高温水源工况下带冷却塔预冷的制冷机房控制策略研究

蒋小强，关志强，李 敏

（1.广东海洋大学工程学院，广东湛江 524025；2.广东石油化工学院，广东茂名 525000）

近年来，许多地区出现持续高温，江湖水温度也不断攀升。对于水源制冷机房而言，高温水源冷却水直接进入冷水机组工作，就导致冷凝温度升高，冷凝压力上升，从而导致制冷机工作效率大幅度下降。如何有效降低高温水源工况下的制冷机房总能耗，是当前空调行业有待解决的问题之一。许多研究表明，降低冷凝温度可有效提高制冷机的能效比。而降低冷凝温度，将依赖于冷却水温度的降低[1-3]。如果先对高温水源冷却水进行预冷，然后再送入冷水机组，将可降低机组冷凝温度，提高制冷机工作效率。预冷的方式可能有很多，在本文中主要考虑采用冷却塔进行预冷。但这种预冷方式相对无预冷的制冷系统却增加了冷却塔能耗。从总能耗来看，是否节能还有待进一步分析。同时，如果可实现节能，那么水温达到何值时进行预冷即预冷的转换点温度、预冷终温取何值最节能?对于变风量冷却塔，还存在最节能的最佳冷却塔风量。本文将探讨这些问题。

1 制冷机房能耗模拟平台

为了得到不同情形下的制冷机房总能耗，本文将分别建立带冷却塔预冷的制冷机房模拟平台和常规制冷机房模拟平台。限于篇幅，这里仅给出带冷却塔预冷的制冷机房模拟平台示意图，见图1。

图1中所示的冷水机组为最大制冷量1406.8kW的螺杆式冷水机组，额定功率为254kW；选用一台扬程为30m、额定流量为80kg/s的变速冷却水泵，额定功率为34.5kW；选用一台扬程为42m、额定流量为67kg/s的变速冷冻水泵，其单台水泵额定功率为40kW（未考虑备用泵），冷水机组模型的构建及验证见参考文献 [4]。

同时，为便于定量比较结果，假设干湿球温差保持为4.5℃不变，干球温度高于水源温度保持在2℃不变，即湿球温度总比水源温度低2.5℃。

图1 带冷却塔预冷的水源制冷机房模拟平台

2 结果及分析

对于变频水泵而言，在不同工况下，制冷机房的冷却水流量可能不一样。根据本课题组前期的研究工作，不同工况下的最佳冷却水流量可根据冷却水进水温度和冷水机组的负荷率决定，计算方法见式 （1），相关研究见文献 [5]、[6]。

其中a、b、c和d分别表示负荷率、冷却水进水温度，冷却水流量和冷冻水流量。下文的能耗计算，将在假设负荷率固定为0.85的情况下进行。对于常规制冷机房和带冷却塔预冷的制冷机房总能耗而言，由于水源温度和负荷率相同，故冷冻水侧流量相同，冷冻水泵能耗相同，故在能耗比较中就不计入冷冻水泵能耗。

2.1 常规无预冷制冷机房总能耗

根据本课题组对上海某地表水温度的测试结果，水温可高达37℃左右。为了探讨带预冷制冷机房是否节能的问题，这里考虑的普遍情况，先假设水源温度冷却水进水温度为 34℃，负荷率为0.85，根据式 （1）所示冷却水和冷冻水两侧协同流量解耦控制公式，可计算得出最佳冷却水流量和冷冻水流量分别是：69.19kg/s和58.37kg/s。通过如图1所示的模拟平台，可计算得此时制冷机房总能耗为292.77kW。

2.2 带预冷制冷机房总能耗

对于带预冷制冷机房的总能耗，将由冷水机组、变频冷却水泵和冷却水塔的变频风机三部分能耗组成 （不计冷冻水泵能耗）。当冷水机组负荷率为0.85和水源温度为34℃（此时，假定干球温度为36℃，湿球温度为31.5℃），制冷机房能耗的计算过程如下：

教学中的“动”是指讲解、朗读、讨论、表演、操作，是“有声有形”的教学；“静”是指学生的讲解、朗读、观察、思考、想象，是无声的世界。教学中的“动”是活跃课堂气氛，例如：笔者在教学北师大教材二年级语文下册《小山羊和小灰兔》一文时，不仅让学生分角色对读，而且还让学生进行表演。这样既激发了学生兴趣，又能使学生保持注意力收到了很好的教学效果。“静”则有利于学生思维的深入。教学中“动”多“静”少，表面上热热闹闹，但学生的思维很少参与学习，学习效果肯定不好；“静”多“动”少，则学生容易疲劳，不能有效利用“静”的时间。

（1）先根据水源温度和负荷率，对冷却水和冷冻水两侧流量进行解耦计算；

（2）根据冷却水流量和室外干、湿球温度以及冷却塔能耗模型，对冷却水出口 （冷却塔）温度和冷却塔风机能耗进行计算；

（3）根据冷却水 （出冷却塔）温度 （此时即为冷凝器的冷却水进水温度）、负荷率和上述 （1）计算得到的冷却水流量和冷冻水流量 （虽然此时进冷凝器冷却水温度变化了，但不再根据此温度进行流量解耦，否则将陷于不断的循环中，过程变得极其复杂），计算制冷机房设备总能耗。

由于采用变频风机，因而在不同冷却塔风量下，带预冷的制冷机房总能耗不一样，具体的计算结果及与常规制冷机房总能耗的比较见图2。

图2 34℃的冷却水经预冷和未预冷的制冷机房总功率比较图

从图2中可以看出，当水源温度为34℃时，带冷却塔预冷的制冷机房总能耗总小于未经预冷的制冷机房总能耗。同时可看出，在冷却塔风机相对风量从1下降至0.5时，制冷机房的总功率变化趋势是先下降后上升，当运行风量为名义流量的0.7左右时，制冷机房总功率达最小为287.54kW，最大节能量为5.23kW。未经冷却塔预冷的制冷机房总功率为292.77kW，采用冷却塔预冷方式制冷机房总功率 （冷却塔风量在100%-50%之间变化）均小于未预冷的总功率。这说明，采用预冷方式，可以降低制冷机房总功率。

2.3 不同水源温度对带预冷制冷机房能耗的影响

前面分析了在某高温工况下采用冷却塔预冷能降低制冷机房总功率，那是否任何水源温度下，采用冷却塔预冷均能取得节能效果?下文将分析不同水源温度下，预冷和未经预冷的制冷机房总功率。

为了分析不同水源温度下，采用预冷对制冷机房总功率的影响，这里再选取两个不同的工况 （共三个工况）进行考察，考虑到高温极端情况，取高温水源为37℃；考虑到常见夏季水温，取较高水温28℃分别进行能耗计算，再结合前节的34℃水温进行分析。模拟结果见图3和图4。

根据图3和图4，可以认为，当水源温度较高的情况下，采用冷却塔先对冷却水进行冷却可以降低制冷机房总功率。图4表明，当水源温度不够高时，采用冷却塔预冷未必能降低制冷机房总功率，当风量较大时，由于风机功率大，此时制冷机房总功率将超过没有预冷的制冷机房总功率，而当风机风量较小时，带预冷制冷机房总功率可能小于未预冷制冷机房总功率，此时可以实现节能的目的。

图3 37℃的冷却水经预冷和未预冷的制冷机房总功率比较图

图4 28℃的冷却水经预冷和未预冷的制冷机房总功率比较图

可以看出，决定带预冷制冷机房相对无预冷制冷机房是否节能，可能取决于两个因素，一是水源温度；二是冷却塔风机风量。

2.4 带预冷制冷机房运行参数的优化

前一节的研究得到了对于高温水源，冷却水先采用冷却塔进行预冷后再进入冷水机组工作，能实现制冷机房的节能。然而，其中还有两个问题，首先是当水源温度达何值时需要进行预冷才能实现节能；另外，预冷时，冷却塔风机风量取多大时，节能效果最好。

2.4.1 水源温度的预冷转换点分析

由于水源温度总在动态变化，何时有必要进行预冷，何时不必采用预冷，对于优化制冷机房的运行并降低总功率具有重要的指导意义。

根据图2～图4，可以看出，当冷却塔风机风量取名义风量的60%～70%左右时，制冷机房总功率最小，因而下文将在假定制冷机房负荷率为0.85和冷却塔相对风量取70%不变时，对不同气候参数条件下的制冷机房总功率进行计算和分析，结果见表1。

表1 水源温度变化对制冷机房总功率的影响

从表1中可以看出，在选定的工况条件下，带预冷制冷机房运行总功率与未预冷制冷机房运行总功率并不相同：当水源温度不高于24℃时，带冷却塔预冷的制冷机房总功率均大于未预冷机房总功率。这说明，此时宜采用未预冷的制冷机房。当水源温度高于24℃后，预冷机房总功率开始低于未预冷机房总功率，这说明此时在一定的冷却塔风机风量下，采用带预冷制冷机房可以实现节能。

那么在什么温度下适宜采用预冷制冷机房的工作模式?根据表1所示的当水源温度超过24℃时预冷即可能实现节能。现先考察水源温度为21℃时预冷制冷机房和未预冷制冷机房总功率，结果见图5。可以看出，无论冷却塔风机风量多少，采用冷却塔预冷的制冷机房总功率总大于未预冷的制冷机房总功率。这说明，当水源温度低于21℃时，不宜进行预冷。

图5 21℃的冷却水经预冷和未预冷的制冷机房总功率比较图

图6 33℃的冷却水经预冷和未预冷的制冷机房总功率比较图

根据图2和3所示，当水源温度在34℃以上，带预冷制冷机房总功率总小于未预冷制冷机房总功率，且随水源温度升高，总功率差值增大。现考察两者功率大小交叉的临界水源温度，显然，临界温度将小于34℃，且大于21℃。经过多次试验比较，可近似认为临界水源温度为33℃，该温度下的预冷和未预冷制冷机房总功率见图6。由图6可看出，不论冷却塔风机风量取何值，带冷却塔预冷的制冷机房总功率总小于未预冷制冷机房总功率。

根据图5和6所示预冷和未预冷制冷机房总功率值变化规律 （在低温水源和高温水源工况下），将存在一过渡区，即预冷和未预冷制冷机房总功率相交。由图5和6可以推测，此过渡区应该在水源温度为21℃～33℃之间。取水源温度26℃为例进行模拟，所得结果见图7。

图7 26℃的冷却水经预冷和未预冷的制冷机房总功率比较图

图7表明，当水源温度在某一确定范围内取值时，冷却塔风机风量取不同值，将决定带预冷制冷机房是否节能。可以推测，在高风量下，带预冷制冷机房总功率将大于未预冷制冷机房总功率；而当相对风量约在87%以下时，带预冷制冷机房总功率可实现节能，且存在最佳的风量使制冷机房总功率最小[7]。

需要说明的是，上述分析是基于负荷给定为0.85、干湿球温差保持为4.5℃不变、干球温度和水源温度温差保持在2℃不变的前提下得出的。当某一个参数发生变化，上述结论可能将随之改变。

2.4.2 预冷时冷却塔风量的优化

在图2和图3中，使制冷机房总功率最小的冷却塔运行风量约为名义风量的75%，而图5所示冷却塔最佳相对风量约为65%。这表明，对于变频冷却塔而言，其风机变频将存在一拐点使制冷机房总功率最小，此时对应的冷却塔风量即为最佳风量，且此拐点随其它参数变化而变化，即在不同水源温度或其他条件下，最佳风量的取值也不一样。因此，针对预冷时运行参数的优化，特别是冷却塔风机的变频调节方案将结合其他参数条件下进行。限于篇幅，本文不再进行具体分析。

3 小 结

（1）本文比较了不同水源温度下带冷却塔预冷的水源制冷机房和未带预冷的水源制冷机房总能耗，可以看出，在高温水源下，冷却水先经过冷却塔预冷后再进冷水机组工作，能有效降低制冷机房总功率。

（2）得到了水源制冷机房不同水温下的运行策略：当水源温度高于33℃时，采用冷却塔预冷可有效实现制冷机房节能且冷却塔风机存在最佳风速；当水源温度高于21℃但低于33℃时，带预冷制冷机房是否节能将与冷却塔风机风量取值有关；而当水源温度低于21℃时，带冷却塔预冷的制冷机房将更加耗能，不宜采用。

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