冷卻水變流量節能分析與計算探討

龔思越，郭勇，江宋標

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣州，510000）

0 引言

集中空調系統的制冷主機、水泵、冷卻塔等設備一般都是按照設計工況配置的，而實際運行過程中，部分負荷下的運行時間居多，大流量小溫差的現象比較普遍。針對冷卻水側，大流量小溫差將導致電冷源綜合制冷性能系數（SCOP）較低，從而空調系統的能效必然也較低。在部分負荷下，采用冷卻水變流量的運行方式可以很好的解決大流量小溫差現象。一般，冷卻水循環泵根據冷卻水供回水溫差變頻運行，當溫差小于設定值時，降低水泵運行頻率，當水泵運行頻率低于下限值時，再減載水泵［1］。冷卻水變流量工況下，水泵的功耗會減少，但由于水量的減少，水流速減少，降低了制冷主機冷凝器的換熱系數，主機功耗會增加。有研究表明，在冷卻水泵變頻的同時，結合冷卻塔風機變頻，節能效果顯 著［2］，所以在研究冷卻水變流量運行特性時，冷卻塔風機的定頻、變頻運行特性也需同步考慮。以冷水機組+冷卻水泵+冷卻塔組成的冷卻水系統為比較基準，計算分析冷卻水變流量前后，冷卻水系統總功耗隨負荷的變化特性和節能率更具代表性。

本文以廣州某商業項目采用的600 Rt定頻離心式冷水機組、以及對應的冷卻水泵和冷卻塔為例，分析不同負荷率和冷卻水變流量工況下，冷水機組、冷卻水泵、冷卻塔風機的變流量運行特性，并定量計算流量變化前后的冷卻水系統節能率，供工程設計參考。

1 冷水機組冷卻水變流量性能分析

以設計工況制冷量為600 Rt（2110 kW）的定頻離心式冷水機組為研究對象，冷卻水進出水溫度32～37 ℃，冷卻水流量432 m3/h，配置兩臺300 m3/h的方形橫流低噪冷卻塔。冷卻水泵流量432 m3/h，經水力計算水泵揚程27 m。冷凍水進出水溫度7～12 ℃。根據訂貨設備廠家提供的數據，負荷率50～100 %，冷水機組負荷率每改變10 %對應冷卻水流量變化率也為10 %下的機組冷卻水進、出水溫度如表1所示。

表1 不同負荷率，冷卻水變流量下的進出水溫度

從表1可知，定32 ℃進水溫度條件下，隨著負荷率和冷卻水流量的減少，出水溫度有所降低，但溫差變化很小，近似認為其滿足定5 ℃溫差。

通過訂貨設備廠家數據，統計該離心式冷水機組在冷卻水變流量工況下的運行參數如表2、圖1所示。

圖1 600 RT離心式冷水機組的變工況運行參數對比

表2 600 RT離心式冷水機組的變工況運行參數

從表2和圖1可知：（1）該冷水機組在定32 ℃冷卻水進水溫度，進出水溫差5 ℃，負荷率從100～50 %，冷卻水流量變化率10 %條件下，定、變流量工況下的機組COP變化均呈下降趨勢；（2）冷卻水變流量運行下，機組功耗增加，COP下降。兩者在負荷率70～100 %，變化較緩；在50～70 %負荷率下，變化幅度加劇，功耗急劇增加，COP下降加快。

2 冷卻水變流量性能分析

冷卻水系統為開式系統，管路特性曲線可表示為式（一）：

式中：H為冷卻水泵揚程，m；h為冷卻塔塔體揚程，m；S為管網阻抗系數；G為冷卻水流量m3/h。

冷卻水泵的軸功率可表示為式（二）：

式中：N為冷卻水泵軸功率，kW；g為重力加速度，9.8 m/s2；G為水泵流量，m3/s；H為冷卻水泵揚程，m；η為水泵效率，%。

在冷卻水變流量工況下，式（一）中h保持不變；其他部分管路阻力會隨著冷卻水流量的二次方變化，從而H會隨著流量變化而增加或減少。水泵效率不會一直不變，它也會隨著流量的變化而變化。根據水泵訂貨廠家提供的選型曲線，可擬合得出H-G曲線和η-G曲線，以及對應的回歸方程，得出不同流量下對應的水泵效率，從而計算出不同冷卻水流量下冷卻水泵對應的功耗，如表3所示。

表3 冷卻水泵變流量功耗分析

3 冷卻塔風機變頻性能分析

根據《廣東省公共建筑節能設計標準》，一般冷卻塔的汽水比為500～600 m3/h，按每1 m3/h水量對應的冷卻塔風量為550 m3/h進行估算是可行的。有研究表明，在一定范圍內，氣水比不變，水流量、風量等比例變化的情況下，如進水溫度不變，則出口水溫不變［3］。結合表1可知，冷卻水變流量工況下冷卻塔進水溫度變化非常小，假設冷卻水流量變化率10 %，冷卻塔風機頻率變化也為10 %，在氣水比不變的情況下忽略風機變頻對冷卻塔出水溫度的影響。冷卻塔風機變頻功率根據風量之比的三次方關系進行計算，同時考慮變頻后電機的效率和變頻器的效率改變的影響，效率和變速比的關系如下［4］：

式中：ηg為電動機效率，%；ηf為變頻器效率，%；k為變速比。

冷卻水變流量下，冷卻塔風機變頻功耗計算結果如表4所示。由表可知，冷卻塔風機變頻是節能的。

表4 冷卻塔風機變頻功耗分析

4 冷卻水系統變流量節能性分析

由前文計算分析可知，相較于冷卻水定流量，隨著冷卻水流量的變化，離心式冷水機組功耗增加，而冷卻水泵功耗是減少的。冷卻塔風機變頻下，塔的耗功也會減少。以冷水機組+冷卻水泵+冷卻塔組成的冷卻水系統為比較基準，計算分析流量變化前后，冷卻水系統總功耗隨負荷的變化和節能率。

當不考慮冷卻塔風機變頻運行這一因素時，表5所示為冷卻塔風機定頻運行條件下，冷卻水系統定、變流量工況下的功耗。

表5 冷卻水系統定、變流量工況下的功耗對比分析（冷卻塔風機定頻）

在冷卻塔風機定頻運行條件下，負荷率從50～100 %，每改變10 %對應冷卻水流量變化率也為10 %前提下，冷卻水系統的總功耗減少；功耗/冷量隨著負荷率和流量的變化而增大，究其原因是COP下降造成的。該冷卻水系統節能率約為1.0～3.5 %，其中負荷率50～80 %運行條件下，對應的節能率相對高，平均在2.6 %左右。

考慮冷卻塔風機變頻運行時，冷卻水系統定、變流量工況下的功耗對比如表6所示。

表6 冷卻水系統定、變流量工況下的功耗對比分析（冷卻塔風機變頻）

表6相比于表5，僅改變了變流量工況下的冷卻塔風機功耗，從而使冷卻水系統總功耗進一步減少，節能率約為2.0～7.5 %，較表5的結果有明顯提高。其中負荷率50～80 %運行條件下，節能率相對較高，平均在5.9 %左右。

綜合比較表5、表6，結果如下圖2、圖3所示。

圖2 冷卻水系統定、變流量工況下的功耗/冷量對比

圖3 水泵減少的功耗與冷水機組增加的功耗之和對比

由圖2、圖3可知，（1）負荷率在50～100 %，冷卻水定、變流量工況下的功耗/冷量變化趨勢基本一致。在80～100 %負荷率下，功耗/冷量變化緩慢；50～80 %負荷率下，功耗/冷量變化幅度增大；（2）變流量工況下的功耗/冷量小于定流量下的功耗/冷量；（3）冷卻水變流量工況下，水泵減少的功耗大于離心式冷水機組增加的功耗。（4）變流量工況下，冷卻塔風機變頻運行條件下的功耗/冷量小于冷卻塔風機定頻運行條件下的功耗/冷量，冷卻水泵變頻加冷卻塔風機變頻的方式下節能效果更明顯。

5 結論

結合選型主機的性能特性，冷卻水變流量運行在一定范圍內是節能的。負荷率從50～100 %每改變10 %，對應冷卻水流量變化率也為10 %前提下，冷卻塔風機定頻運行時，對應冷卻水流量變化前后，冷卻水系統節能率約為1.0～3.5 %，其中負荷率50～80 %區間，對應的節能率相對較高，平均在2.6 %左右；冷卻塔風機變頻運行條件下，節能率約為2.0～7.5 %，負荷率在50～80 %區間，節能率相對較高，平均在5.9 %左右。

冷卻水變流量工況運行時，冷卻水泵變頻結合冷卻塔風機變頻的運行方式，節能效果更明顯。