大型公共建筑集中空调冷却塔系统优化控制

冰川玉静

摘要：冷却塔是集中式空调系统的重要组成部分，开式逆流冷却塔在大型公共建筑空调系统中有广泛应用，而其实际运行过程中却普遍存在着效率偏低的问题。本文以冷机和冷却塔构成的系统为研究目标，提出以冷机节能为核心的优化思路。建立半经验理论模型，进行模拟计算，并在实际建筑中进行改造测试，总结分析得到针对冷却塔风机联合变频调节和高低风速调节的控制方法。

1    大型公建冷却侧运行现状

笔者在香港某写字楼群从事节能改造工作期间，观察了大量公共建筑冷却侧的运行情况，发现因冷却塔运行不佳导致冷源效率偏低的现象十分普遍。为深入分析冷却侧对冷源效率的影响状况，定义以下三个温差：

从室外湿球温度到冷机的冷凝温度，这三个温差分别表征冷源三种设备的运行特性。对于开式冷却塔而言，冷却水与空气传热传质的极限就是出塔水温达到室外湿球温度，即?T3越小，就说明冷却塔的换热特性越好，反之则要考虑冷却塔运行中是否存在降低效率的因素。

以下根据LNH2008年的记录数据，考察LNH冷源的各部分设备的换热性能。根据图1.1可以看出，LNH冷源内冷却塔在冬季和过渡季节换热温差过大，说明在这些时间段冷却塔运行状况不佳。笔者收集了香港办公楼群中四栋大楼的冷源数据，包括LNH在内横向比较四栋楼的逐时冷却塔换热温差，见图1.2。

现阶段大多数大型公建冷源的运行策略基本都是“一机一泵一塔”和“大机大泵大塔”。而从图1.2中可以看出这种运行模式普遍存在冬季和过渡季冷却塔效率偏低的现象。说明实际运行过程中却没有在这段时间内发挥冷却塔的优势，造成不必要的付出。

图1.1冷凝侧温差逐时变化图

图1.2冷却塔换热温差比较

另一方面，冷机电耗基本占据整个建筑空调系统能耗的30%~50%。所以从冷机的角度出发，考虑如何利用冷却塔有效提高散热效率，从而达到低投入高回报，冷源系统效率提高的效果。

2    冷却塔群控策略优化现场改造

2.1   水塔群控策略优化

笔者在LNH冷源实施节能改造。LNH建筑面积30968m2，配有3台大冷机、1台小冷机和3个大水塔、1个小水塔。大冷机（CH-LG）制冷量1410kW，额定功率300kW，冷却水流量76L/s。小冷机（CH-SM）制冷量705kW，额定功率160kW，冷却水流量39L/s。大水塔（CT-LG）额定水量76L/s，风机高低档61/41m3/s。小水塔（CT-SM）额定水量38L/s，风机高低档40/27m3/s。

策略优化改造考虑通过台数和风档调节，制定一套以冷机开启状态为基准的冷却塔运行模式，保证冷却塔系统的风水比全部保持在1.0~1.5之间。经模拟计算得到全年的冷却塔运行模式，见表2.1。

表2.1  冷却塔群控策略表

备注：涂颜色表示该设备或该状态被使用；SM表示小冷机或小水塔；LG表示大冷机或大水塔；Lo代表冷却塔低风挡；Hi代表冷却塔高风档。

2.2    现场改造概述

笔者将LNH冷源现阶段的“一机一塔”、“大机大塔”的控制策略改换为如表2.1所列的运行模式。于2009年6月1日至2009年6月8日进行效果测试。利用历史同期同类型数据与本次测试结果相比较，对比时间为2008年6月5日至2008年6月12日。对比工况选择标准为：冷源内冷机运行模式相同，逐时湿球温度、耗冷量基本相同。由此对比两组工况下的电耗数据，比较出改换冷却塔运行策略后的节能量。

测试和比较工况的数据来源均是LNH的BMS逐时记录数据，在分析数据前已对部分外露的温度传感器、电功率计进行了测量设备校核，对冷源的温度和流量数据进行了冷量平衡校核。

2.3    改造效果对比分析

选择典型日的工作时作为对比时间段，其详细工况说明见下表。

表2.1工作时段工况条件对比

比较项目

实验工况

对比工况

时间段

2009年6月4日8:00~20:00

2008年6月10日8:00~20:00

冷机开启情况

2台大冷机

2台大冷机

冷却塔开启情况

4台塔全开，均为高风档

2台大塔，均为高风档

两组工况的外部条件基本相同，即湿球温度和冷负荷基本相同。对比工况下平均湿球温度为24.36℃、总冷负荷33626kWh；实验工况下平均湿球温度24.01℃，历史同期下降0.35℃，总冷负荷为33990kWh，历史同期上升1.08%。

在此基础上比较两组工况下的冷机电耗和系统效率，其中系统效率是指冷量与冷机和风机总电耗的比值。

图2.1冷机电耗逐时对比

图2.2系统效率逐时对比

图2.3 冷机COP逐时对比

图2.4 冷机ICOP逐时对比

从对比实验中可以看出，冷机电耗有明显下降，冷机总电耗由对比工况的8030kWh下降为6632kWh，下降率17.41%。相应的由冷机和冷却塔组成的系统的总效率也有了明显的提高。产生冷机COP提高的主要原因是冷机冷凝侧温度特性有了显著改变。

冷却塔运行策略改换之后，冷却塔出水温度有明显下降，从平均31.80℃到27.83℃，平均下降3.97℃。而冷却水温度的下降将导致冷凝温度跟着下降，从平均39.03℃到33.08℃，平均冷凝温度下降5.23℃。

表2.2工作时段冷却侧温度对比

平均温度[℃]

实验工况

24.01

1.73

4.24

3.82

33.80

对比工况

24.36

2.22

5.01

7.44

39.03

偏差

-0.35

-0.49

-0.77

-3.62

-5.23

导致冷机冷凝温度下降的主要原因是冷却塔换热特性提高，冷却塔换热温差降低。从平均温度对比来看，冷却塔换热温差减少量占最终冷凝温度减少量的70%。由于冷凝温度的下降使得冷机的理想效率（ICOP）大幅提升，从平均8.09提升到9.46，提升率16.95%。相应的，在两组工况中，冷机的内部效率则基本没有改变，实验和对比工况的平均DCOP分别为0.54和0.52。这说明了，改变冷却塔运行策略的本质是降低冷凝温度，提高冷机ICOP，从而提高冷机COP和系统总效率。

休息时段也有类似的比对结果：因冷凝温度的下降使得冷机的理想效率（ICOP）大幅提升，从平均9.5提升到10.0，提升率5.12%，从而提高冷机COP。

2.4   改造结果小结

通过改造前后电耗和冷机运行数据对比分析可知，在新的冷却塔运行策略下，冷机的外部运行环境得到了明显的改善，冷凝温度下降使得冷机COP提高，进而减少了冷机电耗。同时冷却塔风机电耗的增加量比冷机电耗的减少量要小，所以冷源整体电耗降低。

改造的基本思想是充分利用冷却塔换热面积，提高换热效率，以提升冷机运行状况为核心，综合提升冷源的系统效率。测试数据验证了此改造思路，下面将采用模拟分析的手段，对比各种运行模式。

3    冷却塔群控模拟分析

本文在冷却泵定频运行的条件下，以冷机和冷却塔为优化目标，通过最优化分析的方法找到使得系统能耗最低的冷却塔运行模式。

3.1   冷机和冷却塔模型

模拟冷却塔换热过程中采用Markel焓差模型[5]，准确计算焓差积分。但同时忽略许多建模中的细节性问题，例如海水和淡水的区别、布水和淋水面积的变化、流场的不均匀等问题[6][8]。根据冷却塔进出水温和室外湿球温度定义冷却塔（水）效率：

对于冷机而言，改变冷却塔运行模式只是改变了冷机本身的运行环境，对冷机内部特性影响不大。模拟中参照卡诺循环和冷机COP的定义，采用简易的冷机模型。理想效率ICOP表征了冷机（压缩机）外部环境所决定的最高效率，而内部效率DCOP则主要表征了冷机（压缩机）自身的运行性能。据统计发现，DCOP与冷机的负荷率有很强的相关性，可以视为冷机负荷率的单值函数，而其关系式可以通过统计拟合得到。通常表示为二次函数的形式。

令，

，联立冷机和冷却塔的换热方程，可以得到冷机效率与冷却塔效率的关联式：

（5）

其中，对于额定工况下的物理量都用下标o表示。在给定冷源的运行条件，即额定参数、负荷率、湿球温度确定的情况下，已知塔效率就能够计算冷机效率，从而求出冷机电耗：

3.2   模拟计算说明

系统优化模拟计算以LNH冷源为物理模型范例，以BMS系统中2007年逐时空调系统记录数据为基础，进行优化模拟分析。按照冷机运行模式对冷源数据进行分类，针对不同的冷机模式进行优化计算。在实际运行中，LNH冷源只有5种状态，根据2007年BMS的记录数据，统计每种状态的下的能耗数据如下表：

表3.1 2007年LNH冷源运行与能耗统计（电耗单位：万kWh）

冷机模式

1SM

1LG

1SM，1LG

2LG

1SM，2LG

总计

冷机电耗

29.7

54.9

20.3

78.8

26.0

209.6

风机电耗

0.9

1.3

0.4

1.4

0.5

4.5

LNH冷却塔采用风速高低档控制，为简化理论分析过程，模拟中假设风机联合变频调节，所有的冷却塔都处于使用状态，不考虑布水不匀和淋水面积改变等问题。冷却塔风机功率和风量遵从“三次方”关系。对于冷却塔风机变频调节考虑以下三种运行模式：

Case1

理想变频控制

逐时求解最佳风机频率使得冷机与风机电耗最小；

Case2

定塔出水温度

一种冷机模式对应一个固定的出塔水温，使得全年电耗最小。

Case3

定风机频率

一种冷机模式对应一种固定的风机频率，使得全年电耗最小。

3.3    理想变频计算结果

若系统处于理想变频控制时，经计算知冷机和冷却塔总电耗全年可以节省25.8万kWh，节能率12.0%。观察风机频率的变化特性，见图3.1。风机频率与系统冷量具有较强的线性相关性，冷量越大，风机频率越高。此结果与文献[3][4]的仿真结论相吻合。

观察冷却塔出水温度与湿球温度的分布关系，见图3.2。对角线代表出塔水温与湿球温度温差恒为4℃，即^T3恒为4℃。该计算结果证明了当冷却塔系统运行总是处于最优时，即冷却塔风量选择总是让冷源效率最高时，系统将呈现定^T3的特性，而这个定值也就是冷却塔换热达到极限时的过余温度。

图3.1风机频率与冷量关系图

图3.2 Case1计算结果之湿球温度与出塔水温

3.4   三种模式计算结果对比

理想变频控制能够得到良好的节能效果，而此目标的达成依赖于一套十分复杂的控制系统，而大量传感器和执行器的偏差和错误极易对控制系统造成巨大影响。所以考虑定出水温度和定风机频率两种极简单的控制方式与其对比。

定出塔水温控冷却塔运行模式（风机频率）要求不同冷机模式对应不同的出水温度设定值，通过计算找到冷机和冷却塔风机总电耗最小的冷却塔出水温度设定值。经计算知冷机和冷却塔总电耗全年可以节省21.6万kWh，节能率10.1%。

表3.2各冷机模式对应的出塔水温设定值

冷机模式

1SM

1LG

1SM,1LG

2LG

1SM,2LG

出塔水温设定值

23℃

24℃

26℃

28℃

30℃

定冷却塔运行模式，即每一种冷机开启模式对应一个固定的风机频率。在计算中改变风水比设定值，对于每种冷机模式，通过模拟计算找到冷机和冷却塔风机总电耗最小的风水比设定值。经计算冷机和冷却塔总电耗全年可以节省19.5万kWh，节能率9.1%。

表3.3各冷机模式对应的风水比设定值

冷机模式

1SM

1LG

1SM,1LG

2LG

1SM,2LG

风水比设定值

1.40

1.50

1.40

1.15

1.10

风机频率

11Hz

24Hz

33Hz

36Hz

44Hz

总结这三种情况下的全年冷机和冷却塔风机电耗，如下：

图3.3全年冷机和冷却塔风机电耗对比

3.4.1 模拟计算小结

从图3.3中不难发现，定出塔水温和定塔风水比（风机频率）的运行方法，虽然全年能耗比时时最优的情况要高，但却相差无几；从操作实施的角度来说，按照冷机模式定塔风水比的运行模式是受限最少、也是最简单的方法，所以在实际应用中应该考虑这种控制方式。

同时，观察表3.3中风水比的数值可以发现，当系统处于最优时，风水比都维持在1.0~1.5之间。这是因为冷却塔效率在风水比1.0~1.5时已经基本接近极限效率。由此可以考虑冷却塔全年固定一个风水比（LNH参考值1.4），将风水比设定随冷机模式改变的电耗与全年设定风水比不变的电耗相比较，二者的差别很小。

4    结论

本文以LNH为工程范例，将原“一机一塔”、“大机大塔”的控制模式改为依冷机模式定冷却塔运行模式的控制方法，并通过现场实测得到验证。模拟计算估计LNH以此改造全年可节电19.1万kWh，折合6.16kWh/m2。

对于高低风挡调节的冷却塔系统，比较好的控制方法是按照冷机的运行模式给定冷却塔的运行模式。水塔模式选择的办法基本遵照多开塔，保证平均风水比在1.0~1.5之间的原则。对于风机联合变频调节的冷却塔系统，定风水比是比较好的控制方法，但需要对实际系统有比较充分的调研和认识后，根据实际情况确定控制参数。

文中所提出的冷却塔群控方法，虽然不能达到系统的最优状态，但具有初投资低、控制逻辑简单、运行管理方便等优点，在实际工程中具有很大的应用潜力。