客专调度楼精密空调冷却系统节能改造及效果分析

张鸿强 中国铁路上海局集团有限公司办公室

1 引言

水冷式空调系统的调节控制中，冷却水温度的调节控制对整个系统运行起着非常关键的作用，冷却水温度升高1℃，整个冷水机组的能耗增加3%左右，但是，降低冷却水温度的同时会导致冷却系统能耗的增加，如何寻找到不同负荷下系统的最佳效率工作点则是冷却系统调节的关键。对于闭式冷却循环系统来说，在保证冷却效果的同时，在不同的工况环境下，喷淋泵与风机采用智能化联动控制运行还是普通独立模式运行带来节能效果对比则是本文讨论的重点。

2 项目概况

在项目的设计中，系统设计时是按满负荷工况运行，冷却塔容量、循环水泵以及风机配备的依据为上海夏季最高温度最大容量要求；然而在实际运行时，只有夏季较短的数十天才会出现实际运行工况与设计运行工况相符合的情况，在一般情况下精密空调系统都会处于部分负荷运行状态。

客专调度楼冷却循环系统需要全年不间断运行。据统计，精密空调水系统满负荷运转的情况只占20%～25%，而部分负荷运转的情况则占到了75%～80%，水系统节能的关键就是在部分负荷情况下能够有效的减小能耗，进而降低整个空调系统的能源消耗。

（1）2016 年为解决客专调度楼精密空调冷却水系统单路运行不可靠的隐患，作为总公司督办项目将原有的精密空调系统分成2 套，独立存在、并联运行，避免单路供水存在的安全隐患，确保精密空调系统的安全稳定运行。

（2）在确保精密空调水循环系统设备的安全、稳定运行前提下，系统运营能耗也是集团公司关注的重点，为了进一步降低系统的运营能耗，局办机关服务所会同申铁杰能公司对客专调度楼精密空调水循环冷却系统进行了细仔的调查、分析并对精密空调冷却循环控制系统进行了优化改进。

3 精密空调水循环系统模型计算和选择

由于智能控制系统本身是对冷却水系统进行优化调节的，然后由建立的模型选择能耗最优的情况确定策略。其能耗数学模型以冷却水系统最优工作点的选取及各设备总能耗最小为目标函数，表达式为：

式中：Pcow为冷却水系统总能耗，kW；Pcow1为精密空调机组能耗，kW；Pcow2为冷却塔能耗，kW；Pcow3冷却水泵能耗，kW；

冷却水系统中各设备间相互耦合，若想求得总能耗最小值，需要了解各设备之间的关系来约束上式。其约束条件为：

式中：Cw为水的定压比热容，Kj/(kg.℃)；ρw为水密度，kg/m3；Pw为精密空调负荷，kW；ΔΤcα为冷却塔冷幅，℃；fcow为冷却塔风机频率，Hz。

寻找冷却水系统最优工作点的过程就是“最小值”控制问题，即冷却水系统总能耗为冷却水泵、精密空调机组、冷却塔能耗总和的最小值，所有设备的能耗都受冷却塔出水温度的影响，若以冷却塔出水温度为被控对象，在确定工况下，不断降低冷却塔的出水温度，可以提高冷机的COP，减少精密空调机组能耗。但是随着冷却塔出水温度的降低，冷却塔风机转速和了冷却水泵转速都会提高，增加其能耗。相反，若升高冷却塔出水温度，会降低冷机的 COP，增加精密空调机组能耗，但是冷却水泵和冷却塔能耗会降低。根据冷却塔能耗、冷却水泵能耗、精密空调机组能耗和冷却水系统总能耗随冷却塔出水温度、冷却塔出水流量变化的趋势曲线，如图1、图2 所示，分析单一设备变频时冷却水系统的总能耗变化。

图1 冷却水系统能耗随冷却塔出水温度变化趋势

图2 冷却水系统研究个能耗随冷却塔出水流量变化趋势

从图1 中可以看出，冷却塔和冷却水泵的能耗随着冷却塔出水温度的升高而降低，精密空调机组的能耗随着冷却塔出水温度升高而升高，在冷却塔出水温度的变化区间内，一定存在一个冷却塔出水温度对应着总能耗最低点，也就是系统的最优工作点。

从图2 中可以看出，冷却塔和冷却水泵的能耗随着冷却塔出水流量的增大而增大，而精密空调机组的能耗随着冷却塔出水流量的增大而减小，而在整个变化区间内，同样存在一个冷却塔出水流量对应着总能耗的最低点。

通过上述模型的建立，得到冷却塔机组的能耗消费情况，根据能耗消费情况选定合理的智能节电系统的模型。

3.1 系统智能控制进化调节

在具体的应用过程中，通过各个传感器采集所需的循环水温度、环境温湿度变化情况结合设定的温度需求，从数据模型库里快速匹配出最佳运行方案，直接将最合理的运行参数给控制器，控制器按此调节负载，确保冷却塔始终处于最优化、最节能、最合理的运行状态，以最小的能耗满足循环水系统使用要求，达到节能的目的。具体智能控制管理系统流程见图3。

图3 智能控制管理系统流程图

利用自动控制技术，精确调节冷却参数运行在合理区间对节能降耗至关重要，在不同负荷、不同工况下冷却塔的控制策略及控制精度直接影响着系统能耗。通过分析冷却水系统各工况（不同负荷、湿球温度和两器温差）下的进化调节，寻找冷却系统的最佳效率工作点，记录该工况下的最佳工作点，建立并完善该工况下的运行参数数据库，以此来不断进行系统的优化调节，确保系统高效运行。

3.2 风机喷淋泵的控制

在该项目的前期设计中，风机与喷淋系统的控制是独立控制，两者之间无任何关联，风机与喷淋泵并不能形成联动启停控制，运行中经常出现风机与喷淋泵错位运行的现象，致使冷却塔的散热达不到最佳的散热效果。

在项目的优化调节中对此进行了优化，可根据不同的天气条件进行联动启停或者喷淋泵的独立控制。风机喷淋泵的工作都是为了冷却循环水进行降温，但2 种模式下的能源消耗是不一样的，因此根据不同的环境进行不同模式的运行能取得不同的效果。

（1）风机喷淋的智能联动启停

温度传感器采集到的总管回水温度值与优化设定温度进行比较，检测温度高于设定温度时，启动运行时间较短的风机的低速档，同时也启动对应的喷淋泵。

风机（喷淋泵）运行后，如果检测温度低于设定温度时延时一段时间后，则停止运行时间最长的风机，如果运行时间最长的风机处于高速运行，则把高速降为低速，检测一段时间后温度仍然低于设置温度，则停止该风机和喷淋泵。

（2）独立模式

独立模式则主要用于气温较低的冬季或者过渡季节，因室外温度较低，冷却系统无需较大的散热量，而喷淋泵的功率较小，故优先启动喷淋泵系统，进行独立模式的运行，保证散热效果的同时投入设备运行能耗最小。

根据运行时间的长短顺序进行风机（喷淋泵）启动和停止，确保各设备运行时间的均衡性，避免部分设备运行时间长，而部分设备运行时间短甚至闲置的情况。

4 节能效果数据对比分析

系统改造投运后，于2019 年的5 月18 日至5 月30 日，对客专调度楼精密空调的1#水循环系统进行了为期12 天的节能效果对比测试。将1#系统采用智能优化控制方式即冷却塔风机与喷淋泵联动控制，而将2#系统采用风机与喷淋泵分开控制的方式进行能耗对比。1#系统和2#系统所分配热负荷如表1 所示，统计结果1 号系统一共48 台，2 号系统一共38 台，还有13 台精密空调的两个压缩机分别接入1#和2#系统，我们将其功率进行了均分。

表1 1#系统和2#系统热负荷分配表

通过在相同时间、相同地点、相同气象环境下，进行的节能效果对比测试。记录相关设备的耗电量得出了的测试数据，对比分析能耗，得出智能联动状态下的控制策略的节电率。其分析结果如表2 所示。

表2 节能情况统计计算表

5 结论

这次节能改造的效果是非常显著的，证明利用智能联动状态下的控制策略是能够实现冷却塔节能的。从实际运行情况分析，在保证冷却水温满足工艺要求的情况下，10 月份至次年5 月份环境温度较低时，若实施联动状态下的控制策略；10 月份至次年5 月份运行243 天计算，减少耗电约44116 kW·h，单位电费0.956 元/kW·h，仅1#水系统年节约电费是4.21 万元。故此，按客专调度楼常年两套水循环系统同时运行，每年可节约电费约8 万余元。由此可见，其节能性是明显的，且延长了冷却塔电动机的使用寿命。

在目前节能减排的大环境下，冷却塔节能至关重要。对于已经运行多年的已有冷却塔进行改造，更换落后、低效能的零部件，优化冷却塔的运行管理，采取智能联动状态下的控制策略，以合理的方式使风机、喷淋联动并随冷却塔的负荷变化而变化，匹配合适的加减载幅度，获得17.3%的节电率，达到安全节能的目的。