律寶瑩，張 哲

（天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津300134）

1 引言

中央空調(diào)系統(tǒng)不僅要滿足人們對(duì)工作、生產(chǎn)的環(huán)境要求，同時(shí)也要滿足對(duì)環(huán)境保護(hù)和節(jié)能的要求。隨著國(guó)家節(jié)能政策的實(shí)施，中央空調(diào)的能耗問(wèn)題成為許多學(xué)者的研究方向。中央空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)包括冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)及主機(jī)，其中冷卻水系統(tǒng)能耗占中央空調(diào)總能耗的15%～20%［1］。同時(shí)由于冷卻水量多于冷凍水量，因此對(duì)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化顯得尤為重要。由于室外環(huán)境的變化和室內(nèi)人員的流動(dòng)性大，中央空調(diào)系統(tǒng)在大部分情況下只提供部分負(fù)荷，因此冷卻水系統(tǒng)也在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于部分負(fù)荷運(yùn)行下，而設(shè)計(jì)時(shí)是參考滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行設(shè)備選型，必然會(huì)出現(xiàn)設(shè)備選型龐大和能源的浪費(fèi)。研究冷卻水系統(tǒng)節(jié)能即是研究在部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下的控制運(yùn)行。冷卻水系統(tǒng)包括冷卻水泵、機(jī)組和冷卻塔三部分，本文主要對(duì)冷卻水泵和冷卻塔的節(jié)能進(jìn)行了分析。

2 冷卻水泵節(jié)能分析

對(duì)于冷卻水系統(tǒng)而言部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況是由外部環(huán)境參數(shù)的改變引起的。外部環(huán)境參數(shù)主要包含4個(gè)：冷水進(jìn)口溫度、冷水出口溫度、制冷量和室外濕球溫度［2］。通過(guò)改變水泵的運(yùn)行工況適應(yīng)負(fù)荷的變化。通常冷卻水泵運(yùn)行工況的改變方法有3種。

2.1 改變閥門(mén)開(kāi)啟度

調(diào)節(jié)水泵出口處閥門(mén)的開(kāi)啟度，是改變水泵工況點(diǎn)最簡(jiǎn)便易行的方法。閥門(mén)在正常運(yùn)行情況下，一般都全部開(kāi)啟，當(dāng)關(guān)小閥門(mén)時(shí)，局部阻力加大，性能曲線變抖，流量變小，揚(yáng)程增大。水泵的工作點(diǎn)由A2 點(diǎn)移動(dòng)到A1點(diǎn)，如圖1。這種方法雖然簡(jiǎn)便，但是閥門(mén)的調(diào)節(jié)范圍有限，當(dāng)揚(yáng)程過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水泵過(guò)載，降低其使用壽命。由于增大了局部阻力導(dǎo)致水泵的輸出功率增大，造成電能的浪費(fèi)。關(guān)小閥門(mén)也會(huì)加大管路的噪音。

2.2 改變水泵葉輪直徑

由相似定律可知，葉輪直徑改變，會(huì)引起水泵的流量，揚(yáng)程，軸功率發(fā)生相應(yīng)的變化，因此可以通過(guò)改變直徑達(dá)到改變運(yùn)行工況的目的。但是車(chē)削技術(shù)的精度要嚴(yán)格控制，否則可能會(huì)影響水泵的性能。由于水泵直徑的改變量有限，不能滿足各個(gè)負(fù)荷率的使用情況，因此適應(yīng)性比較差。

圖1 改變閥門(mén)開(kāi)啟度調(diào)節(jié)水泵工況點(diǎn)

2.3 改變水泵轉(zhuǎn)速

改變水泵轉(zhuǎn)速會(huì)得到不同的性能曲線，從而會(huì)產(chǎn)生不同的工況點(diǎn)，此方法不會(huì)產(chǎn)生額外的摩擦損失，調(diào)節(jié)方便，是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的一種形式。轉(zhuǎn)速和流量，揚(yáng)程，功率之間的關(guān)系如下：

式中：Q、N、H分別表示水泵轉(zhuǎn)速為n時(shí)的流量、揚(yáng)程、軸功率。Q，、N，、H，分別表示水泵轉(zhuǎn)速為n，時(shí)的流量、揚(yáng)程、軸功率。

冷卻水變流量系統(tǒng)原理圖如圖2所示。變頻泵節(jié)能原理如下：冷水機(jī)組冷凝器進(jìn)行熱交換時(shí)，換熱量一定，流量減少，進(jìn)口溫度不變，則出口溫度會(huì)升高，從而導(dǎo)致冷機(jī)的能耗增加。對(duì)于冷卻水系統(tǒng)而言，冷卻水流量減少，使冷卻水泵的能耗降低。這兩者的差值即是冷卻水變頻泵的節(jié)能量。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)冷卻水變流量的研究都比較謹(jǐn)慎，認(rèn)為雖然冷卻水變流量可以降低自身的能耗，但會(huì)降低機(jī)組的使用性能，達(dá)不到綜合節(jié)能的目的。隨著學(xué)者對(duì)冷卻水節(jié)能的深入研究［3～5］，通過(guò)對(duì)比冷卻水變流量的節(jié)能量和制冷機(jī)組的能耗增加量，提出由于冷卻水量要多于冷凍水量，因此只要設(shè)計(jì)合理，控制得當(dāng)，冷卻水系統(tǒng)還是有很大節(jié)能空間的。最后通過(guò)分析數(shù)據(jù)得出，冷卻水泵的功率和制冷機(jī)組功率相差越小，冷卻水泵臺(tái)數(shù)越少，綜合節(jié)能效果越顯著。

圖2 變流量系統(tǒng)

采用變頻泵不僅可以節(jié)能還具有其他優(yōu)勢(shì)，如成本回收時(shí)間較短。采用變頻泵會(huì)增大初投資，因此需要一定的時(shí)間回收設(shè)備投資，如果時(shí)間太長(zhǎng)則經(jīng)濟(jì)性不合理。文獻(xiàn)［6］中通過(guò)對(duì)一工程實(shí)例的數(shù)據(jù)分析得出，采用變頻水泵每月可節(jié)約用電12377kW·h，折合人民幣12129.5元，投資費(fèi)回報(bào)時(shí)間為7.9個(gè)月，回報(bào)時(shí)間較短。通過(guò)分析可以得出，采用變頻泵，只要設(shè)計(jì)合理，控制得當(dāng)，在一定情況下是有很大節(jié)能空間的，同時(shí)回收投資時(shí)間短，具有市場(chǎng)推廣價(jià)值。

3 冷卻塔的節(jié)能分析

建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的政策下，節(jié)約用水量得到重視，其中使用循環(huán)水是最直接高效的節(jié)約方法，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家水的重復(fù)使用率高達(dá)75%～85%，我國(guó)還有很大差距，除制定節(jié)水政策外還要加強(qiáng)對(duì)循環(huán)水技術(shù)進(jìn)行研究。據(jù)調(diào)查顯示，循環(huán)水的冷卻與輸送的能耗約為0.2～0.3kW·h／（m3·h），每年全國(guó)循環(huán)水耗電300～450億kW·h［7］，對(duì)循環(huán)水技術(shù)的研究是節(jié)約電能的有效措施。通過(guò)分析知冷卻塔的節(jié)能方式不僅包括節(jié)約電能，同時(shí)還包括提高循環(huán)水技術(shù)。

（1）控制冷卻塔出口溫度。降低冷卻水出口溫度可以提高制冷機(jī)組性能，然而由于冷凝壓力的限制使得冷凝溫度有最低溫度限制。對(duì)于冷卻水系統(tǒng)而言，降低冷卻水溫度必然會(huì)導(dǎo)致冷卻塔風(fēng)機(jī)和水泵的功率增大，引起電能不必要的浪費(fèi)。通過(guò)對(duì)比最冷工況，設(shè)計(jì)工況和空氣濕球溫度加上2.8℃三種出口溫度，得出最佳溫度控制方式較其他方式節(jié)約費(fèi)用約5%左右［8］，可以看出控制出口溫度在節(jié)約能源方面的重要性。

（2）控制冷卻塔水量和風(fēng)量。由相似性準(zhǔn)則知功率和流量之間有三次方的關(guān)系，因此降低流量和風(fēng)量會(huì)降低功率，從而節(jié)約電能。通過(guò)研究得出水泵功耗比重越大，節(jié)能效果越明顯［5］。目前不少人對(duì)冷卻塔變水流量做了研究［9～13］，從節(jié)能方面講，也要注重兩者的耦合關(guān)系，文獻(xiàn)14研究得出，當(dāng)冷卻塔負(fù)荷從170kW 降低到12kW 時(shí)，冷卻塔的風(fēng)量?jī)H為原來(lái)的54.6%，水流量變?yōu)樵瓉?lái)的70.6%，從而節(jié)約能耗。

（3）提高循環(huán)水技術(shù)。循環(huán)水技術(shù)可以通過(guò)多種方式進(jìn)行改進(jìn)如控制進(jìn)水口溫度，選用合理的冷卻塔形式，選用合適的風(fēng)機(jī)等等。其中不同的冷卻塔形式產(chǎn)生的能耗有很大區(qū)別。通過(guò)對(duì)比逆流式冷卻塔和橫式冷卻塔得出，橫流式冷卻塔的供水水壓比逆流式冷卻塔的供水水壓高4m，因此逆流式冷卻塔每1m3／h可以節(jié)約水泵功率0.014kW，全年可節(jié)省近119kW·h［7］，循環(huán)水量越大，節(jié)能效果越顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)而言，耗能主要由制冷機(jī)組、水泵、冷卻塔等各部分能耗組成，因此只有控制各部分的耗電量，才能達(dá)到整體的節(jié)能。目前制冷機(jī)組的性能指標(biāo)已達(dá)到很高的水平，系統(tǒng)其他部分同樣具有很大的節(jié)能潛力，空調(diào)用戶可以采取不同的控制方式達(dá)到節(jié)能效果。

本文通過(guò)對(duì)水泵和冷卻塔的節(jié)能分析，為以后的學(xué)者提供一些參考方向。研究數(shù)據(jù)表明當(dāng)水泵和風(fēng)機(jī)同時(shí)采用變頻技術(shù)，節(jié)省電能高達(dá)53.9%［15］，因此對(duì)空調(diào)系統(tǒng)各部分進(jìn)行節(jié)能研究的同時(shí)，也要注重各部分之間的耦合關(guān)系，才能將理論更好的應(yīng)用到實(shí)際工程，達(dá)到理想的節(jié)能效果。

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