(中國葛洲壩集團房地產開發(fā)有限公司,北京 100020)

大型綜合體建筑的內區(qū)或者某些工業(yè)廠房,在冬季仍然具有空調供冷需求。例如卷煙廠建筑,由于卷煙廠卷接包、濾棒成型、膨脹煙絲、制絲等生產車間的工藝設備產熱量較大,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,設置冷卻塔供冷系統(tǒng),采用冷卻塔代替冷水機組或者空調系統(tǒng)加大新風量運行,充分利用室外冷風,是冬季利用冷源的兩種方式。這兩種節(jié)能技術都在工程中得到廣泛應用。但從實踐經(jīng)驗來看,冬季卷煙廠空調系統(tǒng)加大新風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,結合冷卻塔風扇臺數(shù)控制策略,從分析冷卻塔換熱的熱工特性出發(fā),理論推導冷卻塔風扇運行臺數(shù)與空調系統(tǒng)冷負荷以及室外氣象參數(shù)等因素之間的數(shù)學關系式,實現(xiàn)對冷卻塔供冷系統(tǒng)能耗水平的動態(tài)預測,以期為科學評價該項技術實際的節(jié)能效果提供更為準確的技術手段。

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臺風扇,單臺風扇額定功率為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)設備的基礎上,增加2臺板式換熱器和相應的旁通回路,單臺板式換熱器設計供冷能力與單臺冷水機組相當。每臺板式換熱器對應1臺冷凍水泵與1臺冷卻水泵,但對應2組冷卻塔以在冬季增大換熱面積。在運行過程中,系統(tǒng)采用冷卻塔風扇臺數(shù)控制策略,通過設定冷卻水出水的溫度范圍,自動啟停冷卻塔風扇。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扇臺數(shù),空調冷負荷以及室外氣象參數(shù)的關系模型,即可以在冷卻塔出水溫度限值前提下,結合所承擔的空調逐時冷負荷以及室外逐時氣象參數(shù),計算得到風扇逐時運行臺數(shù),進而實現(xiàn)對冷卻塔供冷系統(tǒng)能耗的動態(tài)預測。

2.1 理論假設

(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%設計流量：36mL/(s?kW))

(2)當冷卻塔某些冷卻單元的風扇關閉時,忽略在自然進風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 建立預測模型

基于上述理論假設,此處建立預測冷卻塔風扇運行臺數(shù)的數(shù)學模型。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,而每組冷卻塔設有8臺風扇,即對每組冷卻塔供冷子系統(tǒng)共有16臺風扇可用于進行臺數(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)風扇的開啟臺數(shù)為n,則關閉的風扇臺數(shù)為(16－n)。

對開啟風扇的冷卻單元,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(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扇開啟臺數(shù)應為：

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{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)計算運行期內冷卻塔供冷系統(tǒng)的逐時風扇運行臺數(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臺冷卻塔風扇)。第一工況為非自控工況,即開啟全部16臺冷卻塔風扇,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供冷量Q,進而利用式(7)可計算風扇開啟臺數(shù)的預測值,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(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)計算得到的風扇開啟臺數(shù)預測值以及記錄的實際值見圖4。

由圖4可以看出,冷卻塔風扇臺數(shù)預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臺風扇以內,這說明冷卻塔風扇開啟臺數(shù)的預測值能夠反映實際值的變化規(guī)律。因此,上述預測模型能夠對冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)風扇運行臺數(shù)進行動態(tài)預測,進而能夠更為準確地預測和評價系統(tǒng)的實際能耗水平。

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

3 模型應用

根據(jù)前面建立的預測模型,即可以計算得到卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng)全年逐時的風扇開啟臺數(shù),從而可以預測系統(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系統(tǒng)逐時冷負荷,并結合卷煙廠所在地的全年逐時室外濕球溫度,利用預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)逐時的風扇開啟臺數(shù)見圖5?？梢钥闯?在冬季供冷運行期內,不存在運行2組冷卻塔供冷子系統(tǒng)全部32臺風扇的時段,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臺風扇。因此,冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)采用風扇臺數(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扇開啟臺數(shù)預測

3.2 系統(tǒng)運行能耗

根據(jù)卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng)供冷期內逐時的風扇開啟臺數(shù),即可以統(tǒng)計計算系統(tǒng)運行能耗(冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風扇三者能耗之和)。需要說明的是,當預測的風扇運行臺數(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,冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)承擔的空調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,在冬季供冷期內空調總冷量約為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換效率,這可能導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)異的能源轉換效率。

4 結語

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,理論推導了風扇臺數(shù)控制策略邏輯下冷卻塔風扇運行臺數(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)、空調冷負荷以及室外濕球溫度等因素的數(shù)學關系式,建立了冷卻塔風扇運行臺數(shù)的預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)預測。

基于文中提出的動態(tài)預測方法,對某卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)的節(jié)能效果進行了預測和評價。結果表明,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測和評價冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)的節(jié)能效果提供參考。