全工況節(jié)能冷卻的理論基礎與技術應用

時間：2015-09-28作者：上海艾客制冷科技有限公司瀏覽：93

	
1前言


	在溫室效應與資源短缺的大背景下，為緩解資源環(huán)境約束，應對**氣候變化，促進經濟發(fā)展方式轉變，建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，增強可持續(xù)發(fā)展能力，我國制定了“十二五”節(jié)能減排約束性目標規(guī)劃，并得到了各行業(yè)的響應。


	冷卻塔行業(yè)經過幾十年的技術發(fā)展，產品技術無論從風機和電機的效率、熱力性能、節(jié)水指標等都得到了較大的提高。根據(jù)行業(yè)的應用功能需求不同，技術產品衍生了各種類型，如橫流、逆流、混流，開式、閉式、干濕式混合，自然通風、無風機射流、旋轉噴霧、水輪機驅動風機等產品，并形成了較為成熟的各類產品的標準與規(guī)范。產品的標準與規(guī)范是為了保證其熱力性能可滿足被冷卻設備的運行要求，其熱力性能標準圍繞滿足較不利氣候和較大負荷時散熱要求制定，形成了行業(yè)統(tǒng)一的標準工況指標。但節(jié)能是單獨考慮冷卻產品標準工況下的自身效率，還是對其在整個工藝過程中的各種變量的綜合效率，是本文要探討的方向。


	2應用背景與現(xiàn)狀


	以壓縮式制冷的空調系統(tǒng)為例，其通常由空調冷機、末端設備、冷凍循環(huán)泵、冷卻循環(huán)泵、冷卻塔組成，空調冷機的配置對應生產過程較大負荷，而泵與冷卻塔也對應主機及系統(tǒng)技術參數(shù)配置。由于季節(jié)不同和末端冷負荷變化等，實際使用中系統(tǒng)90%以上時間處于20%-70%負荷之間運行。為適應生產工藝過程負荷變量及從節(jié)能考量，空調系統(tǒng)設計通常采用多套主機、多種功率方案，冷卻水進出共管，通過循環(huán)泵閥管路與冷卻塔、主機冷凝器構成冷卻系統(tǒng)。


	隨著科技技術的進步，空調冷機、循環(huán)泵、冷卻風機都有了變容量、變頻等節(jié)能調節(jié)技術，但從節(jié)能角度來看，它們之間的節(jié)能關系是不可獨立而言的，需要在各種工況變量下，系統(tǒng)綜合能效的融合分析。


	1） 冷機：冷機的運行臺數(shù)和單機的變容量或變頻調節(jié)依據(jù)是末端設備的冷負荷。在末端設備冷負荷定量的條件下，冷機運行多少臺和單機運行于多少比例的壓縮段能得到較佳COP，其控制技術各大品牌冷機制造廠家均有較為成熟的應用技術，此時影響冷機COP的較大因素就是冷卻水溫。由圖1可知，在同樣的系統(tǒng)冷負荷和氣候條件下，冷卻水溫越低（不**較低保護溫度），則冷機相應的冷凝溫度越低，制冷量不斷增加，功耗不斷降低，因此冷機COP能效越高，越節(jié)能。空調冷機冷卻工況的行業(yè)技術標準為：冷卻水溫的進水30℃、出水35℃，且在不**20℃~22℃的冷機低溫保護溫度及高至冷卻塔標況的32℃供水溫度之間，對冷機COP能效的影響基本呈線性關系，即冷卻水溫每相差1℃，COP值影響3%。


	 


	圖1 制冷循環(huán)的壓焓圖


	2）冷卻水循環(huán)泵：冷卻泵的運行臺數(shù)和單泵的變頻調節(jié)通常以冷卻進出水溫差為依據(jù)，空調系統(tǒng)冷卻進出水標準設計溫差為5℃，由于散熱量等于流量與溫差的乘積，**5℃溫差的循環(huán)水流量偏大（實際運行中，大部分冷卻進出水溫差處于在2℃~5℃之間），而電機消耗的功率又與其運行頻率的立方成正比關系，故冷卻泵按熱負荷對應的控制運行臺數(shù)并且變頻運行，對系統(tǒng)節(jié)能有著很大的**和空間。


	3）冷卻塔：冷卻塔的冷卻能力主要受散熱面積、空氣流通量、氣候條件的影響。                                                               


	在空調系統(tǒng)中，所用冷卻塔的散熱面多由薄膜式填料形成，在填料上水膜分布相對均勻，并與合理的冷卻空氣量形成對流，才能達到設計散熱能力。冷卻塔產品是根據(jù)設計循環(huán)水量在標準工況下設計、制造和檢測的，較大循環(huán)水量變量不允許偏離設計水量一定范圍，否則冷卻塔熱力性能將較大偏離原設計狀態(tài)。而在多冷卻塔組合系統(tǒng)的實際運行過程中，由于進水口遠近距離不同、管道阻力復雜等因素，造成各塔進水流量分配不均勻，通常采用調節(jié)閥門開度消除此影響，而一旦系統(tǒng)負荷、循環(huán)流量**85%，該調節(jié)手段隨即失效，循環(huán)流量**60%以下時，近端進水量**大，遠端進水量偏低，較終造成填料掛膜不全。而水量大的地方進風阻力大、無水膜處進風阻力小，風流往阻力小處流通，水流量大、攜熱量大處冷卻風量卻少，此即為實際運行與理論設計的熱力性能偏離現(xiàn)象，稱之為冷卻塔的“水力失調”。該現(xiàn)象在如圖2的多塔組合中，由于工程、管理等復雜因素造成電動閥失效時，尤為嚴重。在冷卻塔與冷機一一對應運行時，雖然不易發(fā)生“水力失調”，但部分負荷下，卻無法充分利用所有冷卻塔填料的散熱面積，以提升冷卻性能。


	 


	圖2    冷卻塔組的布管方式


	在蒸發(fā)冷卻過程中，合理的氣水比也是一個重要的因素。冷卻逼近度在逼近極限狀態(tài)下，付出再大的風機功耗、增加再大空氣流通量，得到較低的冷卻逼近度，對整系統(tǒng)的COP能效貢獻通常是負的，即是耗能的。而在大部分多冷卻塔組合系統(tǒng)里，通常存在塔組中間無隔板或部分隔板聯(lián)通模式，部分風機開啟時，停用風機的出風口短路回流現(xiàn)象，造成了有效風量低下，同時“水力失調”也會使部分空氣流通量不能充分發(fā)揮其冷卻效能。


	在氣候方面，一年四季氣候變化相對復雜，即使在夏天空調季節(jié)，一天24小時的波動范圍（干球溫度10℃~15℃，濕球溫度5℃~-10℃）也較大，如圖3所示，這就使得在實際運行管理過程中實時根據(jù)氣候條件確定合理的冷卻水目標逼近度成了艱難的管理任務。


	綜上所述，冷機負荷可帶來水泵循環(huán)水量調節(jié)空間，而循環(huán)水量及其形成的管道阻力變量影響冷卻塔進水口流量分配，進而影響冷卻塔散熱效能，而氣候條件實時變化影響節(jié)能管理，較終影響冷機不同工況條件下的COP。


	現(xiàn)行空調的多塔組冷卻系統(tǒng)設計，通常采用冷機、泵、冷卻塔一對一運行模式，水路聯(lián)通及風路聯(lián)通，或水路聯(lián)通而風路獨立；運行管理也分手動控制與定冷卻目標水溫（30℃或32℃）及所謂的模糊化、自適應、自學習自動控制方式。無論冷卻塔組采用哪種模式及控制方式，在空調系統(tǒng)部分負荷下沒有解決水量均勻分布問題，冷卻塔組熱力性能就難以保證；


	 


	圖3   夏季一天中干濕球溫度變化


	循環(huán)泵的變頻節(jié)能空間較?。磺移谕麑崟r根據(jù)氣候條件用較低的風機功耗達到理想冷卻水目標逼近度也難以實現(xiàn)，因此，全年冷卻水溫平均偏離3℃~10℃，對冷機COP影響9%~30%。該問題因跨行業(yè)的系統(tǒng)融合關系，且涉及雙流體、溫度、壓力等復雜變量，而冷卻塔制造技術相對簡單，行業(yè)地位被忽視，造成其對系統(tǒng)節(jié)能影響得不到重視。圖4是現(xiàn)行冷卻塔組存在的幾個常見問題。


	 


	圖 4    現(xiàn)行冷卻塔組存在的幾個常見問題


	3 全工況節(jié)能冷卻技術


	“全工況”區(qū)別于冷卻塔以恒定的標準工況和對應冷機一對一的設計模式，可自適應實際運行中氣候條件、系統(tǒng)負荷、循環(huán)流量分配、風機狀態(tài)等各種工況的即時變化，實現(xiàn)全工況條件下節(jié)能運行的要求。如圖5所示，“全工況節(jié)能冷卻”集成為一套整體的冷卻系統(tǒng)，


	 


	圖5   全工況節(jié)能冷卻系統(tǒng)


	可即時自平衡水量分配，充分利用所有填料換熱面積，自動感測負荷和環(huán)境條件，對應演算冷卻塔的熱力性能曲線，自動調整風機運行狀態(tài)，為冷機保證較佳冷卻水溫，使系統(tǒng)始終運行在合理的COP能效范圍內，達到真正的高效節(jié)能要求。圖5是全工況節(jié)能冷卻系統(tǒng)。


	其關鍵技術有：


	1）多級自平衡配水技術：


	采用塔組內統(tǒng)一平衡配水，一級進水消能槽，左右流量平衡分配；二級進水端流槽，消除紊流、遠近流量均衡分配，使其水量平衡控制在15%以內；聯(lián)通水盤，進行三級水量平衡分配，使流量平衡差額控制在10%以內，解決變流量、自平衡配水要求。


	2）渦旋動能變流量噴頭技術：


	噴頭進水口采用曲線開口，平衡各噴頭間液位水平高度；圓錐型內壁螺旋引流，促使水流形成渦旋運動，增加低流量、低壓力時噴頭的出口動能，解決流經各噴頭間的水量不均勻和低流量時水流擴散覆蓋效果差的問題。


	3）自力式整流止回風閥技術：


	各冷卻塔模塊間風路聯(lián)通，風機出口處加裝自力式整流止回風閥，杜絕空氣從停用風機口短路回流，實現(xiàn)風機運行個數(shù)隨系統(tǒng)散熱需求調節(jié)；軸流風機流場特性**風閥技術，實現(xiàn)風壓自開、重力自閉；隨風筒出口流場特性設計低阻力并具有整流效果，變螺旋上行流場狀態(tài)為垂直射流，提升風機出風壓力、提高熱流上升高度，減少多塔組合受外界氣流影響，產生濕熱空氣回吸對冷卻塔熱力性能的影響。


	從舊項目節(jié)能改造后實際運行參數(shù)分析，部分負荷（25-80%）時，熱力性能提高13%-157%；整系統(tǒng)COP提高10%-35%以上，**期在2個空調季左右。


	全工況節(jié)能冷卻系統(tǒng)改變傳統(tǒng)多冷機系統(tǒng)一對一設計模式，采用總冷量配套一體化塔組，除上述節(jié)能效益外，還有如下優(yōu)點：


	1） 可減少電動聯(lián)動閥的投入，降低故障概率；


	2） 停用時風閥關閉，可減少灰塵、雜物、陽光進入造成的水質問題；


	3） 優(yōu)化管理，減少運行管理疏失及工作強度，方便維護。


	“全工況節(jié)能冷卻”概念由上海艾客制冷科技有限公司率先提出，得到上海理工大學等單位的技術支撐和不斷優(yōu)化，**了各環(huán)節(jié)技術突破及自有知識產權，科技查新、水平檢索結論均為“具有新穎性和總體達到****水平”。 該項目獲得了“上海市技術發(fā)明二等獎”、“中國機械工業(yè)科技進步三等獎”、“德國xplore新型自動化**科技競賽三等獎”、*十四屆中國**工業(yè)博覽會高校展區(qū)一等獎”、 “上海市**成果轉化項目認證”、“上海市自主創(chuàng)新產品認證”，為上海市**項目**采購產品。 產品已在全國多個新項目及舊系統(tǒng)改造工程中得到應用，節(jié)能效果顯著。


	4結論


	本文通過對多模塊組合冷卻系統(tǒng)中冷卻塔運行效能、冷卻水泵功與冷機COP等特性進行的分析，期望能提升行業(yè)關于實際運行冷卻效率對系統(tǒng)能耗影響的重要性認識，促進冷卻塔行業(yè)技術標準及規(guī)范的革新。空調能耗是工業(yè)及商業(yè)過程中的耗能大戶，“全工況節(jié)能冷卻”對原有系統(tǒng)節(jié)能改造及新系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能設計帶來了新突破，其節(jié)能空間及社會**意義巨大，希望借助《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》之力，加快其產業(yè)化進程，為**“節(jié)能減排”事業(yè)做貢獻。


	 


	本文來自上海艾客制冷科技有限公司的項目研究，若有疑問，請聯(lián)系該公司！ 


	 


	 


上海艾客制冷科技有限公司專注于冷卻塔,全工況冷卻系統(tǒng),自平衡全膜化冷卻塔組（開式橫流,自力式整流止回風閥,熱力目標智能控制系統(tǒng),橫流冷卻塔等

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• 全工況節(jié)能冷卻的理論基礎與技術應用

  1前言 在溫室效應與資源短缺的大背景下，為緩解資源環(huán)境約束，應對**氣候變化，促進經濟發(fā)展方式轉變，建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，增強可持續(xù)發(fā)展能力，我國制定了“十二五”節(jié)能減排約束性目標規(guī)劃，并得到了各行業(yè)的響應。 冷卻塔行業(yè)經過幾十年的技術發(fā)展，產品技術無論從風機和電機的效率、熱力性能、節(jié)水指標等都得到了較大的提高。根據(jù)行業(yè)的應用功能需求不同，技術產品衍生了各種類型，如橫流、逆流、混流，開