变流量冷却技术在高效中央空调机房系统建设中的应用研究

黎志峰

（广州海源机电安装有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

高效的中央空调机房系统建设是目前较为常见的中央空调系统节能改造方式。建设高效的中央空调机房，通过对空调主机、水泵等能耗较高的核心设备进行优化，采用能效更高的节能产品来替换高耗能设备。通过科学优化监测及控制系统的运行，有效降低中央空调系统的能耗。

变流量冷却技术作为高效中央空调机房建设中的一项技术，研究对象是一直被行业所忽视的冷却水系统。一直以来，在高效中央空调机房系统建设过程中，往往把关注的重点放在冷水机组、冷冻水系统及系统与末端系统的联动，如冷冻水系统的变流量控制、冷冻水系统的精准监控、高效节能的冷水机组、更高效的冷冻水与末端联动控制等，并没有深入挖掘冷却水系统的节能潜力。为了满足社会对中央空调系统日益增长的节能要求，在高效中央空调机房建设过程中，应将目光投向中央空调机房的各个系统，通过对各个系统进行优化及搭配，实现空调机房的最大化节能。因此，冷却水系统更应得到重视，从而挖掘出更多的可能性。

1 变流量冷却技术节能原理分析

以往出于项目投资的考虑，中央空调冷却水系统多采用定流量设计，即水泵采用定频泵。冷却塔使用的是传统单机对单塔的运行方式，即一台冷水机组对应一台冷却塔。控制方式多使用台数控制，即中央空调系统根据运行负荷来确定开启的冷水机组台数，同时开启对应数量的冷却塔及冷却水泵（见图1）。上述的冷却水系统仅能通过控制冷却塔的台数来适应空调负荷的变化，节能效果相对较差。

随着人们对中央空调系统能耗的关注度越来越高，更多针对中央空调系统节能的新技术喷涌而出。变流量冷却技术也运用到实际项目中，取得很好的节能效果，并为中央空调系统的节能改造提供技术保障。

变流量冷却技术是一项在不同的环境温度、不同的负荷条件下，通过改变冷却水系统的流量来实现冷却水系统节能运行的技术（见图2）。变流量冷却技术真正实现了“风水联动”。变流量冷却技术包括冷却塔的风量可变，即冷却塔使用的风机是可调速的变频风机，能根据实际运行需求来调整冷却塔风量。变流量技术也包括冷却水系统的流量可变，冷却水输送系统能根据负荷的变化来调节冷却水的流量［1］。

图 冷却塔台数控制

图2 冷却水塔变风量控制

变流量冷却技术是通过冷却塔的变风量运行来降低冷却塔的运行功率，从而降低能耗。变流量冷却技术改变了以往冷却塔与冷水机组一一对应的设计逻辑。冷却塔根据运行负荷的变化，实行变风量控制，多台冷却塔低频率运行，在增大冷却系统的风量及冷却塔的换热面积，改善换热效果的同时，冷却塔风机还能实现低速运转，运行噪音明显下降。虽然是多台冷却塔同时运行，但由于冷却塔处于低频率运转的状态，总体运行功率更低，能耗更小。在更低的冷凝温度下，可减少系统的冷却水流量，配套使用变频冷却水泵，来实现变冷却水流量运行。在同样的扬程下，更低的冷却水流量能有效降低冷却水泵的运行功率，从而实现系冷却水系统的节能。随着冷却系统的风量及冷却塔的换热面积的增大，系统的冷凝温度有所降低，冷水主机的运行效率更高［2］。根据国内主流品牌的螺杆机、离心机冷水机组的运行数据可知，机组的主机冷凝温度降低2 ℃，冷水机组的运行效率可提升6%以上。

2 变流量冷却技术节能的技术核心

对变流量冷却技术节能原理进行分析后可知，在中央空调系统中采用变流量冷却技术的节能效果主要体现在两个方面。一是采用变频技术来实现部分负荷时设备运行功率的下降，主要为冷却水泵、冷却塔（注：此处暂忽略变频冷水机组的节能影响）。二是采用变流量冷却技术使冷水机组的冷凝温度下降，从而使冷水机组的运行效率提升，最终实现节能的效果。

从节能效果的贡献程度来分析，因冷水机组冷凝温度下降而达到的节能效果要大于变频技术运用使设备运行功率下降来实现的节能效果［3］。通过空调制冷原理图（P-H 图）来分析如何通过降低冷水机组的冷凝温度来实现系统运行效率的提升（见图3）。

图 空调制冷原理图

单位容积制冷量qv的计算公式见式（1）。

比容积功增加w0v的计算公式见式（2）。

制冷系数ε的计算公式见式（3）。

式中：h1为与吸气状态对应的比焓值，kJ/kg；h2为压缩机排气状态制冷剂的比焓值，kJ/kg；h3为冷凝压力对应的饱和液状态所具有的比焓值，kJ/kg；h4为节流后湿蒸汽对应的比焓值，kJ/kg；v1为制冷剂在吸气状态时的比体积，m3/kg；w0为理论比功，kJ/kg。

当系统的冷凝温度升高时，冷水机组的制冷系数（ε）会快速减小，能耗也会随之增加。反之，当系统的冷凝温度降低时，冷水机组的制冷系数（ε）会快速增加，能耗也会随之降低。

根据以上计算分析可知，降低冷水机组的冷凝温度能有效提升冷水机组的制冷系数，然而冷水机组的冷凝温度不能无限度降低。中央空调冷凝器是通过冷却塔进行换热的，而冷却塔与冷水机组是通过冷却水循环来实现换热的，也就是说冷水机组冷凝温度的下限值跟冷却水进水温度（冷却塔出水温度）有关。通过冷却水与大气换热，从而使冷却水降温，冷却水出水温度的极限值为大气的湿球温度值，冷却塔出水温度越接近大气的湿球温度，则冷却水系统的换热效果越好，系统的冷凝温度也越低。一般情况下，冷却塔的出水温度与大气湿球温度的差值称为逼近度。逼近度越小，冷水机组的冷凝温度就越低，冷水机组的效率就越高。

3 变流量冷却系统的技术要求

变流量冷却技术应用的关键设备包括冷水机组、冷却水泵、冷却塔等，而要实现变流量冷却技术节能效果则是通过“冷却系统的风水联动”。

水方面主要是指冷却水的变流量运行，冷却水变流量运行主要通过变频冷却水泵来实现。一方面，要求冷水机组能在不同的冷却水流量下能正常运行。市场上主流品牌的冷水机组基本上都能实现冷却水在额定流量的40%～120%范围内稳定运行。另一方面，要求冷却塔要在低冷却水流量时，仍能均匀布水，使冷却水能充分换热，从而实现降低冷却塔出水温度的目的。相对于冷水机组的变流量运行这一成熟技术来说，冷却塔在低冷却水流量下均匀布水看似简单，实则技术难度不低。一般的冷却塔均为定流量设计，在流量降低时无法做到布水均匀。冷却塔在低水量时，非变流量冷却塔布水不均会导致浪费大量的换热面积，同时空气也会在没有水的位置发生短路，导致看似是低负荷且变流量运行，但因换热效果不佳，无法降低系统的冷凝温度，系统的能效并没有得到改善。因此，对采用变流量冷却技术的冷却塔，要求冷却水在只有原设计30%时仍能布水均匀，从而能有效降低出水温度。这就要求冷却塔具有冷却水自动平衡功能，从而解决冷却塔水流量不均的难题。通过流量平衡调控系统，核算出每台开启的冷却塔应承担的水量，平均分配给对应的冷却塔，从而实现系统平衡。具备冷却水自动平衡功能，是实现“冷却系统风水联动”的关键因素之一。

风方面主要是冷却塔的变风量运行，通过变频风机辅以合理的控制逻辑，在部分负荷条件下，摒弃过往定频冷却塔的台数控制方式［4］，改为低风量多台冷却塔低频运行模式，充分利用冷却塔系统的换热面积，降低冷却塔的运行功率。要求冷却塔能够自动适应运行环境，根据不同的负荷、冷却水流量等参数来调节系统的风量，优化系统换热，从而实现“冷却系统的风水联动”。

综上所述，尽管在变流量冷却系统实现的系统节能中，贡献最大的是冷水机组，其次是冷却水泵，最后是冷却塔，但要想真正实现变流量冷却系统节能效果的技术难点却是冷却塔。为实现变流量冷却技术既定的节能期望，选用的冷却塔必须具备以下功能。①具有冷却水自动平衡功能。确保在低冷却水流量下冷却塔能均匀布水，且要核算出开启的每台冷却塔应承担的水量，平均分配给对应的冷却塔，从而实现系统平衡。②能自动适应运行环境，可根据不同的负荷、冷却水流量等调节系统的风量，优化系统换热。

4 变流量冷却技术的实际应用方案

变流量冷却技术能有效提升中央空调水系统的节能效果，具有较高的推广价值。然而，一项新技术的应用通常会造成项目投资费用的增加。根据项目投资的不同，变流量冷却技术的应用方案有以下3种。

4.1 变频式冷水机组+变频冷却水泵+变风量冷却塔+控制系统

该方案适合预算充足，且对中央空调系统能效有很高要求的项目。就冷却水系统而言，该方案在现有的技术条件下，能最大限度地发掘冷却水系统的节能潜力，是变流量冷却技术真正意义上的“风水联动”。该类型项目一般配合使用冷冻水变流量控制及先进的群控系统，从而实现中央空调系统高效节能。该类型项目的缺点是项目投资费用高，尽管节能效果好，但还要充分考虑项目的投资回收期。

4.2 定频式冷水机组+变频冷却水泵+变风量冷却塔+控制系统

该方案适合预算充足，且对中央空调系统能效有较高要求的项目。就冷却水系统而言，在现有技术条件下，该方案能较大限度发掘冷却水系统的节能潜力，从而实现变流量冷却技术的“风水联动”。冷却水系统和群控系统可根据实际情况进行搭配，也能较好地实现节能效果。在容量较大、设备台数较多的系统中，可仅采用变流量冷却技术就能得到较好的节能效果。根据项目的投资预算，该方案可搭配不同形式的冷冻水系统及控制系统，从而得到不同的节能效果。

4.3 定频式冷水机组+定频冷却水泵+变风量冷却塔+控制系统

该方案比较适合系统较大，具有多台冷却塔的中大型中央空调系统的改造项目。通过对冷却塔的更换，辅以变风量控制，能较好地降低部分负荷时空调系统的冷凝温度，在提高冷水机组运行效率的同时，进一步提高系统的节能性。项目要求使用具有变风量功能的冷却塔，配合简单的冷却塔风冷控制系统即可实现。该项目具有投资小、改造难度低、效果较好的优点。特别适合冬暖夏热的地区和全年空调运行时间长、部分负荷运行时间长的地区，具有较高的推广价值。

5 变流量冷却技术实际应用效果分析

5.1 广东省人民政府大院5 号楼中央空调机房主要设备及管道改造项目

该项目为高效机房改造工程，项目于2017 年实测综合EER 值为5.31，获得清华大学建筑节能中心颁发的“公共建筑节能最佳实践案例”奖。该项目采用变流量冷却技术，设备配置为变频螺杆式冷水机组、变频水泵、变风量冷却塔。该项目在夏季高负荷期间，冷却塔进出口温度实测为35.2/29.8 ℃，大气湿球温度为27.7 ℃，冷却塔出口温度与大气湿球温度差值为2.1 ℃，比设计差值4.3 ℃降低了2.2 ℃，冷水机组的实测效率提升了7%。

5.2 广州地铁某站冷却系统改造项目

该项目属冷却水系统的改造工程项目。该项目采用的是变频冷却水泵及变风量冷却塔来替换原系统定频冷却水泵及普通冷却塔。从监控室读取的数据可知，当日大气湿球温度为27.7 ℃；冷却塔进出水温度为35.2/29.8 ℃，冷却水进出水温差为5.4 ℃；冷却水逼近度为2.1 ℃（冷却塔出水温度29.8 ℃-当日大气湿球温度27.7 ℃）；原系统设计冷却水逼近度为4.3 ℃（冷却塔出水温度32 ℃-当日大气湿球温度27.7 ℃）。改造后的冷却水系统的逼近温度比系统原设计的逼近度降低了2.2 ℃，冷水机组节能实测超过6.5%。

5.3 广州白天鹅宾馆空调项目

该项目采用变流量冷却技术。2015 年9 月29日16 时，该项目所在地的实时大气湿球温度为25.4 ℃，冷却塔进出水温度为32.9/27.9 ℃，逼近度为2.5 ℃（冷却塔出水温度27.9 ℃-当日大气湿球温度25.4 ℃），实时机房能效比为5.87。2016年11月8 日12 时，当地实时大气湿球温度为19 ℃，冷却塔进出水温度为26.2/21 ℃，逼近度为2 ℃（冷却塔出水温度21 ℃-当日大气湿球温度19 ℃），实时机房能效比为6.44（以上数据收集自项目节能检测系统）。

通过以上3 个项目实例可知，降低冷却塔出水温度与大气湿球温度的逼近度，能有效提高中央空调系统的能效比，从而提高系统的节能效果。而变流量冷却技术的核心目标正是降低空调系统的冷凝温度。通过对冷却水系统的“风水联动”，从而降低冷却塔出水温度（冷水机组冷却水进水温度），使其尽可能地逼近大气湿球温度，从而优化系统的能效比。同时，从以上项目实例中可以发现，变流量冷却技术在过渡季节的节能效果更加突出。以往在过渡季节时，经常会出现过渡季节供冷，尽管实际空调冷负荷不高，可中央空调系统的能耗却不会有较大的降低。如果把变流量冷却技术运用到中央空调系统中，能有效提高中央空调机房的能效比，从而达到更好的节能效果。

6 结语

冷却水系统因技术简单、设备造价低，一直被业内人员忽视。通过项目实际改造案例分析，发现优秀的冷却水系统能为整个空调机房系统的性能优化带来巨大帮助，且具有投资少、效果优、回报快的优点。因此，变流量冷却技术在中央空调节能改造项目中具有较高的推广价值，也为中央空调节能改造提供一种新的技术选择。随着社会发展，未来社会对中央空调系统的节能要求会进一步提高，变流量冷却技术必将运用到更多的实际项目中。