浅谈空调冷却水系统运行管理要点与节能措施

2021-05-25田家乐

建材与装饰 2021年14期

田家乐

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

0 引言

建筑能耗在总体能耗中所占比例非常大，而空调系统能耗在建筑能耗中又占比50%以上。因此，如何在空调系统中提高能源利用效率，充分利用能源、减小能源消耗成为当今一项重要课题。空调冷却水系统能耗在空调系统能耗中占15%～20%[1]，因此通过提高空调冷却水系统运行管理精细度和一些节能措施的应用，节能效果也是比较可观的。而且空调冷却水系统承担着制冷系统中冷水机组冷凝器冷凝热的运输排放工作，其运行效果直接关系到冷水机组的安全平稳运行以及空调系统的制冷效果。因此，通过加强冷却水系统的日常运行管理，完善系统运行状态，无论是对空调系统的正常运行还是降低系统能耗，都具有重要意义。

1 冷却水水质控制

1.1 冷却水水质带来的问题

作为冷却水系统的换热介质，冷却水水质直接关系冷却水系统各设备设施的正常运行。目前，空调系统冷却水水质标准一般参考《工业循环冷却水处理设计规范（GB/T 50050—2017）》。某公司冷冻站冷却水补水一般采用自备井水，其中的钙盐类离子浓度较高，未经处理的地下水在系统中随着长时间的运行，因为与空气的接触以及水的蒸发，导致水中溶解氧含量近乎饱和，钙离子会在冷却水管道内壁、阀门阀片、冷水机组冷凝器管束内壁以及冷却塔填料上析出结垢。另外，因为冷却水系统为开式系统，空气中的尘粒、微生物及藻类会随水流进入系统中，而冷却水温度一般介于28~37℃，比较适合微生物及藻类的滋生，尘粒、微生物及藻类会附着在冷却塔的填料以及冷水机组冷凝器管束内壁上，在形成污垢的同时，还会对金属管道产生电化学腐蚀，严重影响冷却塔、冷水机组冷凝器的换热及冷却水系统的运行安全。换热效率下降又将导致冷却水供水温度升高，造成冷水机组冷凝温度升高，机组能效比下降，功耗增加。当蒸发温度一定时，冷凝温度每增加1℃，压缩机单位制冷量的耗功率约增加3%～4%[2]。过高的冷凝压力甚至会导致冷水机组停机保护，对整个制冷系统带来不利影响。

1.2 控制冷却水水质的措施

目前冷却水水质的控制措施有物理水处理法和化学水处理法。

物理水处理法主要采用内磁型水处理器或电子型水处理器，将其安装在冷却水管道上，通过产生磁场或电场改变水分子的结构，使钙镁离子不能与碳酸根结合形成盐类析出，并且能够破坏垢分子的结合力，改变晶体结构使其自动剥落，从而达到控制水质的目的。水处理器具有使用简单，不需维护，空间占用小等优点，工程上应用比较广泛。

化学水处理法主要采用向冷却水系统投加药物处理。根据化验得出的水质情况，定期向冷却水系统投加杀菌灭藻剂、阻垢剂、缓蚀剂、预膜防腐剂等药物。自动加药装置可以大大降低人工加药的烦琐，加药泵自动以脉冲方式均匀的向冷却水系统注入药溶液，系统中的药剂浓度与人工加药相比比较均匀，水质更加稳定。

2 冷却塔的运行管理

2.1 冷却塔的运行控制

一般冷水机组与冷却塔一一对应设置并连锁运行，通过冷却塔台数控制来满足不同负荷的需求。在部分负荷运行时间里，一部分冷却塔风机不工作。若冷却塔进水管上未设置阀门或阀门失效，就会造成冷却水仍会流经风机不工作的冷却塔，从而造成未经充分降温的水与经过风机工作的冷却塔的出水合流，使进入冷水机组冷凝器的冷却水温度升高，降低了制冷机组的能效比，增加了制冷机组的电耗，并可能造成冷机冷凝压力升高而带来一系列衍生问题。所以，冷却塔的进水管上应设置阀门，并且在运行中应及时关闭风机不运行的冷却塔的进水阀门，防止冷却水短流。

表1 冷却塔出水温度限值推荐

表2 部分负荷工况冷却水泵变频节能率

台数控制的运行控制方式除了存在上述问题，还因为冷却塔风机台数变化的非连续性，可能造成冷却水温度的突变，影响系统稳定及冷机的运行效率，风机的频繁启停也会影响使用寿命。

随着电机变频技术的发展，冷却塔风机变频控制技术得到广泛应用。电机功率与转速和频率之间有如下关系：

式中：N2、N1-电动机功率；n2、n1-电动机转速；f2、f1-电动机频率。可见，电动机功率变化随转速和频率变化的三次方成正比，随着频率的降低，冷却塔风机功率将出现大幅降低。而且该控制技术可以让冷水机组与冷却塔不再一一对应启停，部分负荷工况下只需调节风机电机转速，调节更加线性，也可避免因运行管理不当或阀门故障导致冷却水短流的情况。

2.2 冷却塔的布置及飘水控制

冷却塔在布设过程中需要充分考虑换热条件，最优的布置方案是较为空旷的室外场地或屋面上。如果冷却塔周围有遮挡，也要保证足够的进风面积，开口净风速不大于2m/s。同时，在布置冷却塔时也要考虑防止冷却塔排风与进风短路的情况发生，尽量单排布置。冷却塔进风口侧与相邻建筑物的净距不小于塔进风口高度的2 倍，周围进风的塔间净距不小于塔进风高度的4倍[3]。

冷却塔在进行换热的过程中，空气会将一部分水滴带出冷却塔，造成冷却水的飘逸损失，同时对周围环境造成影响。因此，在选择冷却塔时，应严格控制冷却塔的飘水率，选择飘水率小于0.01%的冷却塔。对于现有冷却塔，为了减少飘逸损失，可以在冷却塔布水器上部加装收水器。经实践证明，收水器对冷却塔飘水损失具有很好的效果。

3 冷却水管道系统维护

冬季为了防冻，室外冷却水管道需要放空。放空后的冷却水管道因为空气的侵入，管道内壁非常容易生锈，在夏季重新加水运行时，剥落的锈皮及管道内的杂质将会堵塞冷却塔喷头和喷嘴。为避免发生上述问题，一般在冷却水管道放空之前对冷却水系统进行清洗、钝化，以便在管道内壁上形成保护膜，防止锈蚀的发生。

4 动态调整冷却塔出水温度

一般情况下，降低冷却塔出水温度，可以提高冷水机组COP，但过低的冷却水温，会造成电动压缩式制冷系统压缩比下降、运行不稳定、润滑系统运行不良，并出现停机保护；吸收式冷水机组在冷却水温过低的情况下容易出现结晶事故，造成机组停机保护。而且冷却塔出水温度过低，也造成冷却塔风机超需求运行，浪费了一定的运行能耗，经济性较差。因此，根据所处地区特点、天气变化、冷机负荷变化，合理调整冷却塔出水温度无论对制冷系统运行稳定性和经济性都有重要意义。一般情况下，冷却塔出水温度限值可按表1进行确定。

冷却塔出水温度的调节除了冷却塔风机的台数或风机变频控制外，还有冷却水管道旁通控制和冷却水泵变频控制。旁通控制法通过在冷却水供、回水管道之间设置旁通管，根据设定的冷却塔出水温度调节旁通阀来调节通过冷却塔的冷却水流量，从而控制冷却水的出水温度。但旁通控制法随着旁通阀开度的增加，系统的阻力系数减小，冷却水泵会出现超流量的情况。而冷却水泵变频控制可以实现水泵特性与管道特性更好的匹配。冷却水泵变频节能效果也比较可观，考虑设计冗余的情况下，一般的空调系统冷却水泵节能率可在50%以上。表2为某项目部分负荷条件下冷水机组和冷却水泵能耗情况。

从表2可以看出，冷却水泵变频调节在部分负荷工况下，即使考虑因冷却水流量的减小带来的冷水机组效率降低，总体上制冷系统总能耗依然有比较显著的降低，具有节能意义。

尽管变频调节可以带来节能收益，但冷却水泵变频调节要考虑冷却水流量的限值，不能小于冷水机组要求的最小冷却水量，以保证运行安全。