變流量冷卻技術在高效中央空調機房系統建設中的應用研究

黎志峰

（廣州海源機電安裝有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

高效的中央空調機房系統建設是目前較為常見的中央空調系統節能改造方式。建設高效的中央空調機房，通過對空調主機、水泵等能耗較高的核心設備進行優化，采用能效更高的節能產品來替換高耗能設備。通過科學優化監測及控制系統的運行，有效降低中央空調系統的能耗。

變流量冷卻技術作為高效中央空調機房建設中的一項技術，研究對象是一直被行業所忽視的冷卻水系統。一直以來，在高效中央空調機房系統建設過程中，往往把關注的重點放在冷水機組、冷凍水系統及系統與末端系統的聯動，如冷凍水系統的變流量控制、冷凍水系統的精準監控、高效節能的冷水機組、更高效的冷凍水與末端聯動控制等，并沒有深入挖掘冷卻水系統的節能潛力。為了滿足社會對中央空調系統日益增長的節能要求，在高效中央空調機房建設過程中，應將目光投向中央空調機房的各個系統，通過對各個系統進行優化及搭配，實現空調機房的最大化節能。因此，冷卻水系統更應得到重視，從而挖掘出更多的可能性。

1 變流量冷卻技術節能原理分析

以往出于項目投資的考慮，中央空調冷卻水系統多采用定流量設計，即水泵采用定頻泵。冷卻塔使用的是傳統單機對單塔的運行方式，即一臺冷水機組對應一臺冷卻塔?？刂品绞蕉嗍褂门_數控制，即中央空調系統根據運行負荷來確定開啟的冷水機組臺數，同時開啟對應數量的冷卻塔及冷卻水泵（見圖1）。上述的冷卻水系統僅能通過控制冷卻塔的臺數來適應空調負荷的變化，節能效果相對較差。

隨著人們對中央空調系統能耗的關注度越來越高，更多針對中央空調系統節能的新技術噴涌而出。變流量冷卻技術也運用到實際項目中，取得很好的節能效果，并為中央空調系統的節能改造提供技術保障。

變流量冷卻技術是一項在不同的環境溫度、不同的負荷條件下，通過改變冷卻水系統的流量來實現冷卻水系統節能運行的技術（見圖2）。變流量冷卻技術真正實現了“風水聯動”。變流量冷卻技術包括冷卻塔的風量可變，即冷卻塔使用的風機是可調速的變頻風機，能根據實際運行需求來調整冷卻塔風量。變流量技術也包括冷卻水系統的流量可變，冷卻水輸送系統能根據負荷的變化來調節冷卻水的流量［1］。

圖 冷卻塔臺數控制

圖2 冷卻水塔變風量控制

變流量冷卻技術是通過冷卻塔的變風量運行來降低冷卻塔的運行功率，從而降低能耗。變流量冷卻技術改變了以往冷卻塔與冷水機組一一對應的設計邏輯。冷卻塔根據運行負荷的變化，實行變風量控制，多臺冷卻塔低頻率運行，在增大冷卻系統的風量及冷卻塔的換熱面積，改善換熱效果的同時，冷卻塔風機還能實現低速運轉，運行噪音明顯下降。雖然是多臺冷卻塔同時運行，但由于冷卻塔處于低頻率運轉的狀態，總體運行功率更低，能耗更小。在更低的冷凝溫度下，可減少系統的冷卻水流量，配套使用變頻冷卻水泵，來實現變冷卻水流量運行。在同樣的揚程下，更低的冷卻水流量能有效降低冷卻水泵的運行功率，從而實現系冷卻水系統的節能。隨著冷卻系統的風量及冷卻塔的換熱面積的增大，系統的冷凝溫度有所降低，冷水主機的運行效率更高［2］。根據國內主流品牌的螺桿機、離心機冷水機組的運行數據可知，機組的主機冷凝溫度降低2 ℃，冷水機組的運行效率可提升6%以上。

2 變流量冷卻技術節能的技術核心

對變流量冷卻技術節能原理進行分析后可知，在中央空調系統中采用變流量冷卻技術的節能效果主要體現在兩個方面。一是采用變頻技術來實現部分負荷時設備運行功率的下降，主要為冷卻水泵、冷卻塔（注：此處暫忽略變頻冷水機組的節能影響）。二是采用變流量冷卻技術使冷水機組的冷凝溫度下降，從而使冷水機組的運行效率提升，最終實現節能的效果。

從節能效果的貢獻程度來分析，因冷水機組冷凝溫度下降而達到的節能效果要大于變頻技術運用使設備運行功率下降來實現的節能效果［3］。通過空調制冷原理圖（P-H 圖）來分析如何通過降低冷水機組的冷凝溫度來實現系統運行效率的提升（見圖3）。

圖 空調制冷原理圖

單位容積制冷量qv的計算公式見式（1）。

比容積功增加w0v的計算公式見式（2）。

制冷系數ε的計算公式見式（3）。

式中：h1為與吸氣狀態對應的比焓值，kJ/kg；h2為壓縮機排氣狀態制冷劑的比焓值，kJ/kg；h3為冷凝壓力對應的飽和液狀態所具有的比焓值，kJ/kg；h4為節流后濕蒸汽對應的比焓值，kJ/kg；v1為制冷劑在吸氣狀態時的比體積，m3/kg；w0為理論比功，kJ/kg。

當系統的冷凝溫度升高時，冷水機組的制冷系數（ε）會快速減小，能耗也會隨之增加。反之，當系統的冷凝溫度降低時，冷水機組的制冷系數（ε）會快速增加，能耗也會隨之降低。

根據以上計算分析可知，降低冷水機組的冷凝溫度能有效提升冷水機組的制冷系數，然而冷水機組的冷凝溫度不能無限度降低。中央空調冷凝器是通過冷卻塔進行換熱的，而冷卻塔與冷水機組是通過冷卻水循環來實現換熱的，也就是說冷水機組冷凝溫度的下限值跟冷卻水進水溫度（冷卻塔出水溫度）有關。通過冷卻水與大氣換熱，從而使冷卻水降溫，冷卻水出水溫度的極限值為大氣的濕球溫度值，冷卻塔出水溫度越接近大氣的濕球溫度，則冷卻水系統的換熱效果越好，系統的冷凝溫度也越低。一般情況下，冷卻塔的出水溫度與大氣濕球溫度的差值稱為逼近度。逼近度越小，冷水機組的冷凝溫度就越低，冷水機組的效率就越高。

3 變流量冷卻系統的技術要求

變流量冷卻技術應用的關鍵設備包括冷水機組、冷卻水泵、冷卻塔等，而要實現變流量冷卻技術節能效果則是通過“冷卻系統的風水聯動”。

水方面主要是指冷卻水的變流量運行，冷卻水變流量運行主要通過變頻冷卻水泵來實現。一方面，要求冷水機組能在不同的冷卻水流量下能正常運行。市場上主流品牌的冷水機組基本上都能實現冷卻水在額定流量的40%～120%范圍內穩定運行。另一方面，要求冷卻塔要在低冷卻水流量時，仍能均勻布水，使冷卻水能充分換熱，從而實現降低冷卻塔出水溫度的目的。相對于冷水機組的變流量運行這一成熟技術來說，冷卻塔在低冷卻水流量下均勻布水看似簡單，實則技術難度不低。一般的冷卻塔均為定流量設計，在流量降低時無法做到布水均勻。冷卻塔在低水量時，非變流量冷卻塔布水不均會導致浪費大量的換熱面積，同時空氣也會在沒有水的位置發生短路，導致看似是低負荷且變流量運行，但因換熱效果不佳，無法降低系統的冷凝溫度，系統的能效并沒有得到改善。因此，對采用變流量冷卻技術的冷卻塔，要求冷卻水在只有原設計30%時仍能布水均勻，從而能有效降低出水溫度。這就要求冷卻塔具有冷卻水自動平衡功能，從而解決冷卻塔水流量不均的難題。通過流量平衡調控系統，核算出每臺開啟的冷卻塔應承擔的水量，平均分配給對應的冷卻塔，從而實現系統平衡。具備冷卻水自動平衡功能，是實現“冷卻系統風水聯動”的關鍵因素之一。

風方面主要是冷卻塔的變風量運行，通過變頻風機輔以合理的控制邏輯，在部分負荷條件下，摒棄過往定頻冷卻塔的臺數控制方式［4］，改為低風量多臺冷卻塔低頻運行模式，充分利用冷卻塔系統的換熱面積，降低冷卻塔的運行功率。要求冷卻塔能夠自動適應運行環境，根據不同的負荷、冷卻水流量等參數來調節系統的風量，優化系統換熱，從而實現“冷卻系統的風水聯動”。

綜上所述，盡管在變流量冷卻系統實現的系統節能中，貢獻最大的是冷水機組，其次是冷卻水泵，最后是冷卻塔，但要想真正實現變流量冷卻系統節能效果的技術難點卻是冷卻塔。為實現變流量冷卻技術既定的節能期望，選用的冷卻塔必須具備以下功能。①具有冷卻水自動平衡功能。確保在低冷卻水流量下冷卻塔能均勻布水，且要核算出開啟的每臺冷卻塔應承擔的水量，平均分配給對應的冷卻塔，從而實現系統平衡。②能自動適應運行環境，可根據不同的負荷、冷卻水流量等調節系統的風量，優化系統換熱。

4 變流量冷卻技術的實際應用方案

變流量冷卻技術能有效提升中央空調水系統的節能效果，具有較高的推廣價值。然而，一項新技術的應用通常會造成項目投資費用的增加。根據項目投資的不同，變流量冷卻技術的應用方案有以下3種。

4.1 變頻式冷水機組+變頻冷卻水泵+變風量冷卻塔+控制系統

該方案適合預算充足，且對中央空調系統能效有很高要求的項目。就冷卻水系統而言，該方案在現有的技術條件下，能最大限度地發掘冷卻水系統的節能潛力，是變流量冷卻技術真正意義上的“風水聯動”。該類型項目一般配合使用冷凍水變流量控制及先進的群控系統，從而實現中央空調系統高效節能。該類型項目的缺點是項目投資費用高，盡管節能效果好，但還要充分考慮項目的投資回收期。

4.2 定頻式冷水機組+變頻冷卻水泵+變風量冷卻塔+控制系統

該方案適合預算充足，且對中央空調系統能效有較高要求的項目。就冷卻水系統而言，在現有技術條件下，該方案能較大限度發掘冷卻水系統的節能潛力，從而實現變流量冷卻技術的“風水聯動”。冷卻水系統和群控系統可根據實際情況進行搭配，也能較好地實現節能效果。在容量較大、設備臺數較多的系統中，可僅采用變流量冷卻技術就能得到較好的節能效果。根據項目的投資預算，該方案可搭配不同形式的冷凍水系統及控制系統，從而得到不同的節能效果。

4.3 定頻式冷水機組+定頻冷卻水泵+變風量冷卻塔+控制系統

該方案比較適合系統較大，具有多臺冷卻塔的中大型中央空調系統的改造項目。通過對冷卻塔的更換，輔以變風量控制，能較好地降低部分負荷時空調系統的冷凝溫度，在提高冷水機組運行效率的同時，進一步提高系統的節能性。項目要求使用具有變風量功能的冷卻塔，配合簡單的冷卻塔風冷控制系統即可實現。該項目具有投資小、改造難度低、效果較好的優點。特別適合冬暖夏熱的地區和全年空調運行時間長、部分負荷運行時間長的地區，具有較高的推廣價值。

5 變流量冷卻技術實際應用效果分析

5.1 廣東省人民政府大院5 號樓中央空調機房主要設備及管道改造項目

該項目為高效機房改造工程，項目于2017 年實測綜合EER 值為5.31，獲得清華大學建筑節能中心頒發的“公共建筑節能最佳實踐案例”獎。該項目采用變流量冷卻技術，設備配置為變頻螺桿式冷水機組、變頻水泵、變風量冷卻塔。該項目在夏季高負荷期間，冷卻塔進出口溫度實測為35.2/29.8 ℃，大氣濕球溫度為27.7 ℃，冷卻塔出口溫度與大氣濕球溫度差值為2.1 ℃，比設計差值4.3 ℃降低了2.2 ℃，冷水機組的實測效率提升了7%。

5.2 廣州地鐵某站冷卻系統改造項目

該項目屬冷卻水系統的改造工程項目。該項目采用的是變頻冷卻水泵及變風量冷卻塔來替換原系統定頻冷卻水泵及普通冷卻塔。從監控室讀取的數據可知，當日大氣濕球溫度為27.7 ℃；冷卻塔進出水溫度為35.2/29.8 ℃，冷卻水進出水溫差為5.4 ℃；冷卻水逼近度為2.1 ℃（冷卻塔出水溫度29.8 ℃-當日大氣濕球溫度27.7 ℃）；原系統設計冷卻水逼近度為4.3 ℃（冷卻塔出水溫度32 ℃-當日大氣濕球溫度27.7 ℃）。改造后的冷卻水系統的逼近溫度比系統原設計的逼近度降低了2.2 ℃，冷水機組節能實測超過6.5%。

5.3 廣州白天鵝賓館空調項目

該項目采用變流量冷卻技術。2015 年9 月29日16 時，該項目所在地的實時大氣濕球溫度為25.4 ℃，冷卻塔進出水溫度為32.9/27.9 ℃，逼近度為2.5 ℃（冷卻塔出水溫度27.9 ℃-當日大氣濕球溫度25.4 ℃），實時機房能效比為5.87。2016年11月8 日12 時，當地實時大氣濕球溫度為19 ℃，冷卻塔進出水溫度為26.2/21 ℃，逼近度為2 ℃（冷卻塔出水溫度21 ℃-當日大氣濕球溫度19 ℃），實時機房能效比為6.44（以上數據收集自項目節能檢測系統）。

通過以上3 個項目實例可知，降低冷卻塔出水溫度與大氣濕球溫度的逼近度，能有效提高中央空調系統的能效比，從而提高系統的節能效果。而變流量冷卻技術的核心目標正是降低空調系統的冷凝溫度。通過對冷卻水系統的“風水聯動”，從而降低冷卻塔出水溫度（冷水機組冷卻水進水溫度），使其盡可能地逼近大氣濕球溫度，從而優化系統的能效比。同時，從以上項目實例中可以發現，變流量冷卻技術在過渡季節的節能效果更加突出。以往在過渡季節時，經常會出現過渡季節供冷，盡管實際空調冷負荷不高，可中央空調系統的能耗卻不會有較大的降低。如果把變流量冷卻技術運用到中央空調系統中，能有效提高中央空調機房的能效比，從而達到更好的節能效果。

6 結語

冷卻水系統因技術簡單、設備造價低，一直被業內人員忽視。通過項目實際改造案例分析，發現優秀的冷卻水系統能為整個空調機房系統的性能優化帶來巨大幫助，且具有投資少、效果優、回報快的優點。因此，變流量冷卻技術在中央空調節能改造項目中具有較高的推廣價值，也為中央空調節能改造提供一種新的技術選擇。隨著社會發展，未來社會對中央空調系統的節能要求會進一步提高，變流量冷卻技術必將運用到更多的實際項目中。