張鴻強(qiáng) 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司辦公室

1 引言

水冷式空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制中，冷卻水溫度的調(diào)節(jié)控制對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行起著非常關(guān)鍵的作用，冷卻水溫度升高1℃，整個(gè)冷水機(jī)組的能耗增加3%左右，但是，降低冷卻水溫度的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)能耗的增加，如何尋找到不同負(fù)荷下系統(tǒng)的最佳效率工作點(diǎn)則是冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。對(duì)于閉式冷卻循環(huán)系統(tǒng)來說，在保證冷卻效果的同時(shí)，在不同的工況環(huán)境下，噴淋泵與風(fēng)機(jī)采用智能化聯(lián)動(dòng)控制運(yùn)行還是普通獨(dú)立模式運(yùn)行帶來節(jié)能效果對(duì)比則是本文討論的重點(diǎn)。

2 項(xiàng)目概況

在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)是按滿負(fù)荷工況運(yùn)行，冷卻塔容量、循環(huán)水泵以及風(fēng)機(jī)配備的依據(jù)為上海夏季最高溫度最大容量要求；然而在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，只有夏季較短的數(shù)十天才會(huì)出現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)運(yùn)行工況相符合的情況，在一般情況下精密空調(diào)系統(tǒng)都會(huì)處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

客專調(diào)度樓冷卻循環(huán)系統(tǒng)需要全年不間斷運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，精密空調(diào)水系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況只占20%～25%，而部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況則占到了75%～80%，水系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵就是在部分負(fù)荷情況下能夠有效的減小能耗，進(jìn)而降低整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗。

（1）2016 年為解決客專調(diào)度樓精密空調(diào)冷卻水系統(tǒng)單路運(yùn)行不可靠的隱患，作為總公司督辦項(xiàng)目將原有的精密空調(diào)系統(tǒng)分成2 套，獨(dú)立存在、并聯(lián)運(yùn)行，避免單路供水存在的安全隱患，確保精密空調(diào)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）在確保精密空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行前提下，系統(tǒng)運(yùn)營能耗也是集團(tuán)公司關(guān)注的重點(diǎn)，為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)的運(yùn)營能耗，局辦機(jī)關(guān)服務(wù)所會(huì)同申鐵杰能公司對(duì)客專調(diào)度樓精密空調(diào)水循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了細(xì)仔的調(diào)查、分析并對(duì)精密空調(diào)冷卻循環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

3 精密空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)模型計(jì)算和選擇

由于智能控制系統(tǒng)本身是對(duì)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)的，然后由建立的模型選擇能耗最優(yōu)的情況確定策略。其能耗數(shù)學(xué)模型以冷卻水系統(tǒng)最優(yōu)工作點(diǎn)的選取及各設(shè)備總能耗最小為目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式為：

式中：Pcow為冷卻水系統(tǒng)總能耗，kW；Pcow1為精密空調(diào)機(jī)組能耗，kW；Pcow2為冷卻塔能耗，kW；Pcow3冷卻水泵能耗，kW；

冷卻水系統(tǒng)中各設(shè)備間相互耦合，若想求得總能耗最小值，需要了解各設(shè)備之間的關(guān)系來約束上式。其約束條件為：

式中：Cw為水的定壓比熱容，Kj/(kg.℃)；ρw為水密度，kg/m3；Pw為精密空調(diào)負(fù)荷，kW；ΔΤcα為冷卻塔冷幅，℃；fcow為冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率，Hz。

尋找冷卻水系統(tǒng)最優(yōu)工作點(diǎn)的過程就是“最小值”控制問題，即冷卻水系統(tǒng)總能耗為冷卻水泵、精密空調(diào)機(jī)組、冷卻塔能耗總和的最小值，所有設(shè)備的能耗都受冷卻塔出水溫度的影響，若以冷卻塔出水溫度為被控對(duì)象，在確定工況下，不斷降低冷卻塔的出水溫度，可以提高冷機(jī)的COP，減少精密空調(diào)機(jī)組能耗。但是隨著冷卻塔出水溫度的降低，冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和了冷卻水泵轉(zhuǎn)速都會(huì)提高，增加其能耗。相反，若升高冷卻塔出水溫度，會(huì)降低冷機(jī)的 COP，增加精密空調(diào)機(jī)組能耗，但是冷卻水泵和冷卻塔能耗會(huì)降低。根據(jù)冷卻塔能耗、冷卻水泵能耗、精密空調(diào)機(jī)組能耗和冷卻水系統(tǒng)總能耗隨冷卻塔出水溫度、冷卻塔出水流量變化的趨勢曲線，如圖1、圖2 所示，分析單一設(shè)備變頻時(shí)冷卻水系統(tǒng)的總能耗變化。

圖1 冷卻水系統(tǒng)能耗隨冷卻塔出水溫度變化趨勢

圖2 冷卻水系統(tǒng)研究個(gè)能耗隨冷卻塔出水流量變化趨勢

從圖1 中可以看出，冷卻塔和冷卻水泵的能耗隨著冷卻塔出水溫度的升高而降低，精密空調(diào)機(jī)組的能耗隨著冷卻塔出水溫度升高而升高，在冷卻塔出水溫度的變化區(qū)間內(nèi)，一定存在一個(gè)冷卻塔出水溫度對(duì)應(yīng)著總能耗最低點(diǎn)，也就是系統(tǒng)的最優(yōu)工作點(diǎn)。

從圖2 中可以看出，冷卻塔和冷卻水泵的能耗隨著冷卻塔出水流量的增大而增大，而精密空調(diào)機(jī)組的能耗隨著冷卻塔出水流量的增大而減小，而在整個(gè)變化區(qū)間內(nèi)，同樣存在一個(gè)冷卻塔出水流量對(duì)應(yīng)著總能耗的最低點(diǎn)。

通過上述模型的建立，得到冷卻塔機(jī)組的能耗消費(fèi)情況，根據(jù)能耗消費(fèi)情況選定合理的智能節(jié)電系統(tǒng)的模型。

3.1 系統(tǒng)智能控制進(jìn)化調(diào)節(jié)

在具體的應(yīng)用過程中，通過各個(gè)傳感器采集所需的循環(huán)水溫度、環(huán)境溫濕度變化情況結(jié)合設(shè)定的溫度需求，從數(shù)據(jù)模型庫里快速匹配出最佳運(yùn)行方案，直接將最合理的運(yùn)行參數(shù)給控制器，控制器按此調(diào)節(jié)負(fù)載，確保冷卻塔始終處于最優(yōu)化、最節(jié)能、最合理的運(yùn)行狀態(tài)，以最小的能耗滿足循環(huán)水系統(tǒng)使用要求，達(dá)到節(jié)能的目的。具體智能控制管理系統(tǒng)流程見圖3。

圖3 智能控制管理系統(tǒng)流程圖

利用自動(dòng)控制技術(shù)，精確調(diào)節(jié)冷卻參數(shù)運(yùn)行在合理區(qū)間對(duì)節(jié)能降耗至關(guān)重要，在不同負(fù)荷、不同工況下冷卻塔的控制策略及控制精度直接影響著系統(tǒng)能耗。通過分析冷卻水系統(tǒng)各工況（不同負(fù)荷、濕球溫度和兩器溫差）下的進(jìn)化調(diào)節(jié)，尋找冷卻系統(tǒng)的最佳效率工作點(diǎn)，記錄該工況下的最佳工作點(diǎn)，建立并完善該工況下的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)庫，以此來不斷進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)高效運(yùn)行。

3.2 風(fēng)機(jī)噴淋泵的控制

在該項(xiàng)目的前期設(shè)計(jì)中，風(fēng)機(jī)與噴淋系統(tǒng)的控制是獨(dú)立控制，兩者之間無任何關(guān)聯(lián)，風(fēng)機(jī)與噴淋泵并不能形成聯(lián)動(dòng)啟?？刂疲\(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)機(jī)與噴淋泵錯(cuò)位運(yùn)行的現(xiàn)象，致使冷卻塔的散熱達(dá)不到最佳的散熱效果。

在項(xiàng)目的優(yōu)化調(diào)節(jié)中對(duì)此進(jìn)行了優(yōu)化，可根據(jù)不同的天氣條件進(jìn)行聯(lián)動(dòng)啟?；蛘邍娏鼙玫莫?dú)立控制。風(fēng)機(jī)噴淋泵的工作都是為了冷卻循環(huán)水進(jìn)行降溫，但2 種模式下的能源消耗是不一樣的，因此根據(jù)不同的環(huán)境進(jìn)行不同模式的運(yùn)行能取得不同的效果。

（1）風(fēng)機(jī)噴淋的智能聯(lián)動(dòng)啟停

溫度傳感器采集到的總管回水溫度值與優(yōu)化設(shè)定溫度進(jìn)行比較，檢測溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間較短的風(fēng)機(jī)的低速檔，同時(shí)也啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的噴淋泵。

風(fēng)機(jī)（噴淋泵）運(yùn)行后，如果檢測溫度低于設(shè)定溫度時(shí)延時(shí)一段時(shí)間后，則停止運(yùn)行時(shí)間最長的風(fēng)機(jī)，如果運(yùn)行時(shí)間最長的風(fēng)機(jī)處于高速運(yùn)行，則把高速降為低速，檢測一段時(shí)間后溫度仍然低于設(shè)置溫度，則停止該風(fēng)機(jī)和噴淋泵。

（2）獨(dú)立模式

獨(dú)立模式則主要用于氣溫較低的冬季或者過渡季節(jié)，因室外溫度較低，冷卻系統(tǒng)無需較大的散熱量，而噴淋泵的功率較小，故優(yōu)先啟動(dòng)噴淋泵系統(tǒng)，進(jìn)行獨(dú)立模式的運(yùn)行，保證散熱效果的同時(shí)投入設(shè)備運(yùn)行能耗最小。

根據(jù)運(yùn)行時(shí)間的長短順序進(jìn)行風(fēng)機(jī)（噴淋泵）啟動(dòng)和停止，確保各設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的均衡性，避免部分設(shè)備運(yùn)行時(shí)間長，而部分設(shè)備運(yùn)行時(shí)間短甚至閑置的情況。

4 節(jié)能效果數(shù)據(jù)對(duì)比分析

系統(tǒng)改造投運(yùn)后，于2019 年的5 月18 日至5 月30 日，對(duì)客專調(diào)度樓精密空調(diào)的1#水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了為期12 天的節(jié)能效果對(duì)比測試。將1#系統(tǒng)采用智能優(yōu)化控制方式即冷卻塔風(fēng)機(jī)與噴淋泵聯(lián)動(dòng)控制，而將2#系統(tǒng)采用風(fēng)機(jī)與噴淋泵分開控制的方式進(jìn)行能耗對(duì)比。1#系統(tǒng)和2#系統(tǒng)所分配熱負(fù)荷如表1 所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果1 號(hào)系統(tǒng)一共48 臺(tái)，2 號(hào)系統(tǒng)一共38 臺(tái)，還有13 臺(tái)精密空調(diào)的兩個(gè)壓縮機(jī)分別接入1#和2#系統(tǒng)，我們將其功率進(jìn)行了均分。

表1 1#系統(tǒng)和2#系統(tǒng)熱負(fù)荷分配表

通過在相同時(shí)間、相同地點(diǎn)、相同氣象環(huán)境下，進(jìn)行的節(jié)能效果對(duì)比測試。記錄相關(guān)設(shè)備的耗電量得出了的測試數(shù)據(jù)，對(duì)比分析能耗，得出智能聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下的控制策略的節(jié)電率。其分析結(jié)果如表2 所示。

表2 節(jié)能情況統(tǒng)計(jì)計(jì)算表

5 結(jié)論

這次節(jié)能改造的效果是非常顯著的，證明利用智能聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下的控制策略是能夠?qū)崿F(xiàn)冷卻塔節(jié)能的。從實(shí)際運(yùn)行情況分析，在保證冷卻水溫滿足工藝要求的情況下，10 月份至次年5 月份環(huán)境溫度較低時(shí)，若實(shí)施聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下的控制策略；10 月份至次年5 月份運(yùn)行243 天計(jì)算，減少耗電約44116 kW·h，單位電費(fèi)0.956 元/kW·h，僅1#水系統(tǒng)年節(jié)約電費(fèi)是4.21 萬元。故此，按客專調(diào)度樓常年兩套水循環(huán)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，每年可節(jié)約電費(fèi)約8 萬余元。由此可見，其節(jié)能性是明顯的，且延長了冷卻塔電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

在目前節(jié)能減排的大環(huán)境下，冷卻塔節(jié)能至關(guān)重要。對(duì)于已經(jīng)運(yùn)行多年的已有冷卻塔進(jìn)行改造，更換落后、低效能的零部件，優(yōu)化冷卻塔的運(yùn)行管理，采取智能聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下的控制策略，以合理的方式使風(fēng)機(jī)、噴淋聯(lián)動(dòng)并隨冷卻塔的負(fù)荷變化而變化，匹配合適的加減載幅度，獲得17.3%的節(jié)電率，達(dá)到安全節(jié)能的目的。