冷冻水系统的节能设计

冷冻水系统的节能设计

众所周知冷冻水系统向来是耗能大户，特别是具有净化空调环境的工厂，其冷冻站耗能占全厂用电量1/3以上，人们一直以来都很重视它的节能问题。这里针对电制冷的系统简单从设计角度进行介绍。

冷冻水的解决方案制定对系统耗能影响很大，比如是定流量还是变流量系统。现在的研究偏向使用一次泵变流量系统，不仅考虑节能同时兼顾初投资。采用一次泵变流量系统，在水泵变流量范围内就可以直接与用户侧的流量相匹配，在流量变化范围内没有旁通量，这就意味着没有多余的能耗（冷水机组必须有相应负荷运行能力，同时对流量的反应足够快）。采用变频调速器来调节流量，节电率为20％～50％。另外冷水机组冷冻水供水温度和温差，冷却水供水温度和温差对冷水机组的制冷系数及水泵能耗产生直接的影响。提高冷冻水供水温度和降低冷却水温度都可以提高制冷系数，而增大供回水温差可相应降低水泵能耗。在负荷端允许时，当机组低负荷运行时提高冷冻水温设定值将会显著地降低电能消耗。大温差/小流量（低流量系统）不仅在满负荷下节能，在部分负荷下的节能趋势与满负荷相似，但节能效果更为显著，且可相应降低初投资。因此在满足用户使用要求的前提下，确定合理的参数对节能很有利。

设备选型方面通常大的电制冷冷冻水系统都是采用水冷冷水机组加冷却塔的组合。在此系统中冷水机组是节能的重点，一般它要占系统总能耗的60%，而水泵和冷却塔各占25%及15%。因此冷水机组的选择非常关键，选用高效节能冷水机组，单位制冷量能耗低的产品。在选用冷冻机时应考虑一次投资和经济运行费的综合分析，一般性能系数高的设备一次性投资大，但运行费用低。如全年运行时间长的制冷系统，运行费用高应选较高性能系数的设备。在一个大系统中选择单机制冷量时还应考虑用户的最小冷负荷应大于所选制冷机的最小冷负荷极限。有时因为这个原因在同一个系统中会采用两种机组，以求达到大范围的安全、高效运行。在相同情况下，应选用噪声低、初投资小、维护检修方便的机组。各种型号的制冷机组均有与之相适应的制冷负荷、供冷参数和不同的使用条件，因此根据具体情况选择相应机组。水冷冷水机组现今常采用螺杆式和离心式机组，离心式机组与螺杆式机组相比具有单机制冷量大，机械磨损小，机房占地面积小等特点。且其单机制冷量越大，单位制冷量的能耗越低，所以在工程中尽可能选用单机制冷量大的机组。如果在缺水地区可采用风冷冷水机组，但能耗相应较高。

其次是水泵，水泵产品以国产设备为主，如果业主有较高要求可选用进口泵，一般进

口泵性能优于国产泵，但价格较高。常用的有单级单吸离心泵，双吸单级离心泵。总的原则是选择效率高、运行可靠的泵。应根据系统压力最不利环节进行阻力计算，再加上合理的富裕后确定水泵扬程，水泵额定扬程过高会使水泵长时间偏离最佳效率点运转，从而增加能耗。如果存在几块差异比较大的使用点，应采用分区域供应的方式，能有效降低能耗。如果采用的是变频泵，一般采集主要使用点的水压信号对变频器进行调节，在满足使用要求的情况下降低水泵能耗。虽然变频泵节能效果明显，但并不是每个系统都适合变频泵，当系统负荷相对稳定或是只需要台数控制即能适应负荷变化，那么就没有使用变频泵的必要，一是增加了初投资，二是反而增加电能消耗。因为变频器部分也有一定的耗能。

冷却水循环泵通常采用定速泵，水泵部分的耗能不会因为部分负荷而降低，然而此时冷水机组的效率将有所提高，也就相应降低能耗。并且较低的冷却水温差也将有利于冷却塔的运行。在采用变频风机的冷却塔系统中，风机根据供回水温度信号调节转速，定流量情况下带来的低温差可相应使风机在低转速下运行也有利于节能。冷却塔的容量以冷却水循环量和冷却水设计温差为依据，根据当地的气象资料来选择。应首选效率高、低噪声的产品。在冷却塔布置时，应使其远离热源，且进风方向与常年风向一致。

散热与保温：冷冻站内各电机的散热，电机温度过高不仅效率会降低还有可能烧坏电机。就水泵而言通常在电机尾部有专门的风扇来散热（变频水泵一般配单独的电源供散热风扇）。而冷水机组的电机通常采用制冷剂直接冷却。为保证电机安全、高效运行，散热系统必不可少。另外，各转动设备的轴承也需要冷却，保证安全、高效运行。设计中应保证上述重点散热部位通风良好。冷冻站设备、管道保温直接影响系统能耗，需保温部分如果保温效果不佳，会使冷量白白损耗增加系统能耗。根据项目具体情况确定合理的保温材料参数对节能很有利。

系统设计及运行优化：机组与水泵的优化设计，如上所述使机组在较低的水流量下运行可以减少系统总能耗。但对给定的系统而言，存在一个水流量的最优点，此时的总投资（初投资加运行费用）最低。当然首先要满足使用要求，在设计中一般受到其限制。再说冷冻水泵运行，一般一次泵变流量系统水泵和冷水机组不是一一对应的。水泵直接由末端压差信号控制。如有三台水泵，当系统启动时一台水泵先以最低频率启动，如果不能满足压差设定值，则第二台水泵以最低频率加入，如果还不满足则第三台水泵也以最低频率加入。如果还未满足则三台水泵同频率上升加大流量，直到达到设定值。卸载时相反。冷水机组的台数控制是由投入机组的运行电流来控制。随着负荷的增加，冷水机组运行电流达到满载电流时，再投入一台机组，直到全部机组投入运行。反之，当机组的电流达到少开一台机组条件时，就关

闭一台。当然在几台机组同时运行时，各台机组的输出功率要根据实际情况确定。尽量使机组在最佳效率点附近运行节能效果明显。

机组与冷却塔的优化设计，首先要计算出机组和冷却塔的最优运行点（即最佳冷却水供水温度）。实际上冷却水的最佳温度取决于很多参数，如冷却负荷、空气的湿球温度、各设备的参数等。为将冷却水温度方便的调节至最优点，冷却塔须采用双速风机或VFD。最为重要的是应该通过智能控制系统将冷却塔与整个系统紧密结合。例如某系统中一台1550冷吨的离心式冷水机组在室外湿球温度18℃时的满负荷运行时的冷却水最佳温度为24℃。在机组载荷1160冷吨时，湿球温度14℃的条件下，冷却水最佳温度为21℃。而当机组在730冷吨，湿球温度在12℃时，冷却水最佳温度为18℃。现在有的冷冻机生产商已得出了某些型号机组的冷却水最佳温度方程式，有了它确定冷却水最佳温度成为可能。其次，冷却塔供水温度控制也很重要。我们主要讨论多台塔并联的情况，满载时没有讨论的必要，当系统在部分负荷运行时，比如两台主机和两台冷却塔，当只有一台冷水机组满载运行时，我们是运行一台还是两台冷却塔。对变频风机系统，计算可知运行两台冷却塔的能耗只有运行一台能耗的25%。对双速风机来说也有相应的增载和减载的控制顺序，同样有较好的节能效果。

根据统计结果显示冷冻水系统满负荷运行所占比例较低，大部分是在部分负荷下运行。因此提高部分负荷下的效率也是节能的关键，如何使系统适应负荷的变化对自控系统提出较高要求。优秀的控制系统要达到快、准、稳的标准。在负荷不断变化的情况下，及时调节系统运行状况，快速达到新的平衡且精度高、超调小、系统稳定性好。总的来说如何调节一个大系统中输出功率的分配相当重要，应尽量使每台机组在最佳效率点附近运行。如果涉及到台数控制，应避开单台机组的不安全或低效率运行区，且防止机组的频繁启停。要做到这些，系统需要反应灵敏、及时的测量环节，准确的负荷估算环节，正确的控制方案，合理的调节参数。测量环节应安装在主要使用点附近，尽量真实的反映负荷的变化。根据项目的具体情况对负荷变化的特点进行分析，如果系统带有负荷估算环节要使两者尽量吻合。至于调节参数一般采用工程整定的方法获得，应尽量获取与系统最匹配的调节参数。特别是在复杂系统中，这直接影响调节品质，同样会影响系统能耗。

总之冷冻水系统的节能设计不仅包括系统方案的选择、各设备的选型、控制系统的设计，还包括对负荷的分析等诸多方面，系统的配置只是机房设计的一部分，而系统优化运行对于设备能耗具有很重要的影响。