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浅谈中央空调冷却水系统节能改造
发布时2017-03-25 11:0325
1  引言
由于我国国民经济发展迅速,人民生活水平提高,市场繁荣,中央空调在各行各业中得到了广泛的推广应用和普及;因中央空调水冷式冷水系统的能效系数比风冷式冷水系统和风冷式(风冷热泵)氟系统的要高,节能,所以被广泛的应用在各大型或高层建筑物中。根据《公共建筑节能设计标准》中提出的节能要求,是以20世纪80年代的建筑能耗为“基准建筑”能耗,定为100%为计算基础,而“现代建筑”的能耗要比“基准建筑”的能耗要求节能50%,其中:空调采暖系统分担率约为20%~16%;在整个建筑的能耗中,空调采暖的能耗要占到总建筑能耗的50%。为此,“节能减排”是现代基本建设中的一项重要国策。早期的中央空调工程,因设备的选型等多种因素存在问题,能耗较大,节能改造是有潜力可挖的。于是,对既有大型高层建筑中央空调工程作节能与管理改造,降低能耗就显得十分重要。
2  工程概况
  XXX发展股份有限公司是XXX的龙头企业,位于A市中心的南大街,是最繁华的商业黄金地段,是最大的商贸中心。该企业中央空调工程早建在14年前,为单冷式中央空调冷水系统。冷水机房设在地下一层,冷水机组、冷却水与冷冻水循环泵皆设在其中,冷却塔设在九层的办公楼屋面上,专为地上一至九层营业区的空调服务。曾在1998年进行了扩建,即主楼由六层扩建成为八层,空调总面积由40000M2加大到50000M2。一直以来,因层次增高,原以为水泵扬程不够,空调使用面积加大,机组的制冷量明显不足,故空调区的温度较果就很不理想,且能耗也较大。为了改善空调的温度效果和达到节能的目的,业主一方面找安装单位和有关专家作技术咨询,查问题,找原因,定方案;另一方面定时间,备资金,组织施工技术力量。决定自2008年底到2009年一季度末的这段时间里,对中央空调工程的“舒适效果与节能降耗”两个目标实施改造,以应四月中旬天气变暖时,各楼层商场营业区使用空调之急需。
3  查问题,找原因
3.1  现有冷水机组的配置:
3.1.1  原在地下室的冷水机房内安装有:开利19XL5353457CR型水冷离心式冷水机组共3台,每台制冷量Q=150×104kcal/h=1758kw,冷冻水流量Q1=302.4 M3/h、冷却水量Q2=362.6M3/h,机组输入功率N=334kw,能效系数EER=5.26,达3级能效等级;
3.1.2  现新增特灵CVHG067RML0O3UU2888U1E8Q1C型水冷离心式冷水机组1台,制冷量Q=220×104kcal/h=2285kw/h,冷冻水流量Q1=391.7 M3/h、冷却水量Q2=467.7M3/h,机组输入功率N=398.4kw,能效系数EER=5.735,达2级能效等级。
3.1.3  供冷量的复核:4台水冷离心式冷水机组的总制冷量(1758×3+2285=7559kw)与该项空调系统室内空调负荷(50000×150=7500kw)的耗冷量尚能基本相匹配(q=151w/ m2)。
3.2  冷冻水循环泵的配置:属闭式循环系统配管。
3.2.1  冷冻水循环泵的流量Q1复核:
   4台冷水机组的总冷冻水量ΣQ1=302.4×3+391.7=1298.9 M3/h。
   6台SB型冷冻水循环泵每台的流量相同皆为Q=300 M3/h,扬程H1=34M,功率N=37kw。
总流量ΣQ=300×6=1800 M3/h,>ΣQ1=1298.9 M3/h,基本可用;这3台开利的水冷式冷水机组基本上可以一机一泵对应开机操作运行;特灵的冷水机组开机时开一台泵流量不够,少91.7 M3/h;开二台泵流量又多了(300×2-391.7=208.3 M3/h);只有在开机操作时多加注意,以总的冷水流量而言,开4台水泵时少98.9 M3/h,开5台水泵时多201 M3/h。(多台同型号水泵并联的同程式运行系统时,应绘制水泵并联工作特性曲线图,据其确定水泵的工作状态点。)
3.2.2  冷冻水循环泵的扬程H1复核
    闭式循环系统水泵的扬程计算:H1=沿程水头损失(h1)+局部水头损失(h2)+设备阻力(h3)+工作水头(h5)。
并对照《公共建筑节能设计标准》5.3.27条规定,输送能效比ER=0.02275<0.0241符合节能要求。
经检查核算原来配置的6台冷冻水循环水泵的名牌扬程H=34M≈H1,可用。
结果:尚能符合冷冻水闭式循环系统的运行工况要求,仍然能相匹配,为节约改造成本,只需经过维保换油后还可以继续使用(4~5台),据运行实况另1~2台可做备用泵。
3.3冷却水循环泵的配置:属(具有背压的特殊)开式循环系统配管。
原配6台SB型冷却水泵性能技术参数都一样,流量Q=300 M3/h,扬程H=34M,功率N=37kw。
3.3.1  冷却水循环泵的流量复核
      3台开利冷水机组每台的冷却水循环流量Q2=362.6 M3/h,每台泵少流量62.6 M3/h,不相匹配;
1台特灵冷水机组的冷却水循环流量Q2=467.7 M3/h,每台泵少流量167.7 M3/h,也不相匹配;
结果:a、不便于一机一泵相对应的进行开机操作运行。
      b、需新选可与冷水机组的流量参数相匹配的单级单吸立式离心管道泵,配开利冷水机组的流量Q=374 M3/h,4台(3开1备)、配特灵冷水机组的流量Q=500 M3/h,2台(1开1备)。
3.3.2  冷却水循环泵的扬程H2复核
     空调冷却水循环系统为特殊的(有背压的)开式系统,水泵扬程的正确计算如下:  
冷却水循环泵的扬程H2=[冷却塔集水盘水位至布水器的高差h1(4m)+冷却塔布水管处所需的自由水头h2(10m)+冷凝器设备的阻力h3(4m)+吸入与压出管道的沿程水头损失和局部水头损失h4(7.5m)]×110%=28M
如不是专业人员计算,按平常开式系统的水泵扬程计算要比闭式水循环系统多计算一个位置水头(即高度)。下式是不正确的计算,不节能的。
H2=沿程水头损失(h1)+局部水头损失(h2)+设备阻力(h3)+位置水头(h4)+工作水头(h5)。但在冷却水循环系统中要正确的计算水泵扬程,就应考虑 “背压”的作用,扬程就可减低,否则会造成“大流量高扬程泵”的不节能水系统,如南通和平桥旁的某大厦的冷却水系统,这样不但水泵难以选型,且价格高,电机功率大,能耗多,噪声高,还造成了供电变压器增容(含贴损费用),供电线路的铜线截面加粗,配电设备加大,影响电气工程投资增多,不节能,即使买得起,也用不起。从以下举例计算可以证明:
H2=(沿程水头损失+局部水头损失)(9.7)+设备阻力(7.87)+位置水头(48.7)+工作水头(5)
=71M。
如:流量Q2=362.2 M3/h ~467.7 M3/h时,这样一台水泵的平均电机功率就要N=185kw/h。
若4台水泵同时开,每小时的电耗为 185kw/h×4=740kw/h,很不经济,不可行。
3.3.3  冷却水循环泵位于屋面的原因:在高层建筑中,凡是构成“大流量高扬程泵”水系统的情况下,在选水泵时一定要考虑到静水压力,则是很高的,要特别考虑到水泵壳体、橡胶软接头和填料函的承压能力,以及轴向推力对轴封和密封环的防漏水能力,要为了安全,避免地下室万一因水泵及其配套件的承压能力问题,而造成地下室发生水灾引起不必要的损失。故要将地下室的水泵移到屋面上安装到冷却塔旁。这样冷却水系统就构成U型管的原理,联通平衡,既形成“大流量低扬程泵”水系统,节能,而又避免了水泵承受高静压带来不必要的风险、损失。
3.4  空调效果差的原因:
3.4.1  原6台冷却水泵的流量与冷水机组不相匹配,不便于一机一泵对应开机操作运行;
3.4.2  原有冷却塔为矩形,只有两面通风,加之年久老化失修,故冷却效果差,宜于更新;
3.4.3  由于以上原因促使冷水机组运行时的冷凝温度偏高,严重造成了制冷量供应不足,所以多年来,造成整个空调系统耗电不少,而效果不好。因此,确定应从冷却水系统进行改造。
4  优选方案和水泵
4.1  优选节能改造方案:根据以上分析,凡把冷却水循环泵设在地下室机房内,而冷却塔设在高层屋面时,(在未减去背压时)形成“大流量高扬程泵”的水系统,就很不经济。在流量不能变的条件下,既要考虑安全,又要达到节能的目的。唯一的方法就是要把冷却水循环泵安装到屋面上靠近冷却塔的地方,并应正确计算冷却水泵的扬程,才能达到降低冷却水泵扬程,低能耗的目的,创造出一个“大流量低扬程泵”的水系统方案。为使本方案成立,设在屋面上的全部水泵及其钢架、阀门和管道等的重量要由柱和梁来承重,在取得结构设计者的确认后,本方案就安全可靠的成立了。
4.2  优选水泵:据冷却水泵的流量和扬程,优选既要效率高、重量轻,而又有防垢功能的水泵为佳。
配开利机组的:FLG200-315(I)A型,4台(3开1备),
技术参数:Q2=374 M3/h,H2=28M,N=45kw,η=79%,G=562kg;
    配特灵机组的:FLG250-315A型,2台(1开1备)。
技术参数:Q2=500 M3/h,H2=28M,N=55kw,η=78%,G=790kg。
4.3  选立式防垢管道离心泵的优点
4.3.1  因立式防垢管道离心泵与其它同样技术参数的水泵相比,其效率高、噪声低、体积小、重量最轻,可减少屋面承重,安全可靠,安装简便;
4.3.2  最主要的原因是它具有“防垢”的功能,可保障价高的冷水机组冷凝器中的铜管表面上不积垢,不受水垢腐蚀,延长使用寿命,冷热交换效果好,保证了冷凝温度正常,提高了制冷效果,从而保证了整个商场的空调温度舒适,人气旺,营业效益好;
4.3.3  可减少每年对水系统的清洗除垢费用和麻烦。
5  节能改造后的经济效果
该项节能改造按时完成,经三个月的运行一切正常良好,达到预计目的和效果,做到泵机流量相匹配便于一机一泵的对应操作运行,扬程降低,功率减少,噪声减小,泵体避免了长期受高静压的影响,安全可靠。如下图1、图2为冷却水循环泵安装在屋面上与冷却塔连接的实况。
5.1  冷却水循环泵可节省的电量:原冷却水泵小时耗电量 37kw×6=222kw;改进后新冷却水泵每小时的耗电量为:45kwh×3+55kwh=190kwh。
节能改造后冷却水泵每小时可节省的耗电量为:222-190=32kwh。
5.2  每个夏季空调总的运行时间:该商场每年从4月15日开始开机到10月30日止,全年共工作6个半月,每日从上午8点到晚上21点,共开空调运行13个小时,若每月按30日计算,每度电(kwh)若按1元钱计。每一个夏季空调总的运行小时:H=13h×30×6.5=2535h。
5.3  每个夏季空调冷却水泵总的可节约的耗电量:N=32×2535=81120kwh;
    每个夏季空调冷却水泵总的可节约的电费为人民币81120元。
5.4  本次中央空调冷却水系统(泵)节能改造项目的投资内容有:6台水泵及其钢支架、冷却塔、钢管、阀门、仪表、相应的动力配电柜及其动力配电线路等。该项改造投资的费用约40万元左右,运行5个夏季可回收投资。
6  管理节能措施
    该公司工程部管理人员非常重视节能工作,在夏季操作运行中采取了两条措施:
6.1  “排热降温”每日上午9点开门营业前2h,利用大堂高大空间热空气自然上升的原理,从底层开门窗向室内进凉风,顶层向室外排热风,引入室外新鲜自然凉风进行预冷,通风换气、降温节能;
6.2  每日4台空调主机和9台水泵迟开1h(即等到八点半员工上班开灯、准备九点开门营业,室温开始上升时,再关窗开空调机组),可节电量N=(334×3+398)+(37×5+47.5×4)=1775kw/h,一个夏季可节省1775×30×6.5=346125kwh,(即为346125元)也取得了节能效益。冷却水泵节能改造与管理节能措施相结合(81120+346125=427245元),当年就可以回收节能改造投资费用。
7  结语
7.1  从这项节能改造的事实证明,就是把冷却水泵从地下一层搬到高层屋面上安装到冷却塔旁,即把大流量高扬程泵改成大流量低扬程泵,既安全可靠,又可在一个夏季就节省肆拾余万元,且投资就在当年夏季回收,节能效果明显,证明“节能减排”工作大有作为,受益重大。
7.2  在早期既有建筑(多层和高层)的中央空调水系统中,凡由非专业人员选用的“大流量高扬程泵”,或因扩建增高楼层类似的工程,建议皆可以参考(如南通和平桥处的某大厦空调水系统中冷冻水与冷却水循环泵的扬程全按普通开式系统配置,耗电多,噪声大,装得起而用不起)。
7.3  建议在做新建中央空调水系统的设计方案时,可以本节能改造方案作参考。
7.4  高层建筑的空调机房,宜在其附近(或附房)单独设平房作机房,屋面设置冷却塔,构成“大流量低扬程泵”系统,可大大降低冷却水泵的扬程和耗电量,达到节能之目的。
7.5  在既有建筑的中央空调工程中作水系统节能改造时,宜优选具有“防垢功能”的立式管道离心泵。采购员应严格按设计规定的水泵型号和技术参数去办,不应擅自改变,以免影响使用功能和效果。
7.6  在作中央空调水系统的节能改造时,凡遇有多台水泵(或冷却塔,应做液位平衡管)并联的配管时,宜做成“同程式”水系统配管,防止造成“短路循环”,确保冷水机组的冷凝温度正常,运行节能效果明显。

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