王佳韻

奧雅納工程咨詢(xún)（上海）有限公司

0 概述

傳統(tǒng)上冷卻水泵一般定頻運(yùn)行，當(dāng)負(fù)荷側(cè)變化時(shí)，冷卻水泵流量保持不變，冷卻塔進(jìn)出水溫相應(yīng)變化，冷卻水溫差變小，冷機(jī)冷凝器出水溫度降低。近年來(lái)由于對(duì)環(huán)保節(jié)能的要求提高，如 《綠色建筑節(jié)能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》等國(guó)家規(guī)范一般對(duì)大功率設(shè)備的用電設(shè)備提出變頻控制要求。然而冷卻水泵如何變頻，冷卻水泵變頻對(duì)整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能是否有利，卻成為比較有爭(zhēng)議性的話題[1]。

常規(guī)冷卻水泵變頻的做法包括：

1）定溫差變頻——控制冷卻水環(huán)路的溫差，調(diào)節(jié)冷卻水泵頻率，使冷卻水進(jìn)出水溫差不變。

2）根據(jù)冷機(jī)負(fù)荷變頻——冷卻泵的頻率根據(jù)冷機(jī)負(fù)荷變化而調(diào)節(jié)，當(dāng)冷機(jī)負(fù)荷率下降，水泵頻率也隨之等比下降。

通常來(lái)說(shuō)，冷卻水溫每升高1 ℃，制冷效率就降低2%～3%。因此如果只考慮水泵變頻節(jié)能，卻不考慮水溫變化對(duì)機(jī)組能效的影響，未必就能起到很好的節(jié)能效果。甚至因?yàn)樗米冾l的低流量導(dǎo)致冷卻水側(cè)換熱不充分，冷卻水溫度保持在較高水平，從而增大了冷機(jī)能耗，雖然減少了冷卻水泵能耗，系統(tǒng)總能耗卻增大，得不償失。

本文將結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，采用由英國(guó)開(kāi)發(fā)的建筑能耗模擬軟件 Integrated Environmental Solution Virtual Environment 2021（下文將簡(jiǎn)稱(chēng)為VE）對(duì)建筑與空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，并由此分析冷卻水泵變頻是否對(duì)冷源系統(tǒng)總能耗帶來(lái)正面影響。

1 研究方法與研究模型

1.1 建筑模型的建立

在 VE 中搭建項(xiàng)目的虛擬模型與空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)架，結(jié)合清華大學(xué)與中國(guó)氣象局實(shí)測(cè)的 CSWD（Chinese Standard Weather Data）氣象文件進(jìn)行仿真模擬。

研究項(xiàng)目為上海一棟超高層酒店，建筑高度242.8 m，層高51 m，塔樓頂部為設(shè)備機(jī)房，裙房及塔樓34層以上部分酒店。宴會(huì)廳、餐廳、會(huì)議室等酒店功能區(qū)主要集中在裙房部分。酒店部分面積約26000 m2。由于已經(jīng)有實(shí)際建筑圖紙，模型將根據(jù)建筑圖進(jìn)行簡(jiǎn)化搭建。

墻體、屋面、幕墻等建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)系數(shù)，將參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》G B50189中3.3節(jié)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計(jì)中夏熱冬冷地區(qū)的甲類(lèi)公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能限值選取。表 1為建筑模型的基本設(shè)置信息。

表1 建筑信息設(shè)定

所建立的模型截圖如圖 1所示，塔樓非酒店部分已簡(jiǎn)化處理。

圖1 酒店項(xiàng)目簡(jiǎn)化模型

酒店主要功能房間包括：酒店客房、公共走道、宴會(huì)廳、多功能廳、會(huì)議室、餐飲、廚房。按經(jīng)驗(yàn)選取設(shè)計(jì)參數(shù)，具體設(shè)定如表2：

表2 不同功能房間參數(shù)設(shè)定

根據(jù)以上設(shè)定的建筑物理信息，與房間設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合上海氣象參數(shù)進(jìn)行仿真模擬?？梢缘玫奖卷?xiàng)目冷負(fù)荷峰值負(fù)荷 3956.31 kW，出現(xiàn)時(shí)刻為 8 月 2 日13:30。

1.2 系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)仿真模擬所得峰值冷負(fù)荷，結(jié)合酒店自身需求，設(shè)置3臺(tái)冷水機(jī)組。每臺(tái)容量為：380RT?？紤]裙房與塔樓距離的差距（酒店塔樓在34層以上），酒店空調(diào)水系統(tǒng)采用二次泵變流量系統(tǒng)。常規(guī)來(lái)說(shuō)，從節(jié)能角度考慮，一般項(xiàng)目如冬季有供冷需求，則都會(huì)設(shè)置免費(fèi)供冷板換，采用冬季的冷卻水為免費(fèi)冷源，為項(xiàng)目供冷。由于這個(gè)設(shè)計(jì)比較常見(jiàn)，本文仿真模擬時(shí)會(huì)將免費(fèi)冷卻系統(tǒng)一并考慮在內(nèi)。

由于本文主要討論冷卻水側(cè)的能耗，且二次泵流量與能耗由末端決定，一次泵定流量運(yùn)行，啟停與冷機(jī)連鎖，冷凍水泵本身的運(yùn)行與能耗對(duì)冷卻側(cè)鮮有影響，因此二次側(cè)水泵配置與能耗，暫且在本文內(nèi)不表。

根據(jù)峰值負(fù)荷，模型內(nèi)整個(gè)冷源系統(tǒng)冷機(jī)與冷卻側(cè)配置如表3：

表3 冷水機(jī)組與冷卻側(cè)系統(tǒng)配置

酒店冷源24小時(shí)運(yùn)行。對(duì)于末端系統(tǒng)的設(shè)定，由于對(duì)系統(tǒng)形式對(duì)冷源側(cè)能耗影響不大，將統(tǒng)一簡(jiǎn)化為風(fēng)機(jī)盤(pán)管 +獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)，末端的運(yùn)行時(shí)間表將參考《公共建筑建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》G B50819，附錄B中相關(guān)設(shè)定。

常規(guī)冷卻水泵變頻控制有兩種模式：1）定溫差變頻。2）根據(jù)冷機(jī)負(fù)載率變頻控制。本文將模擬三種工況下的8760小時(shí)的冷卻水側(cè)能耗與主機(jī)能耗，三種工況即：

1）冷卻水泵定頻運(yùn)行模式：水泵定頻運(yùn)行，并與冷機(jī)、冷卻塔連鎖，當(dāng)冷機(jī)及冷卻塔臺(tái)數(shù)減少，冷卻水泵也相應(yīng)關(guān)閉。

2）冷卻水泵變頻運(yùn)行模式 1：控制冷卻水環(huán)路的溫差，調(diào)節(jié)冷卻水泵頻率，使冷卻水進(jìn)出水溫差不變，保持在5℃。

3）冷卻塔變頻運(yùn)行模式 2：冷卻泵的頻率根據(jù)冷機(jī)負(fù)荷變化而調(diào)節(jié)，水泵頻率隨著冷機(jī)負(fù)荷率下降等比下降。

根據(jù)描述的系統(tǒng)形式與主機(jī)配置，在VE中構(gòu)建的仿真系統(tǒng)模型如圖2：

圖2 酒店冷源測(cè)模型

2 模擬結(jié)果分析

對(duì)于三種冷卻水系統(tǒng)控制策略仿真模擬的主機(jī)與冷卻水側(cè)設(shè)備全年能耗總結(jié)如表4：

表4 不同控制模式冷卻側(cè)全年能耗對(duì)比

其中，這三種不同控制模下冷機(jī)與冷卻水側(cè)的分項(xiàng)能耗分別為表5：

表5 不同控制模式冷機(jī)與冷卻側(cè)能耗與差值

由表5可知，雖然采用冷卻水泵變頻控制策略導(dǎo)致冷機(jī)能耗增大了 4.4%～4.6%（50～53 kW），但冷卻側(cè)水泵+風(fēng)機(jī)的能耗卻減少了30%(約172～176 kW)。因此總得來(lái)說(shuō)，冷卻水變頻控制帶來(lái)的收益要大于損失。

由全年耗電量可進(jìn)一步求得冷源與冷卻側(cè)的全年電費(fèi)。單位電費(fèi)根據(jù)上海非居民商業(yè)電價(jià)夏季為0.713元/kWh，非夏季為0.690元/kWh 計(jì)算。與定頻模式相比，兩種變頻工況節(jié)省的能耗及電費(fèi)，及相應(yīng)的節(jié)能率、單位面積節(jié)電量總結(jié)為表6：

表6 不同控制模式總結(jié)對(duì)比表

對(duì)比表4，表 5及表6中變頻模式1與變頻模式2冷源與冷卻水側(cè)兩種變頻模式的全年耗電量，可知兩者的結(jié)果幾乎一致。這也很好理解，因?yàn)閷?shí)際上控制頻率與冷機(jī)部分負(fù)荷的比例不變，就相當(dāng)于控制流量與部分負(fù)荷的比例不變，而負(fù)荷與流量、溫差的關(guān)系為Q=cmΔt，最終也相當(dāng)于控制溫差保持不變。相對(duì)定頻模式來(lái)說(shuō)，兩種變頻控制模式的節(jié)能率均在 7%左右。冷卻水泵變頻控制策略帶來(lái)的單位建筑面積節(jié)電量大約在4.73 kWh/m2。圖 3為變頻控制模式1、2每個(gè)月相對(duì)于定頻控制模式減少的能耗比例?？梢钥闯觯?～9月采用冷卻水變頻控制節(jié)能比例相對(duì)較低，均低于5%，平均僅4.25%。因此，可以說(shuō)冷卻水變頻控制更適合全年供冷的項(xiàng)目類(lèi)型。

圖3 變頻控制逐月節(jié)能比率

對(duì)于非全年供冷的建筑（如采用兩管制空調(diào)水系統(tǒng)的項(xiàng)目），采用冷卻水變頻控制模式，節(jié)能潛力相對(duì)更小，但其收益依然可觀。市面上知名品牌的變頻器單價(jià)約在300～400元/kW，本項(xiàng)目在VE中設(shè)定的冷卻水泵裝機(jī)總用電量為66 kW。因此可以得出全年供冷與非全年供冷的項(xiàng)目為冷卻水泵增加變頻器的初投資計(jì)算得投資回收期分別為表7：

表7 不同供冷模式下投資回收期

不論是全年供冷或者僅夏季供冷的建筑，表 7 給出的投資回收期均在1年以?xún)?nèi)，而不同品牌的變頻器的壽命則在 5～10年不等，由此可得出結(jié)論：冷卻水泵變頻控制是一項(xiàng)投資低，而收益高的性?xún)r(jià)比較高的節(jié)能措施。

3 冷卻水泵變頻控制的其他考慮

除從能耗的角度考慮是否采取冷卻水泵變頻控制的運(yùn)行策略外，還有其他實(shí)際因素同樣制約冷卻塔變頻控制的應(yīng)用。仿真模擬中冷卻塔為理想模型，其運(yùn)行工況處于理想條件。因此，V E不能反應(yīng)實(shí)際工況下，冷卻塔流量下降對(duì)冷卻塔本體熱力性能的影響。冷卻水流量過(guò)低對(duì)冷卻水系統(tǒng)帶來(lái)的負(fù)面影響有多篇論文[3-5]曾經(jīng)論述，總結(jié)如下：

1）冷卻水流速過(guò)低會(huì)加速水環(huán)路和設(shè)備管道的結(jié)垢。

2）冷卻水量過(guò)低會(huì)導(dǎo)致冷卻塔填料干涸，并導(dǎo)致填料結(jié)垢堵塞，降低冷卻塔的換熱效率和使用壽命。

3）在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)冷卻塔處理水量下降，淋水密度降低，冷卻塔的冷卻效果會(huì)急劇下降。

冷卻水系統(tǒng)結(jié)垢問(wèn)題，可以通過(guò)加藥、軟化處理或者增大補(bǔ)水量降低濃縮倍數(shù)實(shí)現(xiàn)，然而淋水密度過(guò)低帶來(lái)的熱力性能下降則不易解決。由此可知，冷卻水流量不能過(guò)低。推薦的橫流塔的淋水密度宜為20～26 m3/ (m2h)，逆流塔的淋水密度宜為 10～16 m3/ (m2h)[7]。如果按照嚴(yán)格按照規(guī)范推薦值限制冷卻水流量變化，則允許的變化率橫流塔約在0～23%左右，逆流塔在0～37.5%之間。目前市場(chǎng)上的主流廠家給出的冷卻塔可以接受的流量下限推薦值橫流塔為 70%，逆流塔為 50%，這是在采用調(diào)整布水器設(shè)計(jì)，可以讓冷卻塔更適應(yīng)變流量系統(tǒng)的前提下能接受的冷卻塔最小流量。

如果按照冷卻塔變流量的下限值分別為70%（橫流塔）和 50%（逆流塔）對(duì)計(jì)算結(jié)果重新進(jìn)行修正，使用變頻泵的系統(tǒng)全年能耗，節(jié)能率與投資回收期分別為表8：

表8 修正后冷卻變流量控制節(jié)能率與投資回收期

由表8的結(jié)果可知，即便考慮了冷卻塔實(shí)際能接受的最小流量，冷卻水泵變頻控制依然是節(jié)能的。采用逆流塔的冷卻水系統(tǒng)，節(jié)能率 1.5%，節(jié)省費(fèi)用 1.88萬(wàn)元，投資回收期為1.2年。對(duì)于采用橫流塔的系統(tǒng)，限定了最冷卻水系統(tǒng)低流量為 70%后，節(jié)能率降低到0.8%，投資回收期 2.4 年，相對(duì)于采用逆流塔系統(tǒng)，冷卻水泵變頻控制節(jié)能效果更差，也需要更長(zhǎng)時(shí)間才能收回增加變頻器安裝的投資成本。

4 結(jié)論

從節(jié)能角度來(lái)看，毫無(wú)疑問(wèn)，采用冷卻水泵變頻控制是節(jié)能的，冷卻水流量減少對(duì)冷機(jī)性能的負(fù)面影響始終要小于水泵變頻帶來(lái)的節(jié)能收益。然而需要注意的是，冷卻水流量過(guò)低會(huì)對(duì)冷卻塔熱力性能和使用壽命帶來(lái)不利影響。實(shí)際應(yīng)用中，冷卻水泵變流量控制其流量變化范圍不宜過(guò)大，相應(yīng)的，其冷卻水變頻控制的節(jié)能潛力也因此受限，每平方米節(jié)省的耗電量大約在0.5～1 kW/m2之間。