浅析空调系统冷却侧节能

2022-09-12

1空调冷却侧特点

中央空调系统一般根据最大冷负荷进行选型设计, 冷水机组大小配, 选取离心式冷水机组时再配一台螺杆式冷水机组, 部分负荷时启用螺杆机, 负荷增加时再开启离心机组。空调实际负荷与室外温度、建筑使用情况、人员多少等因素有关系, 在一年内大部分时间在部分负荷下运行, 满负荷在极端天气才会出现。在部分负荷工况下, 冷水机组可以根据负荷变化自动调节制冷量, 比如螺杆机调节滑阀、离心机调节导叶开度、溴化锂机组调节蒸汽压力;冷冻水系统可以根据供回水温度或压力等参数对水泵进行变频控制, 降低能耗, 尤其是变频技术已经很成熟, 冷冻侧能耗有了很大程度改善;但是与系统配套的冷却水系统, 包含冷却水泵、冷却塔风机、冷水机组冷凝侧却不能随之进行自动调节, 运行状态均偏离了设计工况, 能耗大幅度增加。

冷凝温度升高, 制冷机组制冷量减小, 压缩机输入功率将增大, 机组性能系数将会降低。一般来讲:冷却水的流量变大或温度降低, 机组温度降低;反之升高; (2) 冷凝器侧热阻或水垢增加, 冷凝温度升高;反之则降低。冷却塔风机开启台数越多, 冷却水温度越低, 冷却效果越好, 此时风机耗电量越大, 耗能较多;但对于冷水机组来讲冷却水温度越低, 冷凝温度将会越低, 冷水机组性能系数越高, 机组越省电。反之冷却塔耗电量越低, 机组能耗越高。因此冷却水系统的运行状况受多个参数影响, 供回水温度及流量、冷凝温度、冷却塔风机运行台数等。对于冷却水系统的节能是一个系统的问题, 需要详细比较不同工况下冷却塔能耗和冷水机组的能耗, 找到系统能耗的最小值, 进而确定冷却水系统的运行的最优工况。

2节能案例分析

笔者结合实际工作中现场走访制冷站遇到的问题进行逐一分析。

2.1某制冷机房设置3台麦克维尔冷水机组, 其中2台离心式冷水机组, 单台额定制冷量为520Rt, 1台螺杆式冷水机组, 额定制冷量为180Rt;冷冻、冷却水泵与机组一一对应, 水泵能切换运行。测试水泵铭牌参数详见表1。

经计算, 冷却水泵运行效率偏低, 冷却水泵运行时扬程为28m, 比水泵额定扬程大3m, 究其原因在于水泵出口装有定流量阀增加了管网的阻力, 迫使水泵运行工况点向左偏移, 偏离了高效区, 水泵在该工况下运行能耗较高, 安装定流量阀的设计意图为平衡流经各冷却水泵的流量, 实际并没有起到作用, 反而增加了管网阻力, 增加了水泵能耗。建议拆除定流量阀装置。

2.2某电力公司写字楼现场走访发现其空调系统冷却侧为开式系统, 其水泵参数详见表2, 冷却水池设置在地下一层制冷站房内, 冷却塔设置在室外屋顶。制冷机房设置3台麦克维尔冷水机组, 其中2台离心式冷水机组, 单台额定制冷量为520Rt, 1台螺杆式冷水机组, 额定制冷量为180Rt;冷冻、冷却水泵与机组一一对应, 水泵能切换运行。

经实际测试发现, 冷却水泵运行功率为72.14k W, 冷却水供水温差为4℃, 由于冷却水系统为开式系统, 来自冷却塔的回水靠重力回流到水池, 再通过水泵打回冷水机组, 从冷水机组出来还需克服冷却水静压和管路阻力, 增加了阻力, 与之匹配的冷却水泵扬程较大, 能耗较大。一般来讲对于冷却水系统机组冷凝器阻力在8~12m, 冷却塔阻力3~5m, 管路阻力5~10m, 冷却水泵扬程在15~25m。

同时冷却水在开式中循环, 系统管道以及被冷却设备换热器易结垢, 降低被冷却设备的换热效率, 增加了系统的运行费用;现场勘测发现冷却水泵漏水, 水泵运行时间久远, 机器老旧, 水封内部零件磨损严重、锈蚀, 开始老化失效, 大大降低水泵效率, 能耗增加。

建议将冷却水系统改造为闭式系统, 重新选取冷却水泵, 降低冷却侧能耗。这种冷却水系统目前已经遭淘汰, 但是在一些建造时间比较久远的公建中还存在, 系统运行人员应引起重视来。

2.3某大厦采用集中空调系统, 空调冷源由4台2910k W蒸汽溴化锂吸收式机组组成, 夏季最高负荷时开启2台, 平时开启1台。空调系统冷却塔共有18台风机, 单台风机功率5.5k W, 运行人员根据天气情况和末端负荷情况确定冷却塔风机开启台数。

对冷却塔进行测试, 测试数据见表

经现场走访发现, 18台冷却塔风机全部开启, 风机耗电量较大, 18台风机全部开启对应的是设计工况4台机组全部开启, 而实际运行中只需开启1台机组, 风机不需要全部开启。制冷系统在运行中, 开启全部冷却塔风机是为了提高冷却效果, 降低溴化锂机组能耗, 但是通过现场发现冷却塔布水系统存在不平衡, 未能充分发挥冷却塔的处理能力。

测试数据也表明:出水温度与室外空气湿球温度温差较大, 冷却塔效率较低;对△t=5℃的冷却塔来讲, 风机耗电比不应大于0.035k W.h/m3, 从表4可以看出冷却塔风机耗电比较大, 原因在于风机全部开启, 风机耗电量较大。综合考虑, 需要对冷却塔布水调平衡, 并采用风机变频技术对冷却塔风机进行改造, 根据冷却塔出水温度调节冷却风机的转速和冷却风机的开启台数。如果一台变频风机的冷却效果达不到降温要求, 控制系统将该台风机调整到工频运行并自动启动下一台变频风机运行, 依次进行。风机变频控制, 可以优化风机开启台数, 也可以调整其运行频率, 使其处于一个节能工况。还可以使冷却塔出水温度稳定, 使冷水机组平稳运行, 对溴化锂机组还可以保持冷却水温度不低于20℃, 避免了因冷却水温度过低而溶液结晶。

2.4北京某酒店包括一期城堡酒店和二期温泉酒店, 一期制冷机房位于地下一层, 设置两台金万众螺杆式机组, 每台额定制冷量为930 k W, 输入功率为216k W;二期机房位于地上, 设置两台麦克维尔螺杆式机组, 每台额定制冷量为2238.6k W。本次测试对象选取一期和二期各一台冷水机组]。

从表6可以看出, 一期、二期冷水机组COP偏低, 远远低于节能标准COP值4.6。

(1) 一期城堡酒店制冷机组分析:

通过测试发现, 冷冻水平均供、回水温度为10.8/13.7℃, 平均温差为2.9℃, 冷冻水供水温度偏高;冷却水平均供、回水温度为33.8.7/36.7℃, 平均温差为2.9℃, 冷却水回水温度偏高。铭牌参数相比, 机组负荷率为74% (163/216) 时, 机组仅出力57% (529/936) , 制冷效果差, 而实际运行中冷冻水测试流量为157m3/h, 接近机组额定流量161m3/h (0.86X936/5) , 冷冻水流量符合要求;冷却水测试流量为154.5 m3/h, 换热量为519.2 k W, 远小于机组冷凝器内部制冷剂放热量693.1k W (163.6+529.5) , 说明冷凝器换热效果差。从理论上讲冷冻水供水温度升高, 机组蒸发温度将会升高, 进而机组性能系数应该升高, 该机组性能系数较低说明冷却侧换热严重影响了机组出力。经现场与技术人员沟通, 机组冷却水水源来自室外湖水, 易造成换热器堵塞。加之制冷机组长时间未进行清洗, 换热器结构影响换热效果, 因此造成了冷水机组性能系数较低, 建议尽快联系厂家进行清洗或给冷水机组加装胶球在线清洗装置, 该装置可以有效降低冷凝器换热热阻, 保持换热效率不降低。

(2) 二期温泉酒店制冷机组分析:

理论分析知, 机组蒸发温度升高, 冷凝温度降低, 输入功率降低, 机组性能提高。现场测试发现冷冻水进出口温度较高, 冷却水进出口温度较低, 测试计算结果性能系数低, 结果与理论分析相反。经分析, 与设计工况相比, 机组负荷率为73.4% (304.2/414) 时, 出力仅为22% (502.5/2238.6) , 机组消耗功率大, 所获冷量少。冷冻水供、回水平均温度为16.2℃/13.7℃, 冷却水供、回水平均温度为30℃/32.2℃, 表明冷冻水和冷却水水温较好。冷却水测试流量为209.0 m3/h, 换热量为530.6 k W, 远小于冷凝器制冷剂换热量806.7 k W (502.5+304.2) , 说明冷凝器换热效果差。在测试过程中, 发现制冷机组在运行过程中噪音异常大, 由以上数据及现象分析, 初步断定制冷系统内部存在问题, 可能缺少制冷剂, 或系统进入空气, 或换热器结垢, 影响换热性能, 进而导致冷水机组性能系数较低。建议尽快联系厂家进行处理。