既有集中空調冷卻水系統能效提升方法研究

彭治霖 鐘輝智

（中國建筑西南設計研究院有限公司 成都 610042）

0 引言

截至目前，我國建筑大部分是高能耗建筑[1]，空調系統作為公共建筑的能耗大戶，占據建筑能耗的40%～50%[2]，其中冷卻水系統運行效率便是其中重要的一環。截至目前，國內對既有建筑的冷卻塔改造進行了大量的研究工作[3,4]，但與既有冷卻水控制系統相關的論文較少。根據目前國內已經發表的相關專利來看，基本上該領域的方法均是根據數學模型的建立對設備之間的耦合運行進行控制，但是實際項目中的設備運行曲線往往偏離理論模型，且模型過于復雜難以實現；本文的方法和控制邏輯基于專業基礎原理、冷卻水系統各設備的實際運行特性及設備之間在運行能效相互制約的本質關系，避開了基于復雜數學模型相關的研究方法所帶來的眾多不確定因素，使得冷卻水系統在運行過程中實現節能具有實際應用的價值。具體的實施步驟如圖1 所示。

圖1 冷卻水系統能效提升路徑示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy efficiency improvement path of cooling water system

1 冷卻水系統形式

既有公共建筑中央空調冷卻水系統的冷水機組、冷卻水泵、冷卻塔有多種搭配方式，本文針對的系統具體形式如圖2 所示，為大容量冷水機組有M臺（冷水機組的編號為1 號大冷機～M號大冷機，具體數量以項目實際情況為準），小容量冷水機組有N臺（編號為1 號小冷機～N號小冷機，具體數量以項目實際情況為準）。

圖2 冷卻水系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of cooling water system

對應大容量冷水機組的同型號冷卻水泵臺數為M+1（編號為1 號大冷卻泵～M+1 號大冷卻泵，設置1 臺備用泵），對應小容量冷水機組的同型號冷卻水泵臺數為N+1（編號為1 號小冷卻泵～N+1號小冷卻泵，設置1 臺備用泵），冷卻水泵先并聯再與冷水機組及冷卻塔連接；冷卻水泵采用該連接方式的原因在于多臺同型號水泵可以實現優化組合運行，使水泵運行過程中盡量運行在高效率區間。

冷卻塔之間通過并聯的方式與冷卻水主管進行連接，容量相同的冷卻塔有K臺（編號為1 號冷卻塔～K號冷卻塔，具體數量以項目實際情況為準）；冷卻塔采用該連接方式的原因在于冷卻水在流量變化過程中可以最大化的利用冷卻塔的散熱面積，實現高效率散熱。

主要設備的開啟順序是：冷水機組及冷卻塔入口電動閥門→冷卻塔風機→冷卻水泵→冷水機組；主要設備的關閉順序為冷水機組→冷卻水泵→冷卻塔風機→冷水機組及冷卻塔入口電動閥門。

2 冷卻水系統能效診斷及提升

2.1 冷水機組能效診斷及提升

根據現場勘察冷水機組冷凍水及冷卻水進出口是否有流量監測及溫度監測裝置，冷水機組是否有電耗監測裝置；如果現場缺少或監測裝置不能準確的測量和顯示相關監測參數，需要更換或安裝有效的測試儀器進行測試。

對于運行時間較長的冷水機組，根據監測或測試儀器獲取冷卻水出水溫度及制冷機組冷凝溫度，根據兩個溫度的差值判斷冷水機組冷凝器側換熱盤管結垢程度，同理獲取冷凍水側結垢情況，對于結垢嚴重的機組進行相應的清洗工作。

對于結垢嚴重的機組進行相應的清洗工作后進行機組能效測試，測試工況為額定工況及部分負荷工況；對于能效系數滿足國家現行標準《冷水機組能效限定值及能源效率等級》（GB19577）[5]的能效限值要求（若是預算充足可以提高標準）的冷水機組，根據具體情況設置或更換冷卻水低阻力過濾和冷凝器在線清洗設備以及冷凍水在線處理設備；對于能效系數過低的冷水機組進行更換新機組。

對于投入運行時間較短的機組，額定工況及部分負荷工況的測試性能參數嚴重低于廠家提供的參數時，應聯合設備廠家對冷水機組進行聯合優化和調適。

2.2 冷卻塔能效診斷及提升

現場勘察冷卻塔所有進水支管是否安裝具有水流量關斷的控制閥門，以便實現冷卻塔分組運行的控制；現場勘察冷卻塔所有進水支管是否安裝具有水流量動態平衡調節的控制閥門，以便實現冷卻塔分組運行時水量平衡的控制；根據實際情況，在冷卻塔供水支管上增加或改造具有遠程關斷、流量動態平衡調節的控制閥門。

現場勘察冷卻塔布水孔和出水支管上的過濾器是否有堵塞情況，布水槽、集水盤、填料等是否需要清洗；對需要清洗的冷卻水系統進行清洗。

現場勘察和通過水流量調節驗證冷卻塔所有布水器的布水功能是否正常；對布水器均勻布水有問題的冷卻塔進行優化整改，并達到最低均勻布水流量不超過30%額定流量（目前該技術可以達到，后期可以根據市場產品的水平進行調整）。

現場勘察并通過測試冷卻塔進風口含濕量、室外空氣含濕量，確定冷卻塔是否有進排風短路情況；對冷卻塔進排風有短路情況進行優化提升。

現場勘察冷卻塔塔體及室外冷卻水管道是否大面積暴露在日照下；在不影響冷卻塔的通風效果的基礎上對冷卻塔的塔體設置有效的遮陽措施。

測試冷卻塔風機效率，并將測試結果與國家現行《通風機能效限定值及能效等級》GB19761[6]中能效限定值（若是預算充足可以提高標準）進行對比；更換效率不滿足現行規范要求的冷卻塔風機。

對所有冷卻塔額定工況的換熱效率、風水比、濕球溫度逼近度進行測試，并與廠家提供的參數進行對標或與國際、國內現行相關標準進行比較；根據情況更換不滿足要求的風機、填料等。

現場勘察冷卻塔排風機是否具有無極變頻控制功能；冷卻塔風機需要設置高效無極變頻裝置。

2.3 冷卻水泵能效診斷及提升

根據現場勘察冷卻水泵進出口是否有流量監測及壓力監測裝置，冷卻水泵是否有電耗監測裝置；如果現場缺少或監測裝置不能準確的測量和顯示相關監測參數，需要更換或安裝有效的測試儀器進行測試。

水泵性能參數的測試需要逐個水泵單機進行測試，通過性能測試獲取冷卻水泵的流量L（m3/h）、揚程H（m）、電耗W（kW，電耗包括變頻器上下游的電功率），并將測試結果整理成流量、揚程及效率曲線；當冷卻水泵為變頻泵時，需要將水泵不同頻率下的流量、揚程、電耗參數進行測試，并將測試結果整理成流量、揚程及效率曲線族。

根據獲取的冷卻水泵額定效率與《清水離心泵能效限定值及節能評價值》GB 19762[7]中泵能效限定值（若是預算充足可以提高標準）進行對比；對于不滿足規范中能效限定值的水泵進行更換。

檢查是否所有冷卻水泵均設置有變頻裝置，對于未安裝變頻裝置的冷卻水泵增加高效變頻裝置，保證冷卻水泵可以實現無極變流量控制；裝有變頻器的水泵需要測試變頻器在不同頻率下的效率，用以判斷變頻器是否滿足高效運行要求，更換或提升低效率的變頻裝置，保證變頻裝置高效。

3 冷卻水系統設備優化組合運行

3.1 冷水機組組合運行策略

根據每臺冷水機組歷史運行數據（機組能效COP值），將其分解成外部效率ICOP（蒸發溫度與冷凝溫度對應的逆卡諾循環制冷系數）、內部效率DCOP（DCOP=COP/ICOP，DCOP與機組的構造等相關，反映冷水機組內部的效率）[8]，將DCOP與機組負載率PLR擬合成曲線，根據不同的負荷組合運行內部效率高的冷水機組。

當缺少歷史運行數據，且不能獲取各臺冷水機組DCOP與PLR的擬合曲線時，根據選型參數組合運行負荷率和效率高的冷水機組。

3.2 冷卻塔組合運行策略

當冷卻水總流量大于所有冷卻塔最低均勻布水流量的總和時，開啟所有冷卻塔。

當冷卻水總流量L（m3/h）不能保證所有冷卻塔最低布水量（單臺冷卻塔流量為I（m3/h），單塔均勻布水流量下限為0.3I）要求時，減少相應冷卻塔開啟的臺數；滿足所有冷卻塔均維持均勻布水要求的冷卻水總流量L與冷卻塔開啟數量的關系如圖3 所示。

圖3 冷卻水總流量L 與冷卻塔開啟數量關系示意圖Fig.3 Schematic diagram of the relationship between the total flow of cooling water L and the opening number of cooling tower

3.3 冷卻水泵組合運行策略

運行冷水機組所對應設置的并聯冷卻水泵。

冷卻水泵組合運行總流量的上限對應開啟冷水機組總流量的上限Lmax（m3/h），冷卻水泵總流量的下限取對應開啟的冷水機組冷卻水總流量下限Lmin（m3/h）。

不同流量段效率最高的冷卻水泵運行組合的確定：冷卻水系統試運行，不同組合冷水機組冷卻水環路打開（通水不通電），組合運行的冷卻水泵流量不低于冷水機組冷卻水流量下限值Lmin以確定冷卻水泵下限運行臺數x1 及下限運行頻率y1（Hz，因冷水機組不同組合運行各異），不超過冷水機組冷卻水流量上限值Lmax以確定冷卻水泵上限運行臺數x2、上限運行頻率y2（Hz，因冷水機組不同組合運行各異）以及初始冷卻水流量L（m3/h，取對應開啟的冷水機組最大允許流量和對應運行泵組最大流量的小值）；冷卻塔開啟臺數滿足最低均勻布水要求，根據冷卻水流量范圍確定不同冷卻水流量范圍內冷卻塔能夠保證最小均勻布水流量的開啟臺數；根據以上原則獲取不同冷水機組及冷卻塔組合運行時，不同流量段效率最高的冷卻水泵運行組合。

4 冷卻水系統運行參數監測

4.1 冷水機組運行參數監測

監測參數包括：冷水機組冷卻水（冷凍水）進出口溫度及水流量、冷水機組有功功率、冷水機組負載率、冷水機組冷卻水進出口壓力值、冷水機組冷凝溫度。

通過監測參數計算冷水機組的實時COP、ICOP、DCOP。

以上數據需要具備數據傳輸功能，并在監控平臺上進行顯示。

4.2 冷卻塔運行參數監測

監測參數包括：室外空氣干球及濕球溫度、冷卻塔主干管及進水支管實時流量、冷卻塔進水干管溫度、冷卻塔出水支管溫度、冷卻水補水管實時流量及溫度、冷卻塔進出風空氣焓值、冷卻塔風機有功功率、冷卻塔風機運行頻率。

通過監測參數計算各臺冷卻塔換熱效率、風水比、冷卻水出水溫度與室外濕球溫度的逼近度。

以上數據需要具備數據傳輸功能，并在監控平臺上進行顯示。

4.3 冷卻水泵運行參數監測

監測參數包括：水泵流量、揚程、水泵變頻器上下游的有功功率、水泵頻率。

通過監測參數計算單臺水泵實時總效率、變頻器效率。

以上數據需要具備數據傳輸功能，并在監控平臺上進行顯示。

5 冷卻水系統能效整體優化提升

5.1 冷卻水系統能效整體優化提升的方法

冷水機組的運行能耗隨冷凝溫度（冷凝器出口冷卻水溫度）的降低而降低；在特定工況下，冷水機組的能耗整體呈現隨冷水機組出口冷卻水溫度升高而單調遞增的關系；要降低冷凝器出口冷卻水溫度就需要冷卻水泵組合運行水流量在冷水機組冷卻水流量限值范圍內盡可能的大，冷卻塔出水溫度盡可能的低。

根據3.3 節，冷卻水泵組合運行的總能耗在不同的冷卻水流量段內隨冷卻水流量的降低而單調遞減，而冷水機組冷凝器出口水溫及能耗隨冷卻水流量的降低而單調遞增。

冷卻塔在滿足均勻布水前提下，出水溫度在一定的水流量和室外的濕球溫度下隨冷卻塔運行風量的降低（風水比降低）而呈現單調遞增的趨勢，同時冷卻塔的能耗（冷卻塔風機電耗）將隨冷卻風量的降低而單調遞減。

有效整合冷水機組、冷卻水泵、冷卻塔優化組合運行及能效相關影響的關系，可以從根本上簡化冷卻水系統的控制邏輯，使得既有冷卻水系統能效提升方法及應用具有可實施性，使冷水機組、冷卻水泵、冷卻塔在冷卻水系統上做到運行能耗綜合最低。

5.2 冷卻水系統能效整體優化提升的控制邏輯

冷卻水系統能效整體優化的控制邏輯如圖4所示，具體的控制原理及步驟如下：

圖4 冷卻水系統能效整體優化提升的控制邏輯示意圖Fig.4 Schematic diagram of control logic for overall optimization and improvement of energy efficiency of cooling water system

（1）開啟預設的冷水機組入口電動閥門、冷卻塔入口電動閥門、預定冷卻水泵。

（2）預定冷卻水泵運行至冷卻水總流量初始值L（m3/h）。

（3）根據冷卻水總流量初始值L與冷卻塔最低均勻布水流量的關系調整冷卻塔的開啟數量X臺；設冷卻塔總數量為K臺，單臺冷卻塔流量為I（m3/h），單臺冷卻塔最低均勻布水流量為0.3I。

冷卻塔開啟數量X與冷卻水總流量L的關系為：當L>K*0.3I時，開啟所有冷卻塔；當X*0.3I冷水機組總水量下限值Lmin的前提下，1*0.3IK*0.3I時，開啟K臺冷卻塔）。

（4）開啟對應冷水機組。

（5）冷卻水泵逐步降頻，冷卻水泵并聯模塊+冷水機組的總電耗W01（kW）達到谷值W0（kW）時，冷卻水泵停止降頻。

若冷卻水泵并聯模塊+冷水機組的總電耗W01達到谷值W0 前，冷卻水泵并聯模塊降頻至冷卻水總流量L與冷卻塔最低均勻布水流量的關系到達臨界狀態，記錄冷水機組+冷卻水泵并聯模塊+冷卻塔的綜合電耗W1（kW）；減少1 臺冷卻塔，并記錄冷卻塔開啟數量為（X-1）時，冷水機組+冷卻水泵并聯模塊+冷卻塔的綜合電耗W2（kW）。例如初始3*0.3I

（6）若W1＜W2，選擇冷卻塔開啟數量仍為X；否則冷卻塔開啟數量為（X-1），返回步驟5。

（7）冷卻水泵停止降頻，冷卻塔逐步降頻，冷水機組+冷卻水泵并聯模塊+冷卻塔的綜合電耗W1 達到谷值W時，冷卻塔停止降頻。

（8）冷卻塔停止降頻，系統達到最優工作點（能耗最低）。

（9）冷水機組總供冷量變化值ΔQ超過10%時，返回步驟1。

6 結論

（1）冷卻水系統高效運行的基礎條件是要保證各個設備的運行高效；設備運行能效過低時，即便匹配優秀的控制系統也無法實現整個空調系統的高效運行，設備的運行高效是整個空調系統高效運行的第一基礎條件。

（2）冷卻水系統的高效運行離不開設備優化組合運行；優化設備優化組合運行可以根據負荷需求以及各個設備的性能特性啟動運行高效的設備，是實現整個空調系統高效運行的第二基礎條件。

（3）對各個設備的運行參數進行實時監測是保證冷卻水系統的各個設備及系統長期高效運行必不可少的環節；對設備運行參數的實時監測，可以實時對空調設備及控制系統進行故障診斷，同時對空調系統運行能效進行評估。

（4）冷卻水系統高效運行采用以設備實際運行參數為基礎、系統能耗為控制目標的實時自行校準運行具有系統簡單、穩定和易實現的現實意義。