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文檔簡介
1、采用冷卻塔變流量的中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)能效分解摘要 基于數(shù)據(jù)擬合建立了冷卻塔、冷卻水泵及制冷機組的數(shù)學(xué)模型,通過調(diào)整各工況參數(shù),研究分析了冷卻水變流量和冷卻塔變風(fēng)量對冷卻水系統(tǒng)綜合能耗的影響。結(jié)果表明冷卻塔變流量在中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的應(yīng)用是可行的,但冷卻塔變風(fēng)量在部分工況下并不節(jié)能。關(guān)鍵詞 冷卻塔 變流量 風(fēng)機變頻 制冷機組 COP 能耗引言2020年9月22日,中國政府在第七十五屆 HYPERLINK /item/%E8%81%94%E5%90%88%E5%9B%BD%E5%A4%A7%E4%BC%9A/372109 t _blank 聯(lián)合國大會上提出:“中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力
2、的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。”大型公共建筑耗能較高,我國2萬平米以上的大型公共建筑其能耗占到建筑總能耗的20%以上,其中單位面積耗電量是普通民宅的10-15倍。中央空調(diào)系統(tǒng)約占據(jù)公共建筑能耗的60%,所以中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減碳勢在必行,冷卻水系統(tǒng)作為中央空調(diào)內(nèi)容一個循環(huán)系統(tǒng),其能耗占中央空調(diào)系統(tǒng)能耗的25%1,提高冷卻水系統(tǒng)部分負荷能效對于建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳達峰和碳中和具有重大價值。建筑負荷是動態(tài)的,室外環(huán)境也處在動態(tài),各項工況參數(shù)的變化使得冷卻水系統(tǒng)存在節(jié)約能源的可能性,通過建立數(shù)學(xué)模型,對制冷機組、冷卻水泵及冷卻塔的模型進行耦合,研究分析
3、變冷卻水量和變冷卻塔風(fēng)量引起的能耗變化。1理論模型本文以某綜合交通樞紐工程為例,對采用冷卻塔變流量的中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)進行分析,該項目采用1臺離心式電制冷機組,配置2臺冷卻水泵,1臺橫流式冷卻塔,具體設(shè)備參數(shù)見表1:表1主要設(shè)備材料表離心式制冷機組 制冷量3164kW 冷凍水進/回水溫度7/12,冷凍水流量543.2m/h 冷卻水進/回水溫度32/37,冷卻水流量632m/h,額定功率:518kW。變頻 1臺冷卻水泵:流量664m/h 額定揚程:37m 變頻 2臺,1用1備冷卻塔:流量700m/h 風(fēng)量:389000m/h 額定功率:18.5kW 變頻 1臺1.1冷卻塔數(shù)學(xué)模型研究主要方法有公
4、式法和數(shù)據(jù)擬合法1)公式法冷卻數(shù)是衡量冷卻塔冷卻能力的重要指標(biāo),冷卻數(shù)越大,則冷卻能力就越強,橫流式冷卻塔冷卻數(shù)可按下式計算3:(1)式中h為橫流式冷卻塔冷卻數(shù)(無量綱);Xd為從進風(fēng)口算起淋水填料深度(m);Zd為從淋水填料頂層表面向下算起的填料高度(m);q為淋水密度kg/(m2h);H為填料高度(m)。K為蒸發(fā)水量帶走熱量系數(shù)(K1.0,無量綱);h為濕空氣比焓kJkg(干空氣);h為飽和空氣比焓,即當(dāng)空氣溫度為水蒸氣分壓達到飽和狀態(tài)溫度t時的比焓,t為水的溫度;Cw為水的比熱kJ/(kg);上式可近似按如下計算:(2)(3)(4)(5)(6)(7)式中 為平均焓差kJ/kg(干空氣);
5、 為飽和水蒸氣壓力。2)數(shù)據(jù)擬合法2由于冷卻塔各相關(guān)參數(shù)高耦合性,利用公式法求解,模型復(fù)雜、計算工作量巨大且較為困難,不適合指導(dǎo)實際工程設(shè)計,為簡化模型和運算過程,可以通過數(shù)據(jù)分析研究各參數(shù)之間的關(guān)系。通過(1)(7)式可知,在冷卻塔物理結(jié)構(gòu)一定的前提下,冷卻塔的出水溫度主要與冷卻水量,冷卻塔風(fēng)量,冷卻塔的進水溫度,室外環(huán)境的濕球溫度等有關(guān)。圖1顯示了在濕球溫度、冷卻水量、冷卻塔風(fēng)量等保持不變的前提下,冷卻塔進水溫度對冷卻塔出水溫度的影響,由圖1可知冷卻塔出水溫度隨冷卻塔進水溫度升高而升高,且近似線性變化。圖1 冷卻塔進水溫度與出水溫度圖2顯示了在濕球溫度、冷卻塔進水溫度、冷卻塔水量等保持不變
6、的前提下,冷卻塔風(fēng)量對冷卻塔出水溫度的影響,由圖2可知冷卻塔出水溫度隨冷卻塔風(fēng)量減少而升高。圖2 冷卻塔風(fēng)量與冷卻塔出水溫度圖3顯示了在濕球溫度、冷卻塔進水溫度、冷卻塔風(fēng)量等保持不變的前提下,冷卻塔水量對冷卻塔出水溫度的影響,由圖3可知冷卻塔出水溫度隨冷卻塔水量減少而降低。圖3 冷卻塔水量與冷卻塔出水溫度圖4顯示了在冷卻塔進水溫度、冷卻塔風(fēng)量、冷卻塔水量等保持不變的前提下,室外濕球溫度對冷卻塔出水溫度的影響,由圖4可知冷卻塔出水溫度隨室外濕球溫度升高而升高。圖4 室外濕球溫度與冷卻塔出水溫度可利用數(shù)據(jù)擬合方法,建立冷卻塔出水溫度模型如下:t塔出=At濕+Bt塔進+CL+DG (8)式中t濕為濕
7、球溫度,;t塔進為冷卻塔進水溫度,;L為冷卻塔水量,m/h;G為冷卻塔風(fēng)量,m/h。通過某廠家提供的冷卻塔大量運行參數(shù),代入數(shù)值后構(gòu)建冷卻塔出水溫度模型:t塔出=0.4669t濕+0.4175t塔進+ 0.0076L-0.00000469G (9)3)冷卻塔功率:N1=N1額(G1/G1額)3 (10)其中N1為冷卻塔輸入功率,kW;N1額為冷卻塔額定功率,kW;G1為冷卻塔通風(fēng)量,kg/s;G1額為冷卻塔額定通風(fēng)量,kg/s。1.2水泵模型1)管路特征曲線公式:H=h+SG2 (11)本工程冷卻塔采用開式橫流冷卻塔,所以冷卻水系統(tǒng)實際為開式系統(tǒng),h則可近似認為是冷卻塔布水壓力和提升壓頭之和,
8、即冷卻塔揚程。結(jié)合本工程冷卻塔揚程取5.8m(H2O)。H=5.8+6.3673510-5G2 (12)2)變頻冷卻水泵能耗公式3:(13)3)變頻器效率采用的公式5如下:=0.5087+1.283k-1.42k2+0.5834k3 (14)4)電動機效率采用的公式5如下:=0.94187(1-e-9.04k) (15)1.水泵效率采用數(shù)據(jù)擬合= -3x103 - 1x106L2 + 0.0021L + 6x1016 (16)式中N3為水泵功率,kW;H為水泵揚程,m(H2O);L為水泵流量,m/h;為水的密度,kg/m;g為自由落體加速度,9.8m/s2。 為變頻器工作效率; 為電動機工作效
9、率; 為水泵工作效率;k為電機轉(zhuǎn)速比。1.3制冷機組模型圖5顯示了制冷機組負荷率對制冷機組COP的影響,由圖5可知制冷機組COP隨制冷機組負荷率的降低,在100%80%區(qū)間內(nèi)略有升高,80%至40%區(qū)間內(nèi)迅速降低。圖5 制冷機組負荷率與制冷機組COP圖6顯示了蒸發(fā)器出水溫度對制冷機組COP的影響,由圖6可知制冷機組COP隨蒸發(fā)器出水溫度的升高而升高。圖6 蒸發(fā)器出水溫度與制冷機組COP圖7顯示了冷凍水量對制冷機組COP的影響,由圖7可知制冷機組COP隨冷凍水量的減少而升高。圖7 冷凍水量與制冷機組COP圖8顯示了冷凝器進水溫度對制冷機組COP的影響,由圖8可知制冷機組COP隨冷凝器進水溫度的升
10、高而降低。圖8 冷凝器進水溫度與制冷機組COP圖9顯示了冷卻水量對制冷機組COP的影響,由圖9可知制冷機組COP隨冷卻水量的減少而降低。圖9 冷卻水量與制冷機組COP根據(jù)某廠家制冷機組的多種工況參數(shù),通過數(shù)據(jù)擬合分析可建立制冷機組數(shù)學(xué)模型s3(17)COPb=105S5-380.87S4+546.44S3-393.25S2+145.23S-16.44 (18)=0.0002 -0.003 +0.0503 +0.7408 (19)=-4x1011 +8x108 -8x105 +1.0248 (20)=38.373(21)=-4x107 +0.0008 +0.6868 (22)其中:COPb為制冷
11、機組基準COP;kW;t冷卻進為冷凝器的進口溫度,;t冷凍出為蒸發(fā)器的出口溫度,;S為制冷機組單機冷負荷率; 為冷凍水出水溫度影響系數(shù); 為冷凍水量影響系數(shù); 為冷卻水進水溫度影響系數(shù); 為冷卻水量影響系數(shù);2能效分析本文重點研究冷卻水系統(tǒng)的能效變化,所以不再深入分析冷凍水水溫流量變化等工況,為方便冷卻水系統(tǒng)各工況參數(shù)變化對制冷機組COP的影響,假定冷凍水出水溫度為12,冷凍水流量隨負荷率變化,冷卻塔出水溫度至少比室外濕球溫度高2,將冷卻塔數(shù)學(xué)模型、冷卻水泵數(shù)學(xué)模型和制冷機組數(shù)學(xué)模型結(jié)合,推導(dǎo)出冷卻水系統(tǒng)綜合能耗:(23)冷卻水系統(tǒng)綜合能效:(24)圖10顯示了冷卻水量對冷卻水系統(tǒng)能耗的影響,
12、由圖10可知在冷卻水流量在100%70%變化過程中,隨著冷卻水量的減少,負荷率100%40%的冷卻水系統(tǒng)能耗均是減少的。圖10 濕球溫度28,冷卻水量與冷卻水系統(tǒng)能耗圖11顯示了冷卻水量對冷卻水系統(tǒng)能效的影響,由圖11可知在冷卻水流量在100%70%變化過程中,隨著冷卻水量的減少,負荷率100%40%的冷卻水系統(tǒng)綜合能效COPz均是升高的。表明冷卻水變流量具有一定的節(jié)能效果。圖11 濕球溫度28,冷卻水量與冷卻水系統(tǒng)綜合能效圖1214 顯示了在不同負荷率和不同室外濕球溫度條件下冷卻水流量對冷卻水系統(tǒng)綜合能效的影響。由圖1214可知隨著冷卻水流量從100%逐步減少至70%,冷卻水系統(tǒng)綜合能效CO
13、Pz是逐步升高的;冷卻水流量從70%變化至60%冷卻水系統(tǒng)綜合能效COPz可能升高也可能降低。隨著室外濕球溫度的降低,冷卻水系統(tǒng)綜合能效COPz是升高的。圖12 負荷率100%、不同濕球溫度條件下的冷卻水流量與冷卻水系統(tǒng)綜合能效圖13 負荷率80%、不同濕球溫度條件下的冷卻水流量與冷卻水系統(tǒng)綜合能效圖14 負荷率60%、不同濕球溫度條件下的冷卻水流量與冷卻水系統(tǒng)綜合能效圖15顯示了采用冷卻水變流量在不同負荷率情況下對應(yīng)的節(jié)能率,由圖15可知在負荷率60%時節(jié)能率為12.5%,節(jié)能率最高。圖15 冷卻水變流量的節(jié)能率與負荷率圖16顯示了冷卻風(fēng)量對冷卻水系統(tǒng)能耗的影響,由圖16可知在冷卻塔風(fēng)量在1
14、00%70%變化過程中,負荷率100%的冷卻水系統(tǒng)能耗隨冷卻塔風(fēng)量降低而增加;負荷率80%的冷卻水系統(tǒng)能耗隨冷卻塔風(fēng)量降低,在風(fēng)量比100%90%處略有減少,90%70%逐漸增加;負荷率60%的冷卻水系統(tǒng)能耗隨冷卻塔風(fēng)量降低而減少;負荷率40%的冷卻水系統(tǒng)能耗隨冷卻塔風(fēng)量降低,在風(fēng)量比100%90%處略有減少,90%80%逐漸增加,80%70%又逐漸減少。圖16 冷卻塔風(fēng)量與冷卻水系統(tǒng)能耗圖17顯示了冷卻塔風(fēng)量對冷卻水系統(tǒng)能效的影響,由圖17可知在冷卻塔風(fēng)量在100%70%變化過程中,負荷率100%的冷卻水系統(tǒng)綜合能效COPz隨冷卻塔風(fēng)量降低而增加;負荷率60%的冷卻水系統(tǒng)綜合能效COPz隨冷
15、卻塔風(fēng)量降低,在100%80%逐漸降低,80%70%又逐漸升高;負荷率100%的冷卻水系統(tǒng)綜合能效COPz隨冷卻塔風(fēng)量降低而增加。表明冷卻塔變風(fēng)量具有一定節(jié)能效果,但節(jié)能占比率較低,應(yīng)根據(jù)不同工況具體分析,部分工況反而會增加系統(tǒng)能耗。圖17 冷卻塔風(fēng)量與冷卻水系統(tǒng)綜合能效3結(jié)論1.采用變流量冷卻塔、冷卻水泵變頻技術(shù),可實現(xiàn)冷卻水變流量運行,雖然冷卻水量減少會使制冷機組的COP降低,但包含制冷機組、冷卻塔、冷卻水泵的冷卻水系統(tǒng)綜合COP是有所提升的,綜合能耗是有所減少的,所以在部分制冷負荷下采用冷卻塔變流量措施是具有節(jié)能效果的。2.室外濕球溫度越低,冷卻水系統(tǒng)綜合能效越高。3.風(fēng)機變頻對整個系統(tǒng)影響較小,在部分負荷工況下,具有節(jié)能降耗的效果,風(fēng)機變頻需結(jié)合具體工況來看,不合理降低風(fēng)機變頻,反而會增加能耗。參考文獻1.張朝暉,陳敬良,高鈺,等.蒙特利爾議定書基加利修正案對制冷空調(diào)行業(yè)的影響分析J.制冷與空調(diào),2017,17(1);1-72.付朋,空調(diào)冷卻水系統(tǒng)模型辨識與節(jié)能運行優(yōu)化方法D.大連;大連理工大學(xué),2015:13.劉昶,吳疆,張瑞,等,廣州地鐵14號線嘉禾望崗站
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