在保持現有冷凍站系統設備的基礎上,增加2臺板式換熱器和相應的旁通回路,單臺板式換熱器設計供冷能力與單臺冷水機組相當。每臺板式換熱器對應1臺冷凍水泵與1臺冷卻水泵,但對應2組冷卻塔以在冬季增大換熱面積。在運行過程中,系統采用冷卻塔風扇臺數控制策略,通過設定冷卻水出水的溫度范圍,自動啟停冷卻塔風扇。系統流程見圖1。

圖1 系統流程

2 模型建立

根據冷卻塔的換熱原理,通過建立冷卻塔出水溫度與冷卻塔風扇臺數,空調冷負荷以及室外氣象參數的關系模型,即可以在冷卻塔出水溫度限值前提下,結合所承擔的空調逐時冷負荷以及室外逐時氣象參數,計算得到風扇逐時運行臺數,進而實現對冷卻塔供冷系統能耗的動態預測。

2.1 理論假設

(1)見圖2,對某一氣水比固定的冷卻塔,當濕球溫度及冷卻水進出水溫差在某一小范圍內變動時(如對文中系統,濕球溫度0℃

圖2 冷卻塔熱工特性曲線(67%設計流量：36mL/(s?kW))

(2)當冷卻塔某些冷卻單元的風扇關閉時,忽略在自然進風下對冷卻水的降溫效果。這相當于對冷卻塔的降溫作用做保守估計,利于系統安全。

(3)不考慮水系統管路溫升(冬季室外氣溫較低且系統做好保溫)。

2.2 建立預測模型

基于上述理論假設,此處建立預測冷卻塔風扇運行臺數的數學模型。將卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統按水－水板式換熱器分成兩組子系統。由前述的系統方案可知,單組子系統中包含2組冷卻塔,而每組冷卻塔設有8臺風扇,即對每組冷卻塔供冷子系統共有16臺風扇可用于進行臺數控制。對單組冷卻塔供冷子系統,其換熱過程見圖3。

圖3 冷卻塔換熱過程

假定在某時刻空調冷負荷及室外濕球溫度下,在保證冷卻塔供冷系統出水溫度(圖3中tg'與冷卻單元冷卻水出水溫度tg不同)盡可能接近但不高于某一溫度限值的條件下,某一組冷卻塔供冷子系統風扇的開啟臺數為n,則關閉的風扇臺數為(16－n)。

對開啟風扇的冷卻單元,其冷卻水進出水溫差Δt可表示為：

式中：Q為系統承擔空調冷負荷(kW)；G為系統冷卻水量(kg/s)；CW為水的比熱,可取4.19 kJ/(kg℃ )。

同時有：

式中：th為系統回水溫度,(℃)。

根據前述理論假設(1),冷卻單元的冷卻水出水溫度tg可以表示為：

式中：ts為室外濕球溫度(℃)；a、b、c均為常數,是反映冷卻特換熱的熱工特性參數。冷卻水出水端的能量守恒有：

式中：tg'為冷卻塔系統的出水溫度(℃),數值應不高于某一限定溫度tlim(文中卷煙廠的tlim為12 ℃),即有：

聯立上述式(1)～(5),即可以得到：

對上述不等式取整,即可以得到冷卻塔風扇開啟臺數應為：

式中：ceil為向上取整。

由式(7)可以看出,影響冷卻塔供冷系統風扇開啟臺數的因素有冷卻塔系統出水溫度限值tlim、冷卻水量G、冷卻塔熱工特性參數(即a、b、c三個常數)、空調冷負荷Q以及室外濕球溫度ts。其中,冷卻塔系統出水溫度限值,冷卻水流量以及冷卻塔熱工特性參數對某一系統而言為固定值,前兩者可根據實際系統取值,而冷卻塔熱工特性參數,可通過實測數據進行擬合得到?？照{冷負荷和室外濕球溫度為瞬時值,前者可利用能耗模擬軟件計算得到,而后者可依據當地典型年氣象數據進行取值。當得到上述影響因素的取值后,即可以利用式(7)計算運行期內冷卻塔供冷系統的逐時風扇運行臺數。

2.3 模型驗證

對于某卷煙廠冷卻塔供冷系統,模型驗證分兩工況進行(該兩工況均運行一組冷卻塔供冷子系統,即至多開啟16臺冷卻塔風扇)。第一工況為非自控工況,即開啟全部16臺冷卻塔風扇,此時冷卻單元出水溫度tg與冷卻塔系統出水溫度tg'相等,通過測試冷卻塔系統進出水溫度以及室外濕球溫度,利用式(3)線性回歸得到冷卻塔熱工特性參數(即a、b、c三個常數)；第二工況為自控工況,此時冷卻塔供冷系統按照風扇臺數控制策略運行,該工況測試冷卻塔系統進出水溫度、冷卻水流量G以及室外濕球溫度ts并記錄風扇實際開啟臺數n,利用系統進出水溫度與冷卻水流量可計算空調供冷量Q,進而利用式(7)可計算風扇開啟臺數的預測值,將其與實際值比較即可驗證模型的準確性。

基于第一工況下的冷卻塔實測數據,通過線性回歸處理,即可以得到式(3)中的a、b、c常數值?；貧w結果表明,該卷煙廠冷卻塔換熱的熱工特性方程為：

線性回歸的顯著性水平p<0.001,這說明上述回歸有效。同時,實測值與預測值的最大絕對誤差不超過0.8℃,最大相對誤差不超過10%,基本滿足工程需求,這表明前述理論假設(1)是可以接受的。

第二工況的測試時長為48 h,時間間隔為1 h?；趯崪y數據,利用式(7)計算得到的風扇開啟臺數預測值以及記錄的實際值見圖4。

由圖4可以看出,冷卻塔風扇臺數預測值與實際值雖有所差異,但是兩者差別不大,大多數誤差在2臺風扇以內,這說明冷卻塔風扇開啟臺數的預測值能夠反映實際值的變化規律。因此,上述預測模型能夠對冬季冷卻塔供冷系統風扇運行臺數進行動態預測,進而能夠更為準確地預測和評價系統的實際能耗水平。

圖4 某卷煙廠冷卻塔供冷系統風扇開啟臺數的實際值和預測值比較

3 模型應用

根據前面建立的預測模型,即可以計算得到卷煙廠冷卻塔供冷系統全年逐時的風扇開啟臺數,從而可以預測系統的逐時能耗,最終可以對冷卻塔供冷系統的節能效果進行評價。

3.1 冷卻塔風扇全年運行臺數

首先利用建筑能耗模擬軟件,可得到文中卷煙廠車間全年空調系統逐時冷負荷,并結合卷煙廠所在地的全年逐時室外濕球溫度,利用預測模型即可以計算得到全年冷卻塔供冷系統需要逐時開啟的風扇臺數。針對冷卻塔出水溫度不高于12℃的運行控制要求,計算得到的某卷煙廠冷卻塔供冷系統逐時的風扇開啟臺數見圖5。可以看出,在冬季供冷運行期內,不存在運行2組冷卻塔供冷子系統全部32臺風扇的時段,而且同時需要運行2組子系統的時段也較少；在運行1組子系統的時段,大部分時刻也不需要運行全部的16臺風扇。因此,冬季冷卻塔供冷系統采用風扇臺數控制策略能夠取得顯著的節能效果。

圖5 冷卻塔供冷系統冬季供冷期逐時的風扇開啟臺數預測

3.2 系統運行能耗

根據卷煙廠冷卻塔供冷系統供冷期內逐時的風扇開啟臺數,即可以統計計算系統運行能耗(冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風扇三者能耗之和)。需要說明的是,當預測的風扇運行臺數n值滿足0＜n≤16,即此時只需運行1組冷卻塔子系統,則統計能耗時只計入1臺冷凍水泵和1臺冷卻水泵；而當16＜n≤32,則統計能耗時計入2臺冷凍水泵和2臺冷卻水泵。由統計可知,該冷卻塔供冷系統冬季供冷期內電耗為1.03h106kWh。

3.3 系統節能效果評價

為簡化考慮,近似認為冬季冷卻塔供冷與常規冷水機組供冷方式的冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻塔風扇的電耗相同,也即兩者的主要差別是冷水機組電耗。根據假設,冬季冷卻塔供冷系統承擔的空調逐時冷負荷由冷水機組承擔,并按照一定的制冷COP折算冷水機組的電耗,即得到冷卻塔供冷系統的節電量。

對文中卷煙廠統計可知,在冬季供冷期內空調總冷量約為7.403h106kWh,若承擔上述總冷量,根據制冷COP折算,則冷水機組電耗為1.139h106kWh。此即為冬季冷卻塔供冷與冷水機組供冷方式相比的節電量。因此,若由采用冷水機組供冷方式,則其總電耗應為2.169h106kWh,從而冬季冷卻塔供冷系統節能率為52.5%。

工業用電成本按0.8元/kWh計算,則該卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統全年可節約電費約為91萬元。整個系統增加了2臺水－水板式熱交換器以及旁通管路等,投資約為160萬元,則理論上來講,其投資回收期約為2 a。

需要指出的是,上述節電量或者節約電費的指標不能反映出不同供冷方案的能源轉換效率,這可能導致對方案的評價不全面。為了定量說明這個問題,本文根據《公共建筑節能改造技術規范》(JGJ 176－2009)中的定義,對冷源系統能效系數指標進一步對比分析。冷源系統能效系數是指冷源系統單位時間供冷量與冷水機組、冷水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機單位時間耗能的比值,這比單純考慮冷水機組本身的COP更全面,適用于本文中冬季冷卻塔供冷和冷水機組供冷兩種方案的比較。針對文中卷煙廠,冬季供冷運行期內冷卻塔與冷水機組供冷方式的冷源系統能效系數見表1。

表1 某卷煙廠冬季冷卻塔與冷水機組供冷方式冷源系統能效系數比較

由表中可以看出,冬季冷卻塔供冷方式的季節冷源系統能效系數約為冷水機組的兩倍左右,且遠遠大于JGJ 176－2009中規定的限值(規范限值為2.5),這說明卷煙廠的冷卻塔供冷系統具備優異的能源轉換效率。

4 結語

本文克服了已有研究中靜態分析冬季冷卻塔供冷系統節能效果的不足,從分析冷卻塔換熱的熱工特性著手,基于合理的理論假設,理論推導了風扇臺數控制策略邏輯下冷卻塔風扇運行臺數與冷卻塔系統出水溫度、冷卻水流量、冷卻塔熱工特性參數、空調冷負荷以及室外濕球溫度等因素的數學關系式,建立了冷卻塔風扇運行臺數的預測模型并實施了驗證,從而實現了對冬季冷卻塔供冷系統節能效果的動態預測。

基于文中提出的動態預測方法,對某卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統的節能效果進行了預測和評價。結果表明,該卷煙廠冷卻塔供冷系統在冬季供冷期提供空調冷量7.403h106kWh,運行電耗為1.03h106kWh；與冷水機組供冷方式相比,其冬季供冷期內節電量1.139h106kWh,節能率為52.5%,節約電費約為91萬元,投資回收期約為2a,季節能源系統能效系數高達7.19。本文的研究成果可為預測和評價冬季冷卻塔供冷系統的節能效果提供參考。