公共建筑集中空调系统冷却塔风机变频的节能及经济分析

引言

在中型及大型的公共建筑（如：集中商业、酒店、写字楼等）中，一般安装有集中空调系统。集中空调系统的能耗很大，约占建筑能耗的50％—60%，只要能将集中空调能耗降低一个百分点，就会给全社会带来巨大的经济效益。冷却塔的能耗是集中空调能耗的重要组成部分，且对冷机的能耗存在重要的影响。因此，分析冷却塔的节能问题，其经济及社会效益非常巨大。冷却塔的风水系统有3种方案，本文从建造成本、运行费用这2个纬度深度分析了这3种方案，确定冷却塔风机变频为最优方案。

方案一：冷却塔风机定频—风水异路

图1 为该方案的示意图。水路系统，冷却塔的进水管、出水管上均设有常开的手动阀门，无论负荷如何变化，冷却水总是均匀的流经3个冷却塔。风路系统，随着负荷的增加或减少，依次开启或关闭塔1、塔2、塔3的风机，冷却塔风机为定频。在部分负荷时，同一台冷却塔会出现有水无风的情况，故称为“风水异路”。

方案二：冷却塔风机定频—风水同路

图2 为该方案的示意图。水路系统，冷却塔的进水管、出水管上均设有电动阀门；风路系统，冷却塔风机为定频。随着负荷的增加或减少，依次开启或关闭塔1、塔2、塔3的水路电动阀及冷却塔风机。同一台冷却塔的水路及风路，或同时开启，或同时关闭，风水总是同时出现，故称为“风水同路”，该方案在工程中比较常见。

方案三：冷却塔风机变频

图3 为该方案的示意图。水路系统，冷却塔的进水管、出水管上均设有常开的手动阀门，无论负荷如何变化，冷却水总是均匀的流经3个冷却塔。风路系统，随着负荷的增加或减少，同时增加或减少塔1、塔2、塔3的风机运行频率，冷却塔风机为变频。

图3  方案三示意图

以某集中商业项目为例，该项目建筑面积约为5万㎡，安装有3台900RT 的离心机，3台冷却塔（每台冷却塔配置有4台子塔，每台子塔风机用电量7.5kw）。3种方案的成本差异为：

还是以第二条的集中商业项目为例。在室外空气湿球温度分别为20℃（冷机荷载为900RT ）及24℃（冷机荷载为1800RT ）这2种工况下，分析冷却塔及冷机的耗电量情况。

方案一： 冷却塔风机的开启台数、冷却塔及冷机的耗电量曲线见图4。从图中可以发现，冷却塔+冷机的综合耗电量最小值为510.1kw。

图4  空气湿球温度为20℃时方案一的耗电量

方案二： 冷却塔风机的开启台数、冷却塔及冷机的耗电量曲线见图5。从图中可以发现，冷却塔+冷机的综合耗电量最小值为488.9kw。

图5  空气湿球温度为20℃时方案二的耗电量

方案三： 冷却塔风机的频率、冷却塔及冷机的耗电量曲线见图6。从图中可以发现，冷却塔+冷机的综合耗电量最小值为455kw。

图6  空气湿球温度为20℃时方案三的耗电量

方案一： 冷却塔风机的开启台数、冷却塔及冷机的耗电量曲线见图7。从图中可以发现，冷却塔+冷机的综合耗电量最小值为1064.7kw。

图7  空气湿球温度为24℃时方案一的耗电量

方案二： 冷却塔风机的开启台数、冷却塔及冷机的耗电量曲线见图8。从图中可以发现，冷却塔+冷机的综合耗电量最小值为1064.7kw。

图8  空气湿球温度为24℃时方案二的耗电量

方案三： 冷却塔风机的频率、冷却塔及冷机的耗电量曲线见图9。从图中可以发现，冷却塔+冷机的综合耗电量最小值为1039.5kw。

图9  空气湿球温度为24℃时方案三的耗电量

1、 变频器加减速的时间问题。冷却塔风机驱动部分的转动惯量一般都较大，给定加减速的时间要长一些。

2、 变频器的启动方式问题。在实际运转中，经常会由于外界风力的作用使冷却风机自转，此时如果启动变频器，电动机会进入再生状态，就会出现故障跳闸。应该将启动方式设为转速跟踪再启动，这样就可在变频器启动前，通过检测电机的转速和方向来实现对旋转中电机的平滑无冲击启动。

3、 变频器的频率问题。如采用普通电机，需设置最低运转频率，以保持电机合适的温升，通常频率下限为20Hz 。如采用变频电机，通常频率下限可以达到5Hz 。

4、 冷却塔的共振问题。在试运转中，冷却塔如出现机械共振的现象，可采取修改参数的方法，将系统的固有频率列为跳跃频率。

5、 冷却塔的溢水问题。冷却塔的运行台数固定，避免了冷却塔溢水的问题，可节约宝贵的水资源，降低运行费用。

6、 布水器的问题。传统冷却塔采用风机变频，流经冷却塔的水量小于设计值的1/3时，会导致布水器远端的出水口流量减少，填料的布水量不均匀，引起冷却塔的效率下降（但仍然高于冷却塔风机定频的情况）。有条件时，最好采用变流量冷却塔，该冷却塔的布水器为1个水池，水池底部设有孔洞，依靠孔洞给填料布水，可以保证在冷却塔水流量降低时，填料的布水均匀。

图10  变流量冷却塔的布水器

7、 冷却塔出水温度的选择。一般采用近湿球温度控制技术，即设定一个冷却塔的出水温度，由该温度来控制冷却塔风机的频率。温度高于设定值时，加大风机的频率；温蒂低于设定值时，减少风机的频率。

采用冷却塔风机变频的方案，初投资+4年运行费的综合成本最低，该方案能降低冷机、冷却塔的综合能耗约7个百分点，能减少碳排放。如在全社会广泛推广及应用，可创造巨大的社会效益及经济价值。