空调冷却水系统节能控制策略_杨露露

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暖通空调 ＨＶ＆ＡＣ ２０１３年第４３卷第４期
专题研讨
球温度ｔｓ、进塔水量 Ｑｉｎ和进塔风 量 Ｇｉｎ４ 个 因 素 作 为研究对象 （额 定 工 况 为：进 水 流 量 ７００ ｍ３／ｈ，风
量 １２２．７６ｋｇ／ｓ），研 究 各 个 影 响 因 素 对 冷 却 塔 出 水 温度ｔｏｕｔ的 影 响，并 将 ４ 个 因 素 作 为 自 变 量 因 子 进 行 线 性 回 归 ，如 表 ２ 所 示 。
专题研讨
暖通空调 ＨＶ＆ＡＣ ２０１３年第４３卷第４期
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空调冷却水系统节能控制策略＊
重庆大学 杨露露☆ 卢 军 唐红琴 四川省建筑设计院 王 曦 重庆大学 王 亮
摘要 基于实测对冷却塔出水 温 度 的 ４ 个 影 响 因 素 进 行 了 相 关 性 分 析，建 立 了 冷 却 塔 出 水温度统计模型，提出了最佳冷 却 塔 出 水 温 度 控 制 策 略。 结 合 某 实 际 工 程，在 冷 水 机 组、冷 却 水泵及风机的耗功率数学模型确 定 及 不 同 的 系 统 负 荷 率 及 室 外 湿 球 温 度 条 件 下，对 比 分 析 了 冷 却 水 系 统 在 ６ 种 不 同 运 行 控 制 策 略 下 的 能 耗 ，确 定 了 最 佳 控 制 策 略 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ｄａｔａ，ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｕｒ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｏｕｔｌｅｔ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｏｗｅｒ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ａ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ａｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｗｉｔｈ ａｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ｅｘａｍｐｌｅ，ｃｏｍｐａｒｅｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ
２７ ℃变化 到 ２５ ℃ 时，温 度 每 下 降 ０．５ ℃，其 节 能
率 最 高 分 别 可 达 ３．０％ ～４．９％ 。
在６０％ 负 荷 率 条 件 下，控 制 方 式 ４ 的 能 耗 最
图 ２ ９０％ 负 荷 率 下 各 种 控 制 方 式 系 统 运行能耗与湿球温度的关系
低，与控制方式６相比，当室外湿球温度从２７ ℃变 化到２５ ℃时，温度每下降０．５ ℃，其节能率最高可
达 ６．１％ 。
负 荷 率 为 ８０％ ～１００％ 时 ，采 取 控 制 方 式 ５，单
台 冷 却 塔 的 换 热 能 力 有 限 ，此 时 需 要 运 行 ２ 台 冷 却
塔才能满足控制要求。
４ 结 论
图 ３ ８０％ 负 荷 率 下 各 种 控 制 方 式 系 统 运行能耗与湿球温度的关系
不 同 负 荷 率 条 件 下 ，冷 却 塔 应 对 应 不 同 的 运 行 控制方式。负荷率１００％时，最 优 的 控 制 方 式 为 控 制方式２（定冷 却 水 进 出 水 ５ ℃ 温 差，求 最 佳 冷 却
℃（本文所研究工程冷源采用６ ℃供水、１３ ℃ 回水
的大温差型机组），且 冷 水 流 量 随 蒸 发 器 负 荷 变 化
时，冷凝器进水温度（冷却塔出水温度ｔｏｕｔ）、冷 凝 器 进水流量 Ｑｉｎ与机组 ＥＥＲ 之间的数学关系式；
２）确 定 冷 却 塔 出 水 温 度 统 计 模 型，得 出 冷 却
塔出水温度与冷却塔周围空气湿球温度ｔｓ、进 塔 水 量 Ｑｉｎ、进塔水温ｔｉｎ、进塔风量 Ｇｉｎ之间的关系式；
表 ２ 线 性 回 归 因 子
因子
范围
因变量 自变量
ｔｏｕｔ／℃ ｔｉｎ／℃
２７．０～３２．９ ２７．７～３９．０
Ｑｉｎ／（ｍ３／ｈ） Ｇｉｎ／（ｋｇ／ｓ）
２２５～７１２ ７３．６０～１２２．７６
ｔｓ／℃
２４．４～２７．４
采用 ＳＰＳＳ统计软件对输入数 据 进 行 分 析，结
果 见 表 ３。
表 ３ 因 子 相 关 性
制方式１～４，传统的定冷却塔出水温度控制（比室外 湿球温度高３ ℃）设为控制方式５。对不同控制方式
的运行能耗与冷却水泵及冷却塔在额定工况运行（控
制方式６）时 的 能 耗 进 行 比 较，找 出 在 不 同 外 界 条 件
（单台机组不同负荷率及室外湿球温度）下，一泵对一
塔运行方式时，冷却水系统的最佳控制方式。
素 ，其 次 是ｔｓ，Ｇｉｎ对ｔｏｕｔ影 响 最 小 。 因 此 排 出 因 子 的
主 次 顺 序 为 ：ｔｉｎ＞ｔｓ＞Ｑｉｎ＞Ｇｉｎ。
２ 定 冷 却 水 进 出 水 温 差 及 冷 却 塔 出 水 温 度 的 控 制
策略
２．１ 最 佳 冷 却 塔 出 水 温 度 的 控 制 策 略 冷却水泵采取定冷却水进出水温差 Δｔ（５ ℃或
表 ４ 冷 却 水 系 统 不 同 控 制 方 式
序号
控制方式
１ 定冷却水进出水６ ℃温差，求最佳冷却塔出水温度控制
２ 定冷却水进出水５ ℃温差，求最佳冷却塔出水温度控制
３ 定冷却水进出水４ ℃温差，求最佳冷却塔出水温度控制
４ 定冷却水进出水３ ℃温差，求最佳冷却塔出水温度控制
５ 定冷却水进出水５ ℃ 温 差，定 冷 却 塔 出 水 温 度 控 制 （比 室 外
３
流量３５０ ｍ３／ｈ，功率１１ｋＷ
１
三用一备 一用一备
１．２ 因 子 相 关 性
将冷却塔 的 进 塔 水 温ｔｉｎ、冷 却 塔 周 围 空 气 湿
式时，提出对 冷 却 水 泵 与 冷 却 塔 进 行 实 时 联 合 控 制，
即冷却水泵与冷却塔风机同时变频的控制逻辑，对不 同外界条件下，采取不同运行控制策略的冷却水系统 的能耗进行分析比较，最终得出优化控制策略。
①
★ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ
０ 引 言
１ 冷 却 塔 因 子 相 关 性 分 析
冷水系统变流量的节能性在业界已达成共识， １．１ 工程概况
并越来越多地应用到实际工程中。有关冷却水系
重庆市某教学楼选用了３台制冷量为２ ６３７ｋＷ
统变流量的问题，目前尚存在不同的看法。冷却水 的离心式冷水机组和１台制冷量为１ ０４４ｋＷ 的螺杆
湿球温度高３ ℃）
６ 冷却水泵及冷却塔额定工况运行控制
３．２ 不 同 控 制 方 式 下 运 行 能 耗 比 较
对 不 同 控 制 方 式 的 系 统 运 行 能 耗 进 行 计 算 ，得
到不同负荷条件下系统运行能耗与室外湿球温度
的 关 系 ，如 图 １～５ 所 示 。
图 １ １００％ 负 荷 率 下 各 种 控 制 方 式 系 统 运行能耗与湿球温度的关系
度 采 用 有 约 束 的 非 线 性 一 元 最 优 化 方 法 求 解度 ，使 系 统 运 行 能 耗 最 低 。
２．２ 参 数 确 定 １）冷凝器进水温度下限设定为 １９ ℃，上限为
３３ ℃ ； ［３－４］
２）冷却水泵的最低频率设为 ３０ Ｈｚ，因此，冷
从图１～５可以看 出，在 １００％ 负 荷 率 条 件 下， 控 制 方 式２的 能 耗 最 低 ，与 控 制 方 式６相 比 ，当 室
２０１３（４）
杨 露 露 ，等 ：空 调 冷 却 水 系 统 节 能 控 制 策 略
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在７０％～９０％ 负 荷 率 条 件 下，控 制 方 式 ３ 的
能耗最低，与控制 方 式 ６ 相 比，当 室 外 湿 球 温 度 从
４ ℃）控制，冷却塔为最佳出水温度ｔｏ 控制；通过对 冷 却 水 泵 及 冷 却 塔 的 风 机 进 行 变 频 控 制 ，使 得 在 某
一冷却塔出水温 度 下，机 组 功 率、冷 却 水 泵 及 冷 却
塔总耗功率达到最小值。具体控制原理如下：
１）确定 在 不 同 负 荷 率 下，冷 水 出 水 温 度 为 ６
关键词 冷却水系统 冷却塔出水温度 负荷率 湿球温度 控制策略
Ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ
Ｂｙ Ｙａｎｇ Ｌｕｌｕ★ ，Ｌｕ Ｊｕｎ，Ｔａｎｇ Ｈｏｎｇｑｉｎ，Ｗａｎｇ Ｘｉ ａｎｄ Ｗａｎｇ Ｌｉａｎｇ
系统存在机组、冷却水泵及冷却塔三者能耗耦合的 式冷水机组，对应配置６台冷却水泵（四大两小）和４
问题，因此，只有设计合理、控制性能好、管理得当， 台冷却塔（三大一小），设备参数如表１所示。
冷 却 水 变 流 量 系 统 才 能 发 挥 一 定 的 节 能 潜 力 ，并 得 到推广应用。机组蒸发器负荷及室外空气湿球温 度为变量，且无法 人 为 控 制，冷 却 水 泵 与 冷 却 塔 应 能 根 据 外 界 条 件 的 变 化 进 行 实 时 地 联 合 控 制 ，以 达 到冷却水系统的节能控制要求。
本文针对重庆市某教学楼集中空调系统节能改 造工程，冷却水系统采取一机对一泵及一塔的运行方
表 １ 冷 却 水 系 统 设 备 参 数
参数
数量／台 备注
冷却水泵 流 量７００ｍ３／ｈ，扬程３２ｍ，功率７５ｋＷ ４
流 量３５０ｍ３／ｈ，扬程３２ｍ，功率５５ｋＷ ２
冷却塔 流量７００ ｍ３／ｈ，功率２２ｋＷ
３）确 定 冷 却 水 泵 耗 功 率、冷 却 塔 耗 功 率 及 机
组耗功率模型；
４）使用 ＭＡＴＬＡＢ 的 优 化 计 算 方 法，建 立 冷
却 水 泵 耗 功 率 、冷 却 塔 耗 功 率 及 机 组 耗 功 率 与 冷 却
塔出水温度的函数关系式 ； ［１－２］
５）根据所建立的函数关系式对冷却塔出 水温
凝 器 进 水 流 量 允 许 范 围 设 为 ４０１～７０２ ｍ３／ｈ； ３）电动机最低频率为 ３０ Ｈｚ，因此，冷却塔 风
量 取 值 范 围 为 ７３．６～１２２．７６ｋｇ／ｓ。
３ 不 同 控 制 策 略 的 运 行 能 耗 比 较
３．１ 冷 却 水 系 统 的 控 制 方 式
最佳冷却水出水温度控制方式设为表４所示控
塔出水温度 控 制 方 式 ）；在 负 荷 率 为 ７０％ ～９０％，
实 测ｔｏｕｔ
ｔｓ
ｔｉｎ
Ｑｉｎ
Ｇｉｎ
实测ｔｏｕｔ １．０００ ０．６２９ ０．７５７ ０．３１０ ０．１２１
ｔｓ
０．６２９ １．０００ ０．４３９ ０．４４７ ０．４４７
ｔｉｎ
０．７５７ ０．４３９ １．０００ ０．０３３ ０．１４６
Ｑｉｎ
０．３１０ ０．４４７ ０．０３３ １．０００ ０．１５１
ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｓｉｘ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏａｄ ｒａｔｅｓ ａｎｄ ｏｕｔｄｏｏｒ ｗｅｔ ｂｕｌｂ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｃｈｉｌｌｅｒ，
＊ 重庆市教委科学技术研究项目（编号：ＫＪ１１０４２３）
① ☆ 杨露露，女，１９６６年１２月生，在读博士研究生，讲师 ４０００４５ 重庆大学 Ｂ 区城市建设与环境工程学院 （０２３）６５１２７６６１ Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｌｕｌｕ＠ｃｑｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
收 稿 日 期 ：２０１１－１１－０９ 一 次 修 回 ：２０１１－１２－１６ 二 次 修 回 ：２０１３－０３－０１
Ｇｉｎ
０．１２１ ０．４４７ ０．１４６ ０．１５１ １．０００
通过以上统计分析得出多元线性回归方程为
ｔｏｕｔ ＝０．３３１＋０．４３ｔｓ ＋０．５５２ｔｉｎ ＋０．００１Ｑｉｎ －
０．０１３Ｇｉｎ ＋ε （Ｒ２ ＝０．８４１）
（１）
式 中 ε 为 误 差 。
ｔｉｎ对ｔｏｕｔ的 影 响 最 大，它 是 影 响ｔｏｕｔ的 关 键 因
ｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｐｕｍｐ ａｎｄ ｆａｎ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｏｕｔｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｏｗｅｒ，ｌｏａｄ ｒａｔｅ， ｗｅｔ ｂｕｌｂ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ