冰水機房最佳化規劃.doc

冰水機房最佳化規劃摘要： 本文围绕“如何規劃冰水主機、泵浦及冷卻水塔使得初設成本低，而運轉成本也低？”展开了讨论。許多案例證實，較大的水溫差系統不僅可省下初設成本，而且可省下運轉操作成本。特別是選用高效率主機時更是如此。 关键词： 泵浦 冷卻水塔 熱交換器前言冰水機房係由多個動力單元所組成，主要的是冰水主機、冰水泵浦、冷卻水泵及冷卻水塔。過去數十年來越來越傾向選用高效率冰水主機。然而除了減少能源消耗之外，仍有許多手段值得研究；例如設法降低 初設工程費的成本。本文即是探討降低初設成本的同時，也要節省操作能源。但不討論前人已有說明的一次二次冰水系統或是變轉速控制系統。一般而言，工廠內最大的能源消耗者即是冰水主機，這也是為什麼一談到節約能源就是指向選用高效率冰水主機。但是，主機安裝後卻很少滿載負載，是不是! 大多數的時間，主機都是在部分負載下運轉，而且多是低於75%的低載。然而，無視於此一現象，冰水泵和冷卻水泵依然故我地定流量全載運轉。因此當主機 在部分負載時，泵浦在全系統的耗能比例卻相對變大了。試想，如果泵浦選較小的機型是不是會節省一部分能源而且也使得初設成本也降低些？如何實現這一種想法呢？會對冰水主機造成什麼衝擊呢我們回顧一下歷史，數十年前，冷卻設備製造商共同集合成一個組織也就是今天的 ari。ari 依 10 溫度差定義冰水主機水流量的標準，這個標準適用於蒸發器以及冷凝器。這個標準主要是提供一個共通規範來供不同的主機製造商依循。在那個時代 尚談不到電腦及主機選機軟體，因此各家主機製造商別無選擇只有遵守 10 溫差規範。10 溫差規範在當時也有其使用上的便利性。然而今天的時代卻未必要死抱 10 溫差不可。同樣的背景下，10 溫差也成為過去冷卻水塔製造商的標準。如果增加水溫差值，則相同熱傳遞量時，水流量就可降低，於是泵浦和管線就可以小一級來設置。除非冰水出水溫度降低了，否則較大的冰水溫差( 蒸發器出水溫和回水溫之差值 ) 對冰水主機的效率之影響是極輕微的。另一方面，冷卻水在冷凝器的溫差變大則確實會降低主機的效率，主因是冷凝溫度增加了。因此，最佳化的設計，宜就從系統的角度來評估，主機增加的耗能和泵浦水系統所省下的能源應如何匹配會最省能。在一些應用例子中，倒也沒有讓主機更耗能；在另一些應用例子中，則是選用更有效率的主機來抵消較高冷凝溫度所造成的損失。由此省下來的泵浦採購成本，動力配電工程，管線及閥件工程費往往夠我們去選用較高效率的主機! 此時泵浦所省下來運轉操作能源足使系統變得更加有效率。接下來我們就舉一些實例來印證我們的想法。有一個系統，有 2 台 800 冷凍噸的主機，每一台主機有一台冰水泵，一台冷卻水泵及一台冷卻水塔。我們選出 3 種規劃方式來比較系統成效。1a 及 1b 版本是依照傳統10 冰水溫差選定之主機。2a 及 2b 版本是依 14 溫差來選機。3a 及 3b 版則是依 18 溫差來選機。每一版本之 a 與 b 是不同之冷卻水流量值以供比較用。在1a、2a、3a 版中，冷卻水流量則是依每冷凍噸 3gpm 即10 溫差標準選機。而1b、2b、3b 版中，冷卻水流量則是依每冷凍噸 2gpm 即 15 溫差標準選機。泵浦的部份，假設泵浦效率 82% 而馬達效率 93%。60 英呎的水頭外加主機水壓頭損。依 trane 的製造規格在相同初購成本下選了 6 台主機。每一台主機的冰水出水溫度均是 42。冷卻水塔則是由 marley 冷卻水塔的選機軟體中選用水塔，其中外氣濕球溫度假設為 78。假設 800 冷凍噸的負載需求，即啟動一台主機且滿載即可之條件下，總結 6 個版本的系統耗能狀況整理於 中。由表中最右欄可看出冰水溫差愈大的系統，其尖峰用電愈省。而冷卻水流量減少對系統尖峰用電省能影響不大。表1 800冷凍噸主機，全載運轉之不同版本耗電分析 冰水側版本溫差流量gpm水壓頭泵馬力數pdbhp冷卻水側水流量/ 噸水壓頭泵馬力數冷卻水塔主機耗電pdbhp風扇馬力kw總耗電kw1a10192021481b1019202148214137211303a1810677223b18106772232160504362103425*47632160504372103425*47632160504362103425*476536562549547542541this is the same size tower.if a smaller,less expensive tower is used,the fan hp goes to 40.當系統操作在部份負載時，泵浦的耗能不變，因為每一個版本都是定流量系統，僅只有冰水主機及冷卻水塔風扇會減少能源的消耗。這一部份，我們藉由電腦程式 doe - z 來模擬。選一個變風量空調箱設計的辦公大樓為模擬對象。針對不同地點，及 6 個版本的系統套用電腦來模擬。在 中列出電腦模擬之成果。表2 不同的城市，套用這 6 個版本之耗電分析 版本波士頓芝加哥ei paso湖區邁阿密舊金山1a1b2a2b3a3b1497145014141363137113211177112610991046106010071777170516661590161015351897180117771677171616182288215721271990204519101057983961885913837 可看出不論是那一個城市，當 6 個版本套入電腦中，增加溫差( 減少水流量 ) 總有較省能的這一個趨勢存在。儘管不是每一個案例中均有完全一致的結果， 中仍顯示出整體性，看能源節省之成效較以往只看主機效能單一分析更具價值與重要。一如前述，如果選用更有效率之冰水主機，藉以克服冷凝溫度升高的負面耗能損失，並不會增加額外的成本。怎麼可能會這樣的？其實呀! 我們省下泵浦的初購成本，電力工程費，管路工程費及閥配件的費用( 降低流量，使得這些工程的尺寸規格及成本均變小了) 就足夠去購買更高效率較為昂貴的主機。 就顯示出泵浦流量和馬力數的差異性。 列出不同溫差之下管路管材的管徑尺寸。表3 不同溫差值對應之管徑尺寸 冰水側冷卻水側10 溫差14 溫差18 溫差3 gpm / 噸2 gpm / 噸主機主管10 吋14 吋主機主管8 吋12 吋主機主管8 吋10 吋主機主管12 吋16 吋主機主管10 吋12 吋較大的溫差( 較低的流量 ) 造成較小的管路管徑及閥件，較小的泵浦馬力，冷卻水塔風扇馬力及其各項電力配線工程，也就實質降低冰水系統之初設成本。此即本文所稱 雙贏 設計。唯一會稍微提高成本的是空調箱的熱交換器選購成本一項而已。但之前述及所省下的工程費也足夠支付這一項多出來的額外費用。這裡是依據鰭片選機軟體做出分析，比較 18 溫差盤管其空氣側之降頭損失會比10 溫差盤管還要大( 2個盤管的進水溫度相同 )。即使如此，少許的空氣壓損增加，應用到 vav 變風量空調系統也因風量減少而變得微不足道。受限於各主機製造商的規格能力，應用本文的成效也有不同的限制。對於運轉中的工廠或建築物，因為空調箱盤管也已經是標準10 的規格產品，所以也不適用本文之系統規劃例。結論許多案例證實，較大的水溫差系統不僅可省下初設成本，而且可省下運轉操作成本。特別是選用高效率主機時更是如此。几种bchp技术及其能源利用效率的简要分析摘要： bchp是能量梯级综合利用的技术，对于解决我国面临的环境、能源问题有重要作用。本文对bchp与传统空调用能方式的优缺点进行了分析，讨论了现有技术条件下几种bchp技术的性能和特点，对基于微型燃气轮机和燃气内燃机的bchp技术进行了分析，结果表明，在目前的技术水平下，当”以热定电”时，燃气内燃机方案较微燃机方案的一次能耗要低。 关键词： bchp 微型燃气轮机 燃气内燃机 以热定电1 引言能源、环境问题是中国实现可持续发展战略所面临的重大挑战之一，应对这一挑战，需要各行各业密切协作，在各自的领域里作出巨大努力，空调制冷业也不能例外。事实上近年来空调制冷业的发展，正在造成我国乃至全球能源、环境危机：空调用电不仅已成为城市能源消费最多的领域之一，还在夏季造成电网尖峰负荷，致使电力供应出现紧张局势；而空调在全球的使用也直接、间接地造成诸如大气臭氧层破坏，温室气体排放，城市热岛1等环境问题。因此，解决能源、环境问题，空调制冷行业有着不可推卸的责任，理应有所作为和贡献。提高设备性能虽然是解决问题的一个重要方面，但在空调使用飞速增长的中国，仅仅这样还远不够，必须从提高整个能源系统效率的角度出发，研究提高空调系统用能的高效化、清洁化，有效降低空调制冷能耗，减少环境污染，这是一个不可忽视的领域1,2，而bchp作为一种能量梯级综合利用的技术，可以在这方面发挥重要作用1,2,3，本文就几种bchp技术的能效作一初步分析。2 bchp的概念及其优越性bchp即楼宇冷热电联产，是building cooling, heating and power的缩写，其原理是：燃料（油、气等）先经热功或电化学过程转换为电力供建筑物使用，燃料发电后的余热则用于建筑物供热、空调等，如图1所示。而在传统的以电力为能源的空调系统中，高品质的能源在中国目前最主要的部份是煤首先以较低的效率被转换为“清洁的”二次能源电力，经输配电设施到建筑物，再经制冷制热设备转换为低品位的空调冷热源通常是冷水或热水，在此过程中能量不仅在质上贬值了高品位的能量被转换成了低品位的空调冷热水，且数量上也“减少了”：大部份排热因远离用户而作为废热与nox、so2、粉尘等污染物一起被排入大气，造成环境污染，如图2所示。比较上面两种空调用能模式可见，bchp的用能方式具有诸多优点：用能合理，实现了能量的梯级利用，减少了能量转化和利用过程中的不可逆损失；高效，燃料作功后的余热也得到充份利用；清洁，可使用天然气等清洁燃料；环保，燃气内燃机、燃气轮机、燃料电池均有低排放特点；分布式现场发电，提高供电可靠性。在当今中国，空调用电持续增加，而污染严重的矿物燃料煤又占能源消耗绝对多数比例，为缓解环境、能源问题，国家已启动了一系列天然气工程，预计未来天然气在能源消费中所占比例将有较大幅度提高。但我国是一个人均能源、资源稀少的国家，已探明天然气储量并不能满足国内能源需求，因此，应当尽可能高效、经济地使用，如bchp，cchp，dhc等等，使之在解决人口密集的城市的能源、环境问题方面有效发挥作用。3 几种bchp技术3.1 bchp的系统构成根据其功能，bchp系统可分为三个子系统：燃料电力转换及接入设备、空调冷热源热备、包括空气处理末端的空调系统。各子系统均有多种技术方案，各有特点。3.2 几种 bchp技术方案的性能特点3.2.1 微型燃气轮机余热溴化锂机组方案此方案中，微型燃气轮机（出力300kw以下）发电后的余热被直接用以驱动吸收式制冷机，制冷量不足时可补燃以增加冷机出力。目前小型燃机发电效率在30以下，国外有数家公司有商品化机组，国内也已开始投入力量进行研发。吸收式机组国内外均有生产厂家。此方案系统较简单，且不用氟利昂制冷剂，与建筑用能匹配也较容易。3.2.2 燃气内燃机余热投入型溴化锂机组方案在此方案中内燃机发电后的余热先进行回收，然后被导入直燃机用以预热溶液，减少燃料消耗量。燃气内燃机特别是带增压中冷的机组发电效率较高，目前在30-42间，依机组容量而异。冷（热）负荷较低时，也可仅以排热驱动制冷机。3.2.3 高温燃料电池余热溴化锂机组方案燃料电池是将燃料化学能直接转化为电能的装置，不受卡诺定律的限制，有很高的发电效率（50-79）。sofc（固体氧化物燃料电池）和mcfc（熔融碳酸盐燃料电池）可直接以天然气作燃料发电4，不仅发电效率高，且排热温度高，可达750，用以驱动吸收式制冷机，可获得较高的能效比。此方案因发电效率高，排热相应较少，也需要补燃才可提供足够冷量。3.2.4 燃气内燃发电机压缩式制冷这是一个无吸收式制冷技术的方案。燃气机除用以发电外，还可用以直接驱动蒸汽压缩式制冷机或热泵，也可以发电后驱动电动制冷机组，依建筑物需要而定。燃气机的余热可作各种用途，包括用于除湿干燥，这可以提高制冷机出水温度，使制冷机组能效比大幅提高；在热泵应用中则可以提高制热量，使之在外界环境温度下降时仍能维持一定的制热量。因燃气机热效率较高，这个方案的一次能利用效率也是较高的。除以上方案外，还可能有其它方案的组合，而其它技术如pafc（磷酸型燃料电池）、pemfc（质子交换膜燃料电池）也是合适的bchp动力设备，在此不一一述及。下表列出了国内外知名厂家如康明斯，卡特彼勒，宝曼等的发电机组所能达到的性能。由表可见，不同产品发电效率、余热品位（温度）相差较大，要分析与其相应的bchp的能效，只有火用效率才是合理的指标1，但这在计算上有些不便，为使分析可行，本文将在一定的热（冷）、电负荷下进行不同方案的一次能消耗的分析比较。表1.几种动力转换设备的性能参数 项目参数内燃机外燃机微燃机*sofc发电效率32-383015202550-60高温余热温度（）520/550/700制冷系数*1.0/1.0/1.25低温余热温度（）9050/9595/制冷系数*0.75/0.80.8/*理论估计值，根据直燃机高发温度160度、cop较高值为1.35推算得到。*某公司热水型溴冷机数据。*见bowman 公司产品介绍。4 两种bchp技术的能效分析鉴于微型燃气轮机和燃气内燃机在目前是较成熟的技术，因此本文着重讨论基于这两种技术的bchp技术：方案1 和方案4。设有一建筑物，其冷负荷为qc，自发电负荷为w。则依方案1的能量转换方式可得：上式中，吸收式制冷机的性能系数；t燃气轮机发电效率；吸收式制冷机补燃功率。设补燃功率制冷量为总冷负荷的x倍，即，则设燃气内燃机发电效率为e，压缩式制冷机性能系数为，不考虑内燃机余热回收，则方案1的一次能消耗量及方案4的一次能消耗量分别为由