冷却水系统变流量的全年工况节能分析

c
－ W* c ） +
l j hour j （ W p ∑ j
－ W* p ）
]
（1）
k 为典型冷负荷需求状态 （ 取 10% ～ 100% 中 式中， 的 10 个典型工况 ） ； n i 为对应某个工况下 i 型号冷 n i ≤ N i ； l j 为对应某个工况下 j 水机组的运行台数， l j ≦ L j ；hour 为不同冷负 型号冷却水泵的运行台数， 冷水机组和冷却水泵的运行小时数 。 荷需求状态下， 对于不同的冷却水变流量控制方式， 式（1） 为 求解最优化节能控制方法的目标函数 。 1. 1 变流量对水泵能耗的影响 冷却水变流量控制方式主要有定温差控制 、 冷 凝温度控制和压差控制。 定温差控制是将冷却水的供、 回水温差设定为 定值， 以控制水泵的转速和流量。 这种控制方式仅 当冷水机组处于部分负荷时， 冷却水才变流量， 节能 ［ 11 ］ 效果有限 。实际运行时容易出现冷却塔布水压 力不够的情况， 影响冷却塔冷却效果。 冷凝温度控制是将冷却水出水温度设定为固定 值， 间接地控制冷凝温度。 在保证水流量不低于最 小流量的情况下， 尽可能降低冷却水泵的转速和流 量， 增大冷却水供、 回水温差， 从而实现节能。 冷凝 冷却水温差和流量变 温度控制与定温差控制相比， ［ 12 ］ 化范围大， 水泵的节能潜力得到了有效的利用 。 压差控制可分为供、 回水干管恒压差控制和最 不利环路恒压差控制， 前者只解决了冷却水流量的 问题， 忽略了冷却水供、 回水温差对节能的作用， 后 者由于最小压差相对较小， 节能效果优于前者。 实际运行过程中， 水泵的电耗 W 可按式 （ 2 ） 计 算： W = GH η
第 26 卷第 4 期 2010 年 4 月 ［ 10028528 （ 2010 ） 04008005 文章编号］
建
筑
科
学
No. 4 Vol. 26 ， Apr. 2010
BUILDING SCIENCE
冷却水系统变流量的全年工况节能分析
封小梅， 简弃非， 左 政（ 华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广州 510640 ）
［ 摘 要］ 本文对变流量时冷却水系统的节能效果进行了分析 。首先以冷却变频水泵调速引起冷水机组和水泵系统的 全年节能量的变化为优化目标函数， 分析了变流量时不同控制方式对水泵和机组能耗的影响 。 而后建立了冷却水变流量时 系统的节能优化模型， 并应用实例进行分析， 计算得出了不同控制方式下冷却水系统全年以及不同负荷率工况下的运行能 在此基础上得到了最优化的控制方法 。研究结果表明：冷却水系统采用变流量是可行的， 系统综合节能效果显著；定温差 耗， + 最小压差控制是相对节能的变流量控制方式， 同定流量控制比较， 系统全年节能率为 6. 07% 。 ［ 关键词］ 冷却水泵；冷水机组；变流量；节能 + ［ ［ 中图分类号］ TU831. 3 6 文献标识码］ A
变冷水流量的节能效果也存在很大的争议 。 因此， 有必要对定、 变流量时， 冷水机组和冷却水泵的能耗 ， 特性进行研究 从而确定冷却水系统的节能效果 。 本文所研究的变冷却水流量是指通过水泵变频调节 水的流量。
1
优化模型的建立
现有文献研究表明， 选定的冷却塔在部分负荷 时， 恒定水流量与变化水流量的出水温度基本相同 ， ［ 710 ］ 。 故本 即水流量变化对冷却塔的性能没有影响 文研究的冷却水系统由冷水机组和冷却水泵组成 ， 不包括冷却塔。 L 台冷却水 假设某建筑配置 N 台冷水机组和、 泵， 共有 i 种型号的冷水机组和 j 种型号的冷却水 泵。定流量时， 冷水机组和冷却水泵的输入功率分 * * W W ， 别为 c 和 p 变流量时分别为 W c 和 W p 。 则由
Guangzhou 510640 ， China） Technology， ［ Abstract］ In this paper， energysaving effects of cooling water system under variable flow conditions were analyzed. Firstly， with the inverter technology， the energysaving of chiller and cooling water pump during yearround was taken as the optimal target， the influences of different variable speed control strategies on energy consumption of chiller and cooling water pump were analyzed. the energy efficiency optimization model for variable flow cooling water system was established. Based on the case study， the Secondly， operation energy consumption was calculated under different control strategies and different cooling load conditions， and therefore the the corresponding optimal control strategy was obtained. The results indicated that it was feasible to adopt the variable flow strategy， energysaving effect was significant. In addition， the control strategy of constant temperature difference with the minimum pressure the yearround energysaving rate was 6. 07% . difference was more energy efficient compared to the constant flow control strategy， ［ Keywords］ cooling water pump， chiller， variable flow， energy efficiency
表1
负荷率% 1 / COP
（2）
定温差控制时冷却水机组的电耗指标
100 90 0. 178 80 0. 182 70 0. 184 60 0. 181 50 0. 180
m / h； H 式中， η 为水泵效率； G 为水泵的工作流量， m。 为水泵扬程， 在讨论水泵变流量的节能效果时， 水泵的转速 n、 G 、 H W 流量 扬程 以及电耗 之间的理论关系可按 （ 式 3 ） 计算： n1 G1 = = n2 G2
Analysis on Energysaving of Yearround Operation Conditions with Variable Flow Cooling Water System
FENG Xiaomei， JIAN Qifei， ZUO Zheng （ College of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of
0. 178
表 1 中数据是基于冷却水出水温度保持不变、 进水温度对应于部分负荷情况下的气象参数而得到 的。实际运行中， 冷水机组在不同负荷率工况下的 冷却水进水温度随气候区域、 建筑功能以及使用规 律的不同存在很大差异， 因而需要根据实际情况修
(H H )
1 2
1 /2
=
(W W )
1 2
1 /3
随着中央空调的广泛应用， 空调耗电量已占到 了大型公共建筑总耗电量的 50% 以上， 而水泵的能 耗可占到系统总能耗的 20% ～ 40% 。 因此， 降低水 对于提高整个空调系统的能效比有着非 泵的能耗， 常积极的意义。 冷冻水变流量运行已经得到了工程界的认可 ， ［ 13］ 。 而对于冷却水泵变 且有很多成功的应用案例 虽然已有一些研究和工程实践， 但仍存在一 频运行， ［ 47］ 。 在实际工程中， 些争议 冷却水泵变频降低流 量， 会导致冷水机组能耗增加， 不但不会节能， 甚至 还会危及冷水机组的运行安全。另外， 工程界对定、
（3）
82
建筑科学
第 26 卷
14 ］ 正冷却水温度对 COP 的影响。 文献［ 基于大量 ， 厂家样本参数 统计得到了冷却水进水温度对 COP 的影响， 基本呈线性关系， 即： COP / COP e = 1 + a（ t1 － t1， e） （9）
t1 为冷却水进水温度， ℃ ； t1 ， 式中， e 为额定冷却水进 ℃ ；a 为常数， a值 对某个系列的冷水机组， 水温度， a 约为 1. 8% ～ 2. 1% ；对螺杆 基本相同。对离心机， a 约为 3. 0% ～ 4. 0% 。 机， 冷却水进水温度 （ 即冷却塔出口温度 ） 取决于 室外空气湿球温度 t wb 、 制冷量和风机转速。 在实际 运行过程中， 为简化控制算法， 固定冷却水进、 出口 温差或冷却水接近点温差 approach （ 即 t1 和 t wb 的差 15 ］ 值） 是一种相对合理的模式， 文献［ 分析表明， 当 冷水机组负荷率大于 50% 时， 该简化运行模式与基 于规划求解的优化运行模式基本一致。 因此， 在设 ， t 计选型阶段 可以将冷机运行时能实现的 1 简化为 t wb 的函数， 即： t1 = t wb + approach （ 10 ） approach 取固定值， 式中， 国内的冷却塔样本通常取 为4 ℃ 。 综合式（ 5 ） ～ （ 10 ） ， 可得到定温差控制时， 冷却 从而得到冷水机组的运行能 水温度与 COP 的关系， 耗。利用上述分析方法和冷水机组的技术参数及气 1 580 kW （ 450 象参数， 计算得到夏季典型设计日， rt） 离心式冷水机组定温差控制时的运行能耗， 与文 16 ］ 献［ 中得到的实验数据变化趋势一致， 说明该分 析方法可靠， 如图 1 所示。