1. 引言

对大中型空调系统而言，水冷式冷水机组是采用得最为普遍得冷源。据统计，冷水机组的能耗占到整个中央空调系统能耗的30％以上。因此制冷机房的节能成为日益关注的话题。做为整个制冷机房节能计划的一部分，冷却水温度的优化控制对于冷水机组和冷却塔的综合能耗的下降，有着积极的意义。

目前国内的设计标准工况都把冷却水供回水温度定义为32～37°C的运行范围。这是因为我们国家在冷冻机性能测定或者说冷量的测定是在冷却水温度32°C进入冷凝器，37°C出冷凝器这样的工况下定义的。但制冷机在实际投入使用后，有90％以上的时间是运行在非设计工况下的。 此时，不但制冷机组的工作负荷与设计工况下的负荷有较大的偏离，而且由于室外气象条件的变化，冷水机组的工作点也与设计工作点有很大的不同。 在非设计工况，全年各种不同的空调工况下这冷却水的温度应该控制在什么范围呢？室外冷却水温度是否存在一个最优控制点使得冷水机组系统的能耗最低？如果存在这样一个优化控制点，通常用什么方法来进行控制才能获得满意的节能效果呢？本文将就制冷机组冷却水温度是否需要进行优化控制和如何实施优化控制以达到节能的目的作一叙述。

2. 什么是冷却水的优化温度？

根据一般的工程常识我们知道，对于机械式冷却塔，风扇转速越高，冷却水的温度就会越低，此时冷却塔的耗电越多；可是对于主机来说，冷却水温度越低，主机的耗电越少。反之，冷却塔转速越低，冷却水的温度越高，这样冷却塔的耗电越少。但对于主机来说，由于进入冷凝器的水温升高，相应的主机耗电会增加。上述关系可用图1描述。应该如何控制冷却塔出口的水温，使得整个机组的耗电最低呢？这里显然存在一个优化控制的问题。

另外在整个供冷季节，建筑的负荷（需冷量）和室外气象条件（对冷却水温控制而言主要是湿球温度）是不断变化的。在全年各种不同的工况下面，冷却水温度应该依据什么原则来实施控制呢？

以一台冷量为5450kW(1550冷吨)的离心式冷冻机为例，在室外湿球温度18°C时的满负荷的工作状态曲线见图2。图示表明在此负荷，此湿球温度下，随着冷却水温度的不同，主机和冷却塔能耗也随之不同。但我们能找出在此状态下的能耗最低点为24°C。就是说，在这样的气象条件下，这样的工作负荷时，提供这样的冷却水温度是最低的能耗。当随着负荷减少，室外湿球温度的下降，这冷却水的优化温度也会随之发生变化。在主机荷载到为4000kW(1160冷吨)时，湿球温度在14°C的条件下，冷却水的优化点移到了21°C，也就是说，不同的湿球温度，不同的主机荷载会产生出不同的优化温度点。同理，当主机在2500kW(730冷吨)、湿球温度在12°C时，优化温度就相应地移到了18°C。

因此，我们不难发现，在冷却水系统的运行过程中，及时计算出该时刻的冷却水优化温度，并按照该温度将冷却水提供给主机的冷凝器，将减少主机与冷却塔的综合能耗，高于或低于这个优化温度，综合能耗都将上升。

图3. 冷却水温度变化与机组能耗关系示意图

图3是3516kW(1000Ton)离心主机在50％荷载时，某一湿球温度下的瞬间能耗比较图。由图分析可知，对于冷却塔能耗线，随着冷却水温度的提高，冷却塔的能耗就相应减少；而对于主机能耗曲线，随着冷却水温度的提高，主机的能耗相应增加。因此，单一设备的节能不能说明该系统节能，综合能耗是主机能耗和冷却塔能耗的叠加，只有在图中找出综合能耗的最低点，才是最佳的系统节能。图中，在该工况下，该冷却水优化温度在28°C。

不同的机器有不同的优化温度公式，我们怎样才能找到这优化了的冷却水温度呢？文献[2]给出了针对一单台螺杆冷水机组，它的最优冷却水控制温度的算法可以用如下公式2－1表示：

T_opt= A×Toaw+B×Wr - C×Twbd - D×L+37 2－1

上式中，Topt－最佳冷却水温度（℃）；Toaw － 室外湿球温度（℃）；Wr－ 为负荷率 = 实际负荷 /设计负荷；Twbd－室外湿球设计温度（℃）；L－流量 （l/s）； A，B，C，D为系数。

3. 怎样来进行冷却塔供水温度的控制？

我们已经知道了提供一个优化了的冷却水温度的节能意义，这里我们进一步讨论在控制冷却塔出水温度的时候，冷却塔风扇的顺序控制和意义。

冷却水温的调节有许多方法，有冷却水系统的旁通泵变频控制，也有冷却塔风扇的两档风速控制，还有冷却塔风扇的变频控制。这里，我们主要讨论多塔并联时，变频风扇的控制顺序和两档风速风扇对于风扇本身的节能意义。

首先，我们知道风扇的转速，和风量，和能耗之间的公式如下：

P2/P1=(RPM2/PM1)³ 3－1

P2= P1(RPM2/RPM1)³ 3－2

RPM₂/RPM₁=FLOW₂/FLOW₁ 3－3

上式中P为能耗，RPM为转速，FLOW为冷却塔风量。

假如使RPM₂之转速变为RPM₁的一半，则 P₂= P₁(0.5/1)3=1/8P₁=12.5%P₁

所以低速运行是冷却塔本身节能所在。比如，两台主机和两台冷却塔对应，在两台主机满载工作时，如室外工况要求两台冷却塔100％投入，毫无疑问，这种满载工况的出现并没有可以节能的余地了，但是这种满载概率在舒适性空调中通常不超过10％

；系统在全年的运行中，大部分时候是处在部分负荷状态下。也就是说，全年90％以上的时候有节能的余地。当负荷侧只需要一台主机工作时，这时，我们投入一台还是两台冷却塔呢？假设此时主机100％满载，再假设冷却塔运行一台满载可以满足主机的冷凝要求，这时，如果投入一台冷却塔，我们的冷却塔能耗为P1，假如我们投入两台冷却塔，而每台的风量为满载风量的一半时，两台冷却塔的总换热量之和还是等于一台冷却塔满载换热量。而两台半载冷却塔的能耗之和为：

P=2*P₁*(RPM₂/PM1)³=2*P₁*0.5³=25%P₁

图4四台制冷机四台冷却塔控制模式示例

很显然，运行两台半载冷却塔的能耗只是运行一台冷却塔满载能耗的25％。同样，如果是三机三塔，或者是四机四塔，都应该应用冷却塔低风速的原则，所减少的能耗更多。对应于两档风速冷却塔风扇的控制顺序，我们同样也可以使用下面的增载和减载模式进行。图4是四机四塔的冷却塔顺序控制：

4．结论

1. 系统的配置只是机房设计的一部分，而系统优化运行对于冷水机组寿命周期内的能耗具有很重要的影响；

2. 在整个供冷季节都存在这冷却水优化控制温度点，能使得机组和冷却塔的综合能耗最低；

参考文献：

1．Mark Hydeman, Ken Gillespie and Ron Kammerud ,A Toolkit to Improve Evaluation and Operation of Chilled Water Plants，The Cool $ense National Forum on Integrated Chiller Retrofits ，San Francisco, September 1997

2. 美国专利号：U.S Patent No.560096, 1995