水冷式冷水机组冷凝温度控制法研究.docx
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水冷式冷水机组冷凝温度控制法研究
水冷式冷水机组冷凝温度控制法研究
水冷式冷水机组冷凝温度控制法研究
第26卷 第4期2005年12月
科技报道
李苏泷 徐 莉
(南京理工大学动力工程学院 南京 210094)
朱海峰
(特灵中国公司)
摘 要 论述了在集中空调冷却水变流量系统中冷凝温度控制法的特点;分析了冷却水变流量对离心式制冷机性能系数的影响;结合实例说明虽然冷却水变流量对于冷水机组制冷性能的负面影响不可忽略,但这一负面影响较对于水泵节能的正面影响要小,采用冷凝温度控制法对于空调系统综合节能是有益的。
关键词 市政工程;冷凝温度控制;冷水机组;冷却水;变流量
StudyontheCondensing-temperatureControlinAir-conditioningSystems
withWater-cooledChillers
LiSulong☆,XuLiandZhuHaifeng
☆NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing,210094,China
Abstract Statesthechara
Keywords Municipalengineering;Condensing-temperaturecontrol;Chiller;Condenserwater;Variableflow
1 引言
集中空调绝大部分时间内是在部分负荷下运行,虽然冷水机组可以随末端负荷进行能量调节,但目前在空调系统设计中,水泵一般不能随负荷进行动态调节。
且在设计中,负荷计算和设备选型偏大的现象普遍存在。
因此,在空调运行的大部分时间内,会出现大流量、小温差现象,动力设备的能源利用效率较低。
冷水流量随负荷的变化调节技术,已经得到了较广泛的认可,但关于冷却水的变流量,尚有一些争议
[1~3]
Q(1+1COP)=cρG(t2-t1)
(1)
式中c为水的定压比热,ρ为水的密度,COP为冷水机组的性能系数。
目前,冷却水变流量通常采用定温差控制方法。
由于变流量时COP变化相对
较小,所以定温差控制相当于冷却水流量随负荷成比例的变化,即负荷为70%时,流量也为70%。
由于冷却水流量G仅随负荷Q而变,因此,仅当冷水机组处于部分负荷情况下,冷却水才有变流量的可能。
对于多台(如三台)冷水机组组成的空调系统,当其中部分机组(如一台或两台)满负荷运行时,虽然处于非名义工况,室外气温可能比较低,也无法减小水流量、降低泵耗。
由于冷却水系统中的环节与舒适性无关,因此,冷却水出水温度和进出水温差的可变范围可以较冷水的出水温度和进出水温差的可变范围大,采用定温差控制实际上是没有充分利用冷却水的这种特征。
冷凝温度是影响冷水机组制冷性能的一个重要参数。
对于水冷式冷水机组而言,在一定的限度内,冷凝温度越低,制冷机的性能系数越高,因此,希望
一些人士对此持谨慎态度,认为综合节能效果不佳,不主张采用。
实际上,冷却水变流量的节能效果不仅与冷水机组的制冷性能有关,还与其控制方式有密切关系。
将对冷却水变流量的冷凝温度控制方法以及如何评估其节能效果,进行研究。
2 冷凝温度控制法
空调负荷Q与冷却水流量G和冷却水的进出水温度t1,t2间的关系为:
收稿日期:
2005年1月17日
冷却水流量大,冷却塔风机转速高;但对于冷却水泵
及冷却塔的节能来说,则希望冷却水流量小,冷却塔风机转速低,即对应于较高的冷凝温度。
因此,冷凝温度高,不利于主机;冷凝温度低,又不利于辅机。
在部分负荷情况下,水泵相对于冷水机组的功率比例在上升,这时可以采用提高冷凝温度的方法,加大水泵的节能权重。
冷凝温度控制法,是以冷凝器出水温度t2作为控制变量,间接地控制冷凝温度
[4]
高,使得机组的COP有所降低。
冷却水变流量在冷却水泵节能的同时,冷水机组将要多耗能。
因此,在讨论冷却水变流量的节能效果时,需要将冷水机组和冷却水泵作为一个整体来考察。
现在某一工况下,比较冷水机组和冷却水泵组成的系统,在冷却水变流量与其定流量两种情形下的总能耗。
设定流量情形单台冷水机组和水泵的输入功率分别为NC和NP,变流量情形为NC'和NP'。
由于水泵调速而引起此一机一泵系统的节能为
:
(2)
冷却水系统为开式系统,扬程H与流量G的关
系为
(3)
式中H0为静压头,S为管路阻抗。
冷却水泵
的轴功率为
(4)
式中g为重力加速度,η为水泵效率。
开式系统中,水泵的等效率曲线与管路特性曲线并不重合,但由于H0为冷却塔塔体扬程,远小于水泵额定流量时的扬程。
因此效率在水泵调速过程中变化很小,可以忽略。
故有
(5)
综合以上诸式,
得系统相对于水泵的节能率为
(6)
这里H为额定流量时水泵的扬程,G和G′分别为额定流量和变流量时的流量。
需要考虑的是采用冷凝器出水温度控制方法,冷凝温度的升高对于冷水机组的负面影响究竟有多
。
在冷却水管的
出水端安装一温度传感器,将此温度与冷水机组安全运行的出水温度上限(如本例中的37℃)进行比较,尽可能降低水泵转速和流量,只要保证水流量不低于最小流量,以避免冷凝器内水流变为层流而使其传热性能恶化。
在部分负荷或非名义工况下,将冷凝器出水温度仍然控制在其上限,见表2,这样可以最大幅度地减少冷却水流量,从而实现节能。
由公式
(1)可见,在冷凝温度控制法中,冷却水流量G不仅与负荷Q有关,而且也与室外温湿度(冷却水进水温度t1)有关,因此,即使机组满负荷运行,也有可能减小冷却水流量,降低水泵的能耗。
所以,与定温差控制相比,冷凝温度控制法中冷却水温差和流量变化范围大,水泵的节能幅度大,充分利用了冷却塔的处理能力和部分负荷下室外的气候特征。
在湿式冷却塔中冷却水与空气是通过直接接触进行换热的,冷却水进水温度主要由空气的湿球温度决定。
水流量的减少使得水与空气的换热更为充分,在空气的湿球温度一定时,在较大的流量变化范围内,不同水流量情况下的冷却塔出水温度基本相同
[1,5]
。
3 冷凝温度控制法变流量对冷水机组COP的影响
冷却水流量减少和冷水机组的冷凝温度有所提
表1 某离心机的性能数据
负荷率%冷凝器进水温度℃冷凝器出水温度℃定流量制冷机电耗指标kWRT
冷却水流量%
变流量制冷机电耗指标kWRT
大。
表1为某制冷量为500冷吨离心机在定流量和
[6]
冷水定流量冷却水变流量情况下的性能数据,蒸发器的出水温度保持为7℃。
冷凝器的进水温度对应于部分负荷情况下的气象参数,在100%负荷和
第26卷 第4期2005年12月
50%负荷间呈直线变化,采用了满负荷时冷却水进
[7]
水温度为32℃
图1显示了定流量和冷却水变流量情况下,相对于名义工况下(即电耗指标为0.626kWRT)的COP随部分负荷的变化情况。
COP主要与三个因素有关,负荷率、流量和冷凝器的进水温度。
在定流量情况下,一方面由于制冷剂流量调节导致制冷效率变化,另一方面由于环境温湿度的下降,导致冷凝器进水温度和冷凝温度有所降低,冷水机组的制冷效率有所提高,两者的综合效果是当部分负荷率在不低于40%~50%时,冷水机组的性能系数随部分负荷率的下降而有所提高
。
况下系统的电功耗,显然,在定流量情况下虽然主机
的电功率随负荷的减少而下降,但水泵的电功率不随负荷而变。
中间两条曲线分别为变流量情况下冷水机组的电功率和系统的电功率,可见,虽然主机的电功率较定流量情形略有增加,但水泵的能耗则有了显著的减少,使得系统的总能耗较定流量时有一定的减少
。
图2
冷却水变流量时电耗随负荷的变化
图1 变流量COP与定流量COP比较
在部分负荷或非名义工况下,冷却水变流量时,由于这里采用了冷凝温度控制法,流量的变化与负荷率呈非线性关系,在70%的负荷率处,流量降到了其下限,COP出现拐点,其后在流量不变的情况下,COP上升,直到在50%的负荷率以下,与定流量情形一样,出现急剧下降。
COP与对应的定流量相比,变化幅度较大,最大降幅超过10%,流量每降低10%,COP降低1.4%左右。
显然,流量急剧减少的影响大大高于部分负荷时室外气温的降低。
图3 不同功率冷却水泵节能效果比较
图3分别比较了当冷却水泵相对于主机的电功率为10%和20%时,冷却水变流量引起的节能率随部分负荷的变化情况,此节能率为相对于额定工况下主机和水泵的总电功率。
为便于考察全年的节能情况,还以一典型的负荷分布(见图4)为例进行了计算,离心式机组的冷却水最小流量可达设计流量的25%~35%,计算时取35%。
当冷却水泵相对于主机的电功率为10%和20%时,相对于一机一泵组成的系统,全年的节能率分别为3.8%和10.5%。
可见,当水泵相对于冷水机组的功率较大时,节能效果相当明显。
[8]
4 冷凝温度控制法的综合节能效果
尽管冷却水变流量对于冷水机组的COP有较大的负面影响,但更重要的是要了解变流量对整个系统的综合影响。
图2显示了冷却水泵相对于制冷机的额定电功率为15%时,冷却水变流量对于制冷机和空调系统能耗的影响。
最下面的曲线为定流量情况下制冷机的电功耗,最上面的曲线为定流量情
情况下,这一负面影响较对于水泵节能的正面影响
还是要小,水泵相对于冷水机组的电功率越大,这种负面影响就愈小,节能效果就愈佳。
虽是对离心式冷水机组进行分析得到的结论,但也适用于其它类型压缩机的冷水机组。
参考文献
2 曾振威.节能不能因小失大—兼与《集中空调冷却水系统的节能运行》商榷.暖通空调,2002,32(4):
32~33
图4 某空调系统负荷时间频数分布
3 孙一坚.关于集中空调冷却水系统节能运行—评《节能不能因小失大》.暖通空调,2003,33
(2):
39
4 GordonJM,NgKC,ChuaHTetal.Howvaryingcondensercoolantflowrateaffectschillerperformance:
thermodynamicmodelingandexperimentalconfirmation.AppliedThermalEngi-neering,2000,(20):
1149~1159
5 HawladerMN,LiuBM.Numericalstudyofthethermal-hydraunicperformanceofevaporativenaturaldraftcoolingtow-er.AppliedThermalEngineering,2002,(22):
41~596 TraneCenTraVa
10001
7 ARI550590~1998
减小冷却水量,提高冷凝温度,对冷水机组可能带来的不利影响是增加冷凝器和冷却水管道中的结垢速度,冷却水流速的减少使得其冲刷能力有所下降,对于冷却水系统的清污除垢提出了新的要求。
5 结语
以冷凝器出水温度作为控制变量,是一种简便
可行的节能控制方法。
在部分负荷或非名义工况下,均可降低冷却水泵的能耗。
在应用冷凝温度控制方法时,冷却水变流量对于冷水机组COP的负面影响不可忽略。
不过,一般
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- 水冷 冷水机组 冷凝 温度 控制 研究