冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)節(jié)能效果動態(tài)預(yù)測與應(yīng)用

(中國葛洲壩集團房地產(chǎn)開發(fā)有限公司,北京 100020)

大型綜合體建筑的內(nèi)區(qū)或者某些工業(yè)廠房,在冬季仍然具有空調(diào)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(chǎn)車間的工藝設(shè)備產(chǎn)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(xiàn)節(jié)能運行。通常來講,設(shè)置冷卻塔供冷系統(tǒng),采用冷卻塔代替冷水機組或者空調(diào)系統(tǒng)加大新風(fēng)量運行,充分利用室外冷風(fēng),是冬季利用冷源的兩種方式。這兩種節(jié)能技術(shù)都在工程中得到廣泛應(yīng)用。但從實踐經(jīng)驗來看,冬季卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)加大新風(fēng)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(tǒng)為其產(chǎn)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(tǒng)為例,結(jié)合冷卻塔風(fēng)扇臺數(shù)控制策略,從分析冷卻塔換熱的熱工特性出發(fā),理論推導(dǎo)冷卻塔風(fēng)扇運行臺數(shù)與空調(diào)系統(tǒng)冷負荷以及室外氣象參數(shù)等因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,實現(xiàn)對冷卻塔供冷系統(tǒng)能耗水平的動態(tài)預(yù)測,以期為科學(xué)評價該項技術(shù)實際的節(jié)能效果提供更為準確的技術(shù)手段。

1 系統(tǒng)方案

某卷煙廠位于我國長三角地區(qū),其冷凍站現(xiàn)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(shù) (Coefficient Of Performance,COP)為 6.5。每臺冷水機組分別對應(yīng)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(fēng)扇,單臺風(fēng)扇額定功率為7.5 kW。

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

圖1 系統(tǒng)流程

2 模型建立

根據(jù)冷卻塔的換熱原理,通過建立冷卻塔出水溫度與冷卻塔風(fēng)扇臺數(shù),空調(diào)冷負荷以及室外氣象參數(shù)的關(guān)系模型,即可以在冷卻塔出水溫度限值前提下,結(jié)合所承擔的空調(diào)逐時冷負荷以及室外逐時氣象參數(shù),計算得到風(fēng)扇逐時運行臺數(shù),進而實現(xiàn)對冷卻塔供冷系統(tǒng)能耗的動態(tài)預(yù)測。

2.1 理論假設(shè)

(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(nèi)變動時(如對文中系統(tǒng),濕球溫度0℃

圖2 冷卻塔熱工特性曲線(67%設(shè)計流量：36mL/(s?kW))

(2)當冷卻塔某些冷卻單元的風(fēng)扇關(guān)閉時,忽略在自然進風(fēng)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(tǒng)安全。

(3)不考慮水系統(tǒng)管路溫升(冬季室外氣溫較低且系統(tǒng)做好保溫)。

2.2 建立預(yù)測模型

基于上述理論假設(shè),此處建立預(yù)測冷卻塔風(fēng)扇運行臺數(shù)的數(shù)學(xué)模型。將卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)按水－水板式換熱器分成兩組子系統(tǒng)。由前述的系統(tǒng)方案可知,單組子系統(tǒng)中包含2組冷卻塔,而每組冷卻塔設(shè)有8臺風(fēng)扇,即對每組冷卻塔供冷子系統(tǒng)共有16臺風(fēng)扇可用于進行臺數(shù)控制。對單組冷卻塔供冷子系統(tǒng),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(diào)冷負荷及室外濕球溫度下,在保證冷卻塔供冷系統(tǒng)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(tǒng)風(fēng)扇的開啟臺數(shù)為n,則關(guān)閉的風(fēng)扇臺數(shù)為(16－n)。

對開啟風(fēng)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(tǒng)承擔空調(diào)冷負荷(kW)；G為系統(tǒng)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(tǒng)回水溫度,(℃)。

根據(jù)前述理論假設(shè)(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(shù),是反映冷卻特換熱的熱工特性參數(shù)。冷卻水出水端的能量守恒有：

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

聯(lián)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(fēng)扇開啟臺數(shù)應(yīng)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(tǒng)風(fēng)扇開啟臺數(shù)的因素有冷卻塔系統(tǒng)出水溫度限值tlim、冷卻水量G、冷卻塔熱工特性參數(shù)(即a、b、c三個常數(shù))、空調(diào)冷負荷Q以及室外濕球溫度ts。其中,冷卻塔系統(tǒng)出水溫度限值,冷卻水流量以及冷卻塔熱工特性參數(shù)對某一系統(tǒng)而言為固定值,前兩者可根據(jù)實際系統(tǒng)取值,而冷卻塔熱工特性參數(shù),可通過實測數(shù)據(jù)進行擬合得到?？照{(diào)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(jù)當?shù)氐湫湍隁庀髷?shù)據(jù)進行取值。當?shù)玫缴鲜鲇绊懸蛩氐娜≈岛?即可以利用式(7)計算運行期內(nèi)冷卻塔供冷系統(tǒng)的逐時風(fēng)扇運行臺數(shù)。

2.3 模型驗證

對于某卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng),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(tǒng),即至多開啟16臺冷卻塔風(fēng)扇)。第一工況為非自控工況,即開啟全部16臺冷卻塔風(fēng)扇,此時冷卻單元出水溫度tg與冷卻塔系統(tǒng)出水溫度tg'相等,通過測試冷卻塔系統(tǒng)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(shù)(即a、b、c三個常數(shù))；第二工況為自控工況,此時冷卻塔供冷系統(tǒng)按照風(fēng)扇臺數(shù)控制策略運行,該工況測試冷卻塔系統(tǒng)進出水溫度、冷卻水流量G以及室外濕球溫度ts并記錄風(fēng)扇實際開啟臺數(shù)n,利用系統(tǒng)進出水溫度與冷卻水流量可計算空調(diào)供冷量Q,進而利用式(7)可計算風(fēng)扇開啟臺數(shù)的預(yù)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(shù)據(jù),通過線性回歸處理,即可以得到式(3)中的a、b、c常數(shù)值?；貧w結(jié)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(yù)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(shè)(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。基于實測數(shù)據(jù),利用式(7)計算得到的風(fēng)扇開啟臺數(shù)預(yù)測值以及記錄的實際值見圖4。

由圖4可以看出,冷卻塔風(fēng)扇臺數(shù)預(yù)測值與實際值雖有所差異,但是兩者差別不大,大多數(shù)誤差在2臺風(fēng)扇以內(nèi),這說明冷卻塔風(fēng)扇開啟臺數(shù)的預(yù)測值能夠反映實際值的變化規(guī)律。因此,上述預(yù)測模型能夠?qū)Χ纠鋮s塔供冷系統(tǒng)風(fēng)扇運行臺數(shù)進行動態(tài)預(yù)測,進而能夠更為準確地預(yù)測和評價系統(tǒng)的實際能耗水平。

圖4 某卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng)風(fēng)扇開啟臺數(shù)的實際值和預(yù)測值比較

3 模型應(yīng)用

根據(jù)前面建立的預(yù)測模型,即可以計算得到卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng)全年逐時的風(fēng)扇開啟臺數(shù),從而可以預(yù)測系統(tǒng)的逐時能耗,最終可以對冷卻塔供冷系統(tǒng)的節(jié)能效果進行評價。

3.1 冷卻塔風(fēng)扇全年運行臺數(shù)

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(diào)系統(tǒng)逐時冷負荷,并結(jié)合卷煙廠所在地的全年逐時室外濕球溫度,利用預(yù)測模型即可以計算得到全年冷卻塔供冷系統(tǒng)需要逐時開啟的風(fēng)扇臺數(shù)。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(tǒng)逐時的風(fēng)扇開啟臺數(shù)見圖5?？梢钥闯?在冬季供冷運行期內(nèi),不存在運行2組冷卻塔供冷子系統(tǒng)全部32臺風(fēng)扇的時段,而且同時需要運行2組子系統(tǒng)的時段也較少；在運行1組子系統(tǒng)的時段,大部分時刻也不需要運行全部的16臺風(fēng)扇。因此,冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)采用風(fēng)扇臺數(shù)控制策略能夠取得顯著的節(jié)能效果。

圖5 冷卻塔供冷系統(tǒng)冬季供冷期逐時的風(fēng)扇開啟臺數(shù)預(yù)測

3.2 系統(tǒng)運行能耗

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

3.3 系統(tǒng)節(jié)能效果評價

為簡化考慮,近似認為冬季冷卻塔供冷與常規(guī)冷水機組供冷方式的冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻塔風(fēng)扇的電耗相同,也即兩者的主要差別是冷水機組電耗。根據(jù)假設(shè),冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)承擔的空調(diào)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(tǒng)的節(jié)電量。

對文中卷煙廠統(tǒng)計可知,在冬季供冷期內(nèi)空調(diào)總冷量約為7.403h106kWh,若承擔上述總冷量,根據(jù)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(jié)電量。因此,若由采用冷水機組供冷方式,則其總電耗應(yīng)為2.169h106kWh,從而冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)節(jié)能率為52.5%。

工業(yè)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(tǒng)全年可節(jié)約電費約為91萬元。整個系統(tǒng)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(jié)電量或者節(jié)約電費的指標不能反映出不同供冷方案的能源轉(zhuǎn)換效率,這可能導(dǎo)致對方案的評價不全面。為了定量說明這個問題,本文根據(jù)《公共建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)范》(JGJ 176－2009)中的定義,對冷源系統(tǒng)能效系數(shù)指標進一步對比分析。冷源系統(tǒng)能效系數(shù)是指冷源系統(tǒng)單位時間供冷量與冷水機組、冷水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)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(nèi)冷卻塔與冷水機組供冷方式的冷源系統(tǒng)能效系數(shù)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(tǒng)能效系數(shù)比較

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

4 結(jié)語

本文克服了已有研究中靜態(tài)分析冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)節(jié)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(shè),理論推導(dǎo)了風(fēng)扇臺數(shù)控制策略邏輯下冷卻塔風(fēng)扇運行臺數(shù)與冷卻塔系統(tǒng)出水溫度、冷卻水流量、冷卻塔熱工特性參數(shù)、空調(diào)冷負荷以及室外濕球溫度等因素的數(shù)學(xué)關(guān)系式,建立了冷卻塔風(fēng)扇運行臺數(shù)的預(yù)測模型并實施了驗證,從而實現(xiàn)了對冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)節(jié)能效果的動態(tài)預(yù)測。

基于文中提出的動態(tài)預(yù)測方法,對某卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)的節(jié)能效果進行了預(yù)測和評價。結(jié)果表明,該卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng)在冬季供冷期提供空調(diào)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(nèi)節(jié)電量1.139h106kWh,節(jié)能率為52.5%,節(jié)約電費約為91萬元,投資回收期約為2a,季節(jié)能源系統(tǒng)能效系數(shù)高達7.19。本文的研究成果可為預(yù)測和評價冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)的節(jié)能效果提供參考。