中央空调冷却水系统节能优化控制

中央空调冷却水系统节能优化控制

李亚丽

四川化工天鹏资产经营有限责任公司四川省成都市610041

摘要：能源危机是现阶段世界各国面临的共同问题，提高能源利用率是所有相关行业关注的热点问题。空调的能源消耗很大，为了贯彻节能减排理念以及可持续发展战略，必须通过一定的优化措施降低空调的能耗。本文将对中央空调冷却水系统的原理进行分析，在此基础上对中央空调冷却水系统节能优化控制进行深入的探索研究。

关键词：中央空调；冷却水系统；节能优化措施

前言

在大型中央空调系统中，冷却水系统主要发挥着排热的作用，通过冷却水系统的优化控制能够有效的降低冷水机组、冷却水泵以及冷却塔的综合能耗。而空调冷水机组和冷却水系统设备的运行功耗和空调系统负荷以及室外湿球温度温度有关，因此如何使冷却水系统在达到散热要求的基础上最大程度的降低其能耗是一个需要深入探究的问题。

1中央空调冷却水系统简述

图1中央空调冷却水系统原理

中央空调冷却水系统主要由冷却泵、冷却水管道、冷却水塔等组成。冷冻水循环系统进行室内热交换的同时，必将带走室内大量的热能。该热能通过主机内的冷媒传递给冷却水，使冷却水温度升高。冷却泵将升温后的冷却水压入冷却水塔（出水），使之与大气进行热交换，降低温度后再送回主机冷凝器（回水）。

2中央空调冷却水系统的能耗原理分析

在中央空调冷却水系统中包含了交流电驱动的冷却水泵、冷却塔风机、冷水机组等动力设备，其能耗主要由电机能耗以及冷水机组能耗构成。

2.1中央空调冷却水系统电机能耗原理

首先对电机能耗进行分析。根据电机学的基本原理，三相异步电动机的定子转速可以通过以下公式进行表达：

n0=60f/p

其中f代表的是工作电源的供电频率，单位为Hz。P代表的是磁极的对数。

目前，由于空调系统的水泵和风机的功率偏大，因此多采用三相异步电动机，其旋转磁场的转速和转子转速并不相同，二者之间存在着一定的比例关系。旋转磁场转速的表达式如下：

n=n0（1-s）

其中s代表的是转差率。

将上述两个表达式进行综合之后就可以得到：

n=60fp(1-s)

在上式中，p和s都为固定值，因而可以通过调整电动机电源供电频率的方式实现对电动机转子转速的控制。使用变频电机带动水泵和风机时，负载阻转矩和转速之间呈二次方关系，这样根据转矩常数就可以建立阻转矩和转速之间的关系，如下：

TL=KLnL2

其中KL为转矩常数，TL为负载阻转矩，nL为转速。

之后就可以推导获得负载功率和电动机转速之间的关系，基于此，就可以通过调整转速的形式实现节能。

2.2中央空调冷却水系统冷水机组能耗原理

在冷冻水系统定流量、冷却水系统变流量运行的系统中，冷却水流量的变化会引起冷却水温度的变化，具体关系为随着冷却水流量的减少，冷却水的温度会出现增高。造成这种现象的原因是因为冷却塔出水温度主要受到冷却塔进水温度、湿球温度、进塔水量以及进塔风量等因素的影响。由于冷冻水系统定流量，并且在确定的负荷率下供水温度也不会发生变化，这样一来，其蒸发压力的变化幅度也相对较小。流量小使得冷凝器出水温度增高，相应的冷却塔的出水温度也升高，造成冷凝压力的上升，而压力的增大则会使压缩机的功率出现增长。

在冷水机组，冷冻水泵、冷却水泵等设备确定的情况下，并且在某一空调负荷和湿球温度下，变冷却水流量和变冷却塔风量的情况下，总是存在一个能耗最低点。当冷却水泵或是冷却塔风机相对转速一定的情况下，其能耗基本上会维持不变。但随着冷却塔风机或是冷却水泵转速的增加，冷却塔的出水温度会下降，导致压缩机压力比的减小，实现冷机能耗的降低。其降低幅度要大于泵累设备能耗的增加幅度，因此总能耗会出现下降。当冷却塔风机以及冷却水泵的能耗升高和冷机能耗降低相同时，即为能耗最小点。

3中央空调冷却水系统优化控制

3.1现有的冷却水系统优化方法

当前，比较常见的冷却水系统优化多是在工况和湿球温度确定的情况下，通过冷却塔风机的变频控制来实现冷却出水温度的控制。在冷却水泵的变频控制下，以冷凝器两侧的温差或是冷凝器出水温度为控制变量的冷却水流量控制。在不同工况下，采用这种控制方式的能耗最优点会发生变化，因此很难使冷却水系统始终处于能耗最优点。冷却水系统运行的过程中，制冷剂是能量传递的重要媒介，制冷剂的性能对于机组的制冷速度和效果有着较大的影响。根据要求，制冷剂在常温条件下应为气态，且不易于压缩成液体，也不会对任何环境的造成伤害，因此要选择合适的制冷剂。

3.2其它优化控制措施

首先，通过改善冷却水水质的方法实现节能。中央空调冷却水在长时间循环使用后，其水质会不断降低，其中积聚的细菌、重碳酸盐等会对冷水机组中的冷凝器等设备造成腐蚀，导致设备热阻增大，不仅会降低制冷量，同时也会缩短机组寿命。对此，可以采用药物处理或是电子处理的方法改善冷却水水质。如采用环保型综合水处理剂（如CALFA“BAS”），进行除垢、除锈，杀菌，最大程度的降低冷却水废水带来的负面影响，从而达到节能的目的。

其次，冷水机组节能。一方面合理选择冷水机组，在不同的环境条件下选择不同的冷水机组，如对于同时有供热和供冷要求的建筑物，可以采用水源热泵机组，能够实现制冷工况和制热工况之间的热回收，具有良好的节能效果。对于有余热或是废热利用的场所，则可以采用吸收式冷水机组，实现对余热和废热等低品质能源的充分应用，降低电能消耗，同样可以达到节能效果。此外，考虑到空调在一年中负荷分布不均衡，可以采用变速泵根据空调的复合改变泵的转速，从而实现冷却水系统的节能。

最后，冷却塔节能。一方面，合理选择冷却塔的形式。冷却塔分为干式和湿式两类，干式冷却塔的特点是热交换效率高，水冷却的极限温度为空气的湿球温度，但相对于湿式冷却塔而言，热交换效率有所不如，因此在条件允许的情况下，优先选择湿式冷却塔，可以获得更好的节能效果。另一方面，采用水动风机冷却塔替代传统的电动风机冷却塔也能够获得不错的节能效果。因为采用微型冷却塔专用水轮机替代电动驱动风机旋转，可以实现空气与冷却水的对流换热，这样就可以省略电机，节省电能，同时回收富余扬程冷却水的能量，再次实现节能。

结语

综上所述，本文对中央空调冷却水系统的工作原理和能耗原理进行了简明的介绍，在此基础上提出了节能优化控制的相关措施。我们在研究中央空调节能降耗的同时，还应积极引入学习国外技术。

参考文献

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