高溫水源工況下帶冷卻塔預(yù)冷的制冷機(jī)房控制策略研究

蔣小強(qiáng)，關(guān)志強(qiáng)，李 敏

（1.廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東湛江 524025；2.廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名 525000）

近年來(lái)，許多地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)高溫，江湖水溫度也不斷攀升。對(duì)于水源制冷機(jī)房而言，高溫水源冷卻水直接進(jìn)入冷水機(jī)組工作，就導(dǎo)致冷凝溫度升高，冷凝壓力上升，從而導(dǎo)致制冷機(jī)工作效率大幅度下降。如何有效降低高溫水源工況下的制冷機(jī)房總能耗，是當(dāng)前空調(diào)行業(yè)有待解決的問(wèn)題之一。許多研究表明，降低冷凝溫度可有效提高制冷機(jī)的能效比。而降低冷凝溫度，將依賴于冷卻水溫度的降低[1-3]。如果先對(duì)高溫水源冷卻水進(jìn)行預(yù)冷，然后再送入冷水機(jī)組，將可降低機(jī)組冷凝溫度，提高制冷機(jī)工作效率。預(yù)冷的方式可能有很多，在本文中主要考慮采用冷卻塔進(jìn)行預(yù)冷。但這種預(yù)冷方式相對(duì)無(wú)預(yù)冷的制冷系統(tǒng)卻增加了冷卻塔能耗。從總能耗來(lái)看，是否節(jié)能還有待進(jìn)一步分析。同時(shí)，如果可實(shí)現(xiàn)節(jié)能，那么水溫達(dá)到何值時(shí)進(jìn)行預(yù)冷即預(yù)冷的轉(zhuǎn)換點(diǎn)溫度、預(yù)冷終溫取何值最節(jié)能?對(duì)于變風(fēng)量冷卻塔，還存在最節(jié)能的最佳冷卻塔風(fēng)量。本文將探討這些問(wèn)題。

1 制冷機(jī)房能耗模擬平臺(tái)

為了得到不同情形下的制冷機(jī)房總能耗，本文將分別建立帶冷卻塔預(yù)冷的制冷機(jī)房模擬平臺(tái)和常規(guī)制冷機(jī)房模擬平臺(tái)。限于篇幅，這里僅給出帶冷卻塔預(yù)冷的制冷機(jī)房模擬平臺(tái)示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1中所示的冷水機(jī)組為最大制冷量1406.8kW的螺桿式冷水機(jī)組，額定功率為254kW；選用一臺(tái)揚(yáng)程為30m、額定流量為80kg/s的變速冷卻水泵，額定功率為34.5kW；選用一臺(tái)揚(yáng)程為42m、額定流量為67kg/s的變速冷凍水泵，其單臺(tái)水泵額定功率為40kW（未考慮備用泵），冷水機(jī)組模型的構(gòu)建及驗(yàn)證見(jiàn)參考文獻(xiàn) [4]。

同時(shí)，為便于定量比較結(jié)果，假設(shè)干濕球溫差保持為4.5℃不變，干球溫度高于水源溫度保持在2℃不變，即濕球溫度總比水源溫度低2.5℃。

圖1 帶冷卻塔預(yù)冷的水源制冷機(jī)房模擬平臺(tái)

2 結(jié)果及分析

對(duì)于變頻水泵而言，在不同工況下，制冷機(jī)房的冷卻水流量可能不一樣。根據(jù)本課題組前期的研究工作，不同工況下的最佳冷卻水流量可根據(jù)冷卻水進(jìn)水溫度和冷水機(jī)組的負(fù)荷率決定，計(jì)算方法見(jiàn)式 （1），相關(guān)研究見(jiàn)文獻(xiàn) [5]、[6]。

其中a、b、c和d分別表示負(fù)荷率、冷卻水進(jìn)水溫度，冷卻水流量和冷凍水流量。下文的能耗計(jì)算，將在假設(shè)負(fù)荷率固定為0.85的情況下進(jìn)行。對(duì)于常規(guī)制冷機(jī)房和帶冷卻塔預(yù)冷的制冷機(jī)房總能耗而言，由于水源溫度和負(fù)荷率相同，故冷凍水側(cè)流量相同，冷凍水泵能耗相同，故在能耗比較中就不計(jì)入冷凍水泵能耗。

2.1 常規(guī)無(wú)預(yù)冷制冷機(jī)房總能耗

根據(jù)本課題組對(duì)上海某地表水溫度的測(cè)試結(jié)果，水溫可高達(dá)37℃左右。為了探討帶預(yù)冷制冷機(jī)房是否節(jié)能的問(wèn)題，這里考慮的普遍情況，先假設(shè)水源溫度冷卻水進(jìn)水溫度為 34℃，負(fù)荷率為0.85，根據(jù)式 （1）所示冷卻水和冷凍水兩側(cè)協(xié)同流量解耦控制公式，可計(jì)算得出最佳冷卻水流量和冷凍水流量分別是：69.19kg/s和58.37kg/s。通過(guò)如圖1所示的模擬平臺(tái)，可計(jì)算得此時(shí)制冷機(jī)房總能耗為292.77kW。

2.2 帶預(yù)冷制冷機(jī)房總能耗

對(duì)于帶預(yù)冷制冷機(jī)房的總能耗，將由冷水機(jī)組、變頻冷卻水泵和冷卻水塔的變頻風(fēng)機(jī)三部分能耗組成 （不計(jì)冷凍水泵能耗）。當(dāng)冷水機(jī)組負(fù)荷率為0.85和水源溫度為34℃（此時(shí)，假定干球溫度為36℃，濕球溫度為31.5℃），制冷機(jī)房能耗的計(jì)算過(guò)程如下：

教學(xué)中的“動(dòng)”是指講解、朗讀、討論、表演、操作，是“有聲有形”的教學(xué)；“靜”是指學(xué)生的講解、朗讀、觀察、思考、想象，是無(wú)聲的世界。教學(xué)中的“動(dòng)”是活躍課堂氣氛，例如：筆者在教學(xué)北師大教材二年級(jí)語(yǔ)文下冊(cè)《小山羊和小灰兔》一文時(shí)，不僅讓學(xué)生分角色對(duì)讀，而且還讓學(xué)生進(jìn)行表演。這樣既激發(fā)了學(xué)生興趣，又能使學(xué)生保持注意力收到了很好的教學(xué)效果?！办o”則有利于學(xué)生思維的深入。教學(xué)中“動(dòng)”多“靜”少，表面上熱熱鬧鬧，但學(xué)生的思維很少參與學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效果肯定不好；“靜”多“動(dòng)”少，則學(xué)生容易疲勞，不能有效利用“靜”的時(shí)間。

（1）先根據(jù)水源溫度和負(fù)荷率，對(duì)冷卻水和冷凍水兩側(cè)流量進(jìn)行解耦計(jì)算；

（2）根據(jù)冷卻水流量和室外干、濕球溫度以及冷卻塔能耗模型，對(duì)冷卻水出口 （冷卻塔）溫度和冷卻塔風(fēng)機(jī)能耗進(jìn)行計(jì)算；

（3）根據(jù)冷卻水 （出冷卻塔）溫度 （此時(shí)即為冷凝器的冷卻水進(jìn)水溫度）、負(fù)荷率和上述 （1）計(jì)算得到的冷卻水流量和冷凍水流量 （雖然此時(shí)進(jìn)冷凝器冷卻水溫度變化了，但不再根據(jù)此溫度進(jìn)行流量解耦，否則將陷于不斷的循環(huán)中，過(guò)程變得極其復(fù)雜），計(jì)算制冷機(jī)房設(shè)備總能耗。

由于采用變頻風(fēng)機(jī)，因而在不同冷卻塔風(fēng)量下，帶預(yù)冷的制冷機(jī)房總能耗不一樣，具體的計(jì)算結(jié)果及與常規(guī)制冷機(jī)房總能耗的比較見(jiàn)圖2。

圖2 34℃的冷卻水經(jīng)預(yù)冷和未預(yù)冷的制冷機(jī)房總功率比較圖

從圖2中可以看出，當(dāng)水源溫度為34℃時(shí)，帶冷卻塔預(yù)冷的制冷機(jī)房總能耗總小于未經(jīng)預(yù)冷的制冷機(jī)房總能耗。同時(shí)可看出，在冷卻塔風(fēng)機(jī)相對(duì)風(fēng)量從1下降至0.5時(shí)，制冷機(jī)房的總功率變化趨勢(shì)是先下降后上升，當(dāng)運(yùn)行風(fēng)量為名義流量的0.7左右時(shí)，制冷機(jī)房總功率達(dá)最小為287.54kW，最大節(jié)能量為5.23kW。未經(jīng)冷卻塔預(yù)冷的制冷機(jī)房總功率為292.77kW，采用冷卻塔預(yù)冷方式制冷機(jī)房總功率 （冷卻塔風(fēng)量在100%-50%之間變化）均小于未預(yù)冷的總功率。這說(shuō)明，采用預(yù)冷方式，可以降低制冷機(jī)房總功率。

2.3 不同水源溫度對(duì)帶預(yù)冷制冷機(jī)房能耗的影響

前面分析了在某高溫工況下采用冷卻塔預(yù)冷能降低制冷機(jī)房總功率，那是否任何水源溫度下，采用冷卻塔預(yù)冷均能取得節(jié)能效果?下文將分析不同水源溫度下，預(yù)冷和未經(jīng)預(yù)冷的制冷機(jī)房總功率。

為了分析不同水源溫度下，采用預(yù)冷對(duì)制冷機(jī)房總功率的影響，這里再選取兩個(gè)不同的工況 （共三個(gè)工況）進(jìn)行考察，考慮到高溫極端情況，取高溫水源為37℃；考慮到常見(jiàn)夏季水溫，取較高水溫28℃分別進(jìn)行能耗計(jì)算，再結(jié)合前節(jié)的34℃水溫進(jìn)行分析。模擬結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

根據(jù)圖3和圖4，可以認(rèn)為，當(dāng)水源溫度較高的情況下，采用冷卻塔先對(duì)冷卻水進(jìn)行冷卻可以降低制冷機(jī)房總功率。圖4表明，當(dāng)水源溫度不夠高時(shí)，采用冷卻塔預(yù)冷未必能降低制冷機(jī)房總功率，當(dāng)風(fēng)量較大時(shí)，由于風(fēng)機(jī)功率大，此時(shí)制冷機(jī)房總功率將超過(guò)沒(méi)有預(yù)冷的制冷機(jī)房總功率，而當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量較小時(shí)，帶預(yù)冷制冷機(jī)房總功率可能小于未預(yù)冷制冷機(jī)房總功率，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

圖3 37℃的冷卻水經(jīng)預(yù)冷和未預(yù)冷的制冷機(jī)房總功率比較圖

圖4 28℃的冷卻水經(jīng)預(yù)冷和未預(yù)冷的制冷機(jī)房總功率比較圖

可以看出，決定帶預(yù)冷制冷機(jī)房相對(duì)無(wú)預(yù)冷制冷機(jī)房是否節(jié)能，可能取決于兩個(gè)因素，一是水源溫度；二是冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

2.4 帶預(yù)冷制冷機(jī)房運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化

前一節(jié)的研究得到了對(duì)于高溫水源，冷卻水先采用冷卻塔進(jìn)行預(yù)冷后再進(jìn)入冷水機(jī)組工作，能實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)房的節(jié)能。然而，其中還有兩個(gè)問(wèn)題，首先是當(dāng)水源溫度達(dá)何值時(shí)需要進(jìn)行預(yù)冷才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能；另外，預(yù)冷時(shí)，冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量取多大時(shí)，節(jié)能效果最好。

2.4.1 水源溫度的預(yù)冷轉(zhuǎn)換點(diǎn)分析

由于水源溫度總在動(dòng)態(tài)變化，何時(shí)有必要進(jìn)行預(yù)冷，何時(shí)不必采用預(yù)冷，對(duì)于優(yōu)化制冷機(jī)房的運(yùn)行并降低總功率具有重要的指導(dǎo)意義。

根據(jù)圖2～圖4，可以看出，當(dāng)冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量取名義風(fēng)量的60%～70%左右時(shí)，制冷機(jī)房總功率最小，因而下文將在假定制冷機(jī)房負(fù)荷率為0.85和冷卻塔相對(duì)風(fēng)量取70%不變時(shí)，對(duì)不同氣候參數(shù)條件下的制冷機(jī)房總功率進(jìn)行計(jì)算和分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水源溫度變化對(duì)制冷機(jī)房總功率的影響

從表1中可以看出，在選定的工況條件下，帶預(yù)冷制冷機(jī)房運(yùn)行總功率與未預(yù)冷制冷機(jī)房運(yùn)行總功率并不相同：當(dāng)水源溫度不高于24℃時(shí)，帶冷卻塔預(yù)冷的制冷機(jī)房總功率均大于未預(yù)冷機(jī)房總功率。這說(shuō)明，此時(shí)宜采用未預(yù)冷的制冷機(jī)房。當(dāng)水源溫度高于24℃后，預(yù)冷機(jī)房總功率開(kāi)始低于未預(yù)冷機(jī)房總功率，這說(shuō)明此時(shí)在一定的冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量下，采用帶預(yù)冷制冷機(jī)房可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

那么在什么溫度下適宜采用預(yù)冷制冷機(jī)房的工作模式?根據(jù)表1所示的當(dāng)水源溫度超過(guò)24℃時(shí)預(yù)冷即可能實(shí)現(xiàn)節(jié)能?，F(xiàn)先考察水源溫度為21℃時(shí)預(yù)冷制冷機(jī)房和未預(yù)冷制冷機(jī)房總功率，結(jié)果見(jiàn)圖5。可以看出，無(wú)論冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量多少，采用冷卻塔預(yù)冷的制冷機(jī)房總功率總大于未預(yù)冷的制冷機(jī)房總功率。這說(shuō)明，當(dāng)水源溫度低于21℃時(shí)，不宜進(jìn)行預(yù)冷。

圖5 21℃的冷卻水經(jīng)預(yù)冷和未預(yù)冷的制冷機(jī)房總功率比較圖

圖6 33℃的冷卻水經(jīng)預(yù)冷和未預(yù)冷的制冷機(jī)房總功率比較圖

根據(jù)圖2和3所示，當(dāng)水源溫度在34℃以上，帶預(yù)冷制冷機(jī)房總功率總小于未預(yù)冷制冷機(jī)房總功率，且隨水源溫度升高，總功率差值增大?，F(xiàn)考察兩者功率大小交叉的臨界水源溫度，顯然，臨界溫度將小于34℃，且大于21℃。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)比較，可近似認(rèn)為臨界水源溫度為33℃，該溫度下的預(yù)冷和未預(yù)冷制冷機(jī)房總功率見(jiàn)圖6。由圖6可看出，不論冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量取何值，帶冷卻塔預(yù)冷的制冷機(jī)房總功率總小于未預(yù)冷制冷機(jī)房總功率。

根據(jù)圖5和6所示預(yù)冷和未預(yù)冷制冷機(jī)房總功率值變化規(guī)律 （在低溫水源和高溫水源工況下），將存在一過(guò)渡區(qū)，即預(yù)冷和未預(yù)冷制冷機(jī)房總功率相交。由圖5和6可以推測(cè)，此過(guò)渡區(qū)應(yīng)該在水源溫度為21℃～33℃之間。取水源溫度26℃為例進(jìn)行模擬，所得結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 26℃的冷卻水經(jīng)預(yù)冷和未預(yù)冷的制冷機(jī)房總功率比較圖

圖7表明，當(dāng)水源溫度在某一確定范圍內(nèi)取值時(shí)，冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量取不同值，將決定帶預(yù)冷制冷機(jī)房是否節(jié)能?？梢酝茰y(cè)，在高風(fēng)量下，帶預(yù)冷制冷機(jī)房總功率將大于未預(yù)冷制冷機(jī)房總功率；而當(dāng)相對(duì)風(fēng)量約在87%以下時(shí)，帶預(yù)冷制冷機(jī)房總功率可實(shí)現(xiàn)節(jié)能，且存在最佳的風(fēng)量使制冷機(jī)房總功率最小[7]。

需要說(shuō)明的是，上述分析是基于負(fù)荷給定為0.85、干濕球溫差保持為4.5℃不變、干球溫度和水源溫度溫差保持在2℃不變的前提下得出的。當(dāng)某一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，上述結(jié)論可能將隨之改變。

2.4.2 預(yù)冷時(shí)冷卻塔風(fēng)量的優(yōu)化

在圖2和圖3中，使制冷機(jī)房總功率最小的冷卻塔運(yùn)行風(fēng)量約為名義風(fēng)量的75%，而圖5所示冷卻塔最佳相對(duì)風(fēng)量約為65%。這表明，對(duì)于變頻冷卻塔而言，其風(fēng)機(jī)變頻將存在一拐點(diǎn)使制冷機(jī)房總功率最小，此時(shí)對(duì)應(yīng)的冷卻塔風(fēng)量即為最佳風(fēng)量，且此拐點(diǎn)隨其它參數(shù)變化而變化，即在不同水源溫度或其他條件下，最佳風(fēng)量的取值也不一樣。因此，針對(duì)預(yù)冷時(shí)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，特別是冷卻塔風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)節(jié)方案將結(jié)合其他參數(shù)條件下進(jìn)行。限于篇幅，本文不再進(jìn)行具體分析。

3 小 結(jié)

（1）本文比較了不同水源溫度下帶冷卻塔預(yù)冷的水源制冷機(jī)房和未帶預(yù)冷的水源制冷機(jī)房總能耗，可以看出，在高溫水源下，冷卻水先經(jīng)過(guò)冷卻塔預(yù)冷后再進(jìn)冷水機(jī)組工作，能有效降低制冷機(jī)房總功率。

（2）得到了水源制冷機(jī)房不同水溫下的運(yùn)行策略：當(dāng)水源溫度高于33℃時(shí)，采用冷卻塔預(yù)冷可有效實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)房節(jié)能且冷卻塔風(fēng)機(jī)存在最佳風(fēng)速；當(dāng)水源溫度高于21℃但低于33℃時(shí)，帶預(yù)冷制冷機(jī)房是否節(jié)能將與冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量取值有關(guān)；而當(dāng)水源溫度低于21℃時(shí)，帶冷卻塔預(yù)冷的制冷機(jī)房將更加耗能，不宜采用。

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