2012年1月21日 星期六

水塔油門全開的操作策略

上一篇文章我寫了低冷卻水溫主機的特性及選擇,很簡單的,對於台灣地區的設備來講,選擇這種設備的水塔操作策略再簡單不過,基本上就是油門全開,主機動,水塔風扇就動.

即使寒流來,也只有非常低的機會會造成水溫低到讓主機跳機.如果擔心就弄一個簡單的溫度控制開關就可以,當然,這個開關要選擇好一點數位式的,可不要真的就拿了一個小神童就裝上去了.

不能跑低冷卻水溫的主機,除了風扇開關的起停之外,因為太冷的外氣可能會造成風扇起停頻繁,磨損皮帶或齒輪的壽命,所以說可能還要裝個軟起動或是變頻的裝置.不然的話皮帶的壽命很容易因為頻繁起動而大為縮短,這又會是一筆大的維修費用.

同樣的,外氣的條件如果太低,有些設備管路上還必須裝設旁通管,上面再加一個比例或是電動閥來控制,同樣的,這些工程費用也都是多出來的.

外面其實有一堆的水塔起停解決方案,有追濕球的,有裝設變頻的,所持的理論是讓冷煤的流量最佳化,然後追求主機跟水塔風扇馬達之間的耗電平衡.

以水塔來講,它的水側所必須排放的熱量為:
水量*溫差  舉例而言,假設流量是3000GPM,看到的溫差是10度F,那麼整個必須跟外氣做熱交換的熱量是 3000*10/24=1250RT.換句話講,有1250RT的熱量必須藉由水塔排放出去.對水塔的風側來講,假設外氣的條件是濕球15度,乾球19度(差不多是冬天的溫度),所以進風的焓值是25.746BTU/LB,1250RT水塔的額定風量是1690立方米*5/MIN=8450立方米/MIN
計算L/G ratio為1.1271,進風條件已知,算出出風的條件.出風口焓值為37.017 BTU/LB.

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上圖是水塔的操作曲線,紅色是水的操作線,藍色則是空氣的操作線.也就是說,上面算ˊ出來的數據其實是水塔進出風的條件.也就是ha1跟ha2的條件.

從圖表來看,水塔進水的溫度會高於ha2的條件,也就是說tw2會比ha2的焓值高,不然彼此之間沒有熱量差效率會很差.熱量根本沒辦法移動.

因為ha2基本上就是跟盤管曲線類似,所以說用37.017 BTU/LB這個數據去對空氣線圖,大概可以得出73.5度F的數據,差不多是23度C.那麼進風溫度19度C,濕球15度C,所以主機的冷卻水溫大概是
19度到24.5度C左右.

因為很難得到原廠的水塔曲線,不過一般選機可能是抓個5度C的趨近溫度,所以說如果以這樣的數據去推斷,主機的冷卻水進水溫度應該可以跑到19度C左右.假設水量,風量是上面推算的數據的話.主機冷卻水溫若是能跑到19度C,跟選機表的32度C相比,應該可以省下(32-19)*3%=39%.
如果主機可以適應這樣的低溫不至於跳機的話.對於一台大冰機來講,同樣的冷凍負載,譬如說1000RT,跑32度C的冷卻水溫時若是600KW/HR,那麼跑19度C的冷卻水溫,應該有機會可以省234KW/HR,以一度2.5塊半來算,一個小時就是585元,一天14000元.

如果天氣條件更低,例如秋末,冬天,春天,氣溫來到12.3度C乾球,11.1度濕球,(我現在寫文章時的氣候條件).

整個重新計算,進風的焓值21.416BTU/LB,L/G比變成1.099578.出口焓值為32.411BTU/LB.出風的溫度大概20.5度C.同樣以5度APPROACH做計算,冷卻水溫應該在11度左右.如果可以利用這樣的條件,主機的冷卻水進出水溫度應該是11度~16.5度C.

同樣的,以同樣的熱負載計算,跟必須將風扇關掉,或是只能跑最低20度C左右的主機相比,還是可以節約30%左右的電力.至於說風車的耗電跟主機節省的相比,應該只是九牛一毛而已.

當然,我在前一篇文章最低冷卻水溫的文章講過,可不可以利用這樣的方式節能要看主機及水塔的特性跟效率.如果主機不能這樣跑,那麼硬搞只是把設備搞壞,如果設備可以這樣跑,那不懂得利用就是把自己的錢丟到水裏,白白浪費而已.

上面的計算其實非常的簡單,也就是熱平衡計算而已,現場拿到多少熱,水側的熱量就是流量乘以溫差,風側的熱量則是風量乘以焓差,兩者計算出來的熱量要相等.兩個熱量相等之後,再看進出口的條件能不能湊得起來,如果覺得不對,反覆多運算幾次應該都可以算對,除非用的公式或原理錯了,不然現場量到的數據應該跟算出來的數據是一樣的.

水塔熱交換效率受到很多因素的影響,但基本上只要水量不變,風量不變,就可以很輕易的算出水塔必須排放的熱量有多少,國外有很多水塔是所謂無風扇的,完全靠空氣的對流來散熱,所以說這種塔通常都很大很高,國內幾乎沒有這種水塔,所以不是本文討論的內容.

在非夏季的時候,有些地方的東北季風很強,這些流過水塔的風量也沒有在上面的考量之內,也就是說不考慮側風的影響以簡化計算.本文所要說的是假設設備可以配合的到,那麼在外氣條件許可的狀況下,盡量利用可以得到的低溫條件對於主機來講有很好的節能效果.

但是如果說風量,水量已經用變頻設備將它變了,那麼計算方式就又完全不一樣了,因為只要一變頻下去,整個水塔的曲線就又完全變了,也不是本文講的油門全開的策略了.

油門全開的節能策略只適合主機可以跑低冷卻水溫的主機,完全不適合不能跑低冷卻水溫的主機,不能跑低冷卻水溫的主機必須靠水泵變頻,或是風車變頻去維持最低進水溫度以保持主機的穩定運轉.至於能不能這樣跑,要去問提供設備的廠商.可以這樣跑的也還要搭配夠效率的冷卻水塔,不然還是白搞.假設水塔的效率根本就做不出來,那講那麼多也是沒用.

總之,空調系統裡面的設備特性是由製造廠家決定,要適應什麼樣的工況則是設計之初就已經被限制住的,不可能說一台設備可以飛天鑽地,無所不能.

至於操作面的原理則是現場人員可以掌握的,越是了解設備的特性,操作起來的成本就越低,不了解設備特性的,操作起來成本就越高.水塔油門全開的策略不是適合每一台冷凍機.要這樣操作之前,還是要多去諮詢一下設備廠商,不要說為了要省電搞績效,搞到後來設備都弄壞了,小弟可是不負這個責任的.