夏热冬暖地区中央空调冷却塔选型设计与节能分析

夏热冬暖地区中央空调冷却塔选型设计与节能分析

钟章元

广东正恒建筑设计有限公司祈福分公司  511400

摘要：夏热冬暖地区的中央空调冷却塔设计受该地区独特的气候条件限制问题。本文围绕此问题，首先探索了这一地区的气候特点和对冷却塔性能的影响，然后深入分析了冷却塔的选型设计。进一步地，文章介绍了PLC控制和变频节能两种现代控制技术，阐述了它们如何帮助提高冷却塔的运行效率和节能性。经过详细分析，本文为该地区的中央空调冷却塔提供了一系列优化和节能的建议，有望为相关行业提供有价值的参考。

关键词：夏热冬暖；中央空调；冷却塔；PLC控制；变频节能

随着全球气候变化和城市化的加速，夏热冬暖地区的建筑能耗问题也受到了广泛关注。其中，中央空调系统作为建筑能耗的主要部分，其冷却塔的设计和运行直接关系到整体能效和经济性。然而，传统的设计方法在这些特殊气候条件下可能并不理想。因此，如何结合现代控制技术，如PLC控制和变频节能，进行冷却塔的优化设计和节能分析，成为了本文的研究焦点。希望通过本文的分析，为行业和用户提供一种新的、更为高效的设计和运行策略。

一、夏热冬暖地区气候特点及其问题

夏热冬暖地区，如其名称所示，主要特征是夏季高温潮湿，冬季温暖少雨。由于这种特殊的气候，冷却塔的性能受到直接影响。首先，高温增加了冷却负荷，使冷却塔需要更大的冷却容量来满足建筑内的需求。另外，高湿度也影响了冷却塔的蒸发效率，因为空气中已经饱和的水蒸气量较大，这使得冷却塔的效率降低，耗电量增加。这种情况在连续高温高湿的天气中更为严重，可能导致冷却塔无法满足中央空调冷却水系统的散热需求。传统的设计方法没有充分考虑到夏热冬暖地区的特殊气候特点，导致冷却塔在实际运行中效率不佳，耗能高。另外，由于对高温和高湿度的影响没有充分考虑，冷却塔可能会出现过热、冷却不足等问题，影响到整个中央空调系统的正常运行，为用户带来不便。

二、冷却塔选型设计与分析

冷却塔作为热交换设备，种类繁多，按其工作原理和结构可大致分为两大类：开放式冷却塔和闭合式冷却塔。开放式冷却塔，主要通过直接接触空气来与冷却水进行换热。它的特点是结构简单，冷却效果明显，但容易受到外部环境的影响，如高温度、高湿度和空气污染等。闭合式冷却塔，冷却水通过热交换器将热量传递给空气，避免了水与空气的直接接触，从而减少了水的损失和受污染风险，但其体积较大及高成本也大大的限制了其推广及应用。在夏热冬暖地区，一般项目均以采用开放式冷却塔为主，但选型设计冷却塔时，必须特别重视气候因素和选择散热良好的安装位置。高温和高湿度意味着开放式冷却塔的冷却效果会受到影响，而安装位置散热不良则会加剧影响冷却塔的冷却散热效果。因此需要精确的计算中央空调冷却水系统的散热量，选择具有较大冷却容量的冷却塔组，有利于降低冷却塔的出水温度，可进一步的提高中央空调系统能效。

实际运行数据显示，不恰当的冷却塔选型设计可能导致能耗增加10%至20%。例如，一个为温带地区设计的开放式冷却塔在夏热冬暖地区可能会表现不佳，因为它无法处理高温和高湿度带来的额外冷却负荷。因此，正确的冷却塔选型设计不仅可以提高效率，还可以节省大量能源，减少运营成本。

三、基于PLC控制的节能策略

1 PLC控制技术介绍

可编程逻辑控制器（PLC）是一种为实现工业自动化而设计的电子设备，专门处理和控制复杂的工业过程。这种控制器能对接收的输入信号进行高速、可靠的逻辑判断，并产生相应的输出控制命令，从而控制各种类型的机械或生产过程。与传统的硬线控制方式相比，PLC更加灵活，可以轻松进行编程和修改，适应性强，因此在各种工业应用中都得到了广泛应用。

2 PLC在冷却塔中的应用和优势

冷却塔是工业生产及中央空调系统中常见的设备，为了确保冷却塔高效、安全地运行，并满足夏热冬暖地区特有的运行要求，PLC控制系统的应用显得尤为重要。首先，PLC可以实时监测冷却塔中的各项参数，如水温、湿度、流量、压差等，并根据设定的标准值进行自动调整，确保冷却塔始终处于最佳运行状态。例如，通过监测冷却塔出水的温度，PLC可以自动调节冷却风机的转速，维持冷却水系统供回水温差偏离值在设计范围内，实现最佳的冷却效果。其次，PLC控制系统可以增加冷却塔的运行可靠性和安全性。在出现异常情况时，PLC可以迅速作出判断，并采取相应的应急措施，如关闭某些设备或启动备用冷却塔组，防止事故发生。此外，冷却塔PLC与冷冻机房PLC的综合应用还可以显著提高中央空调系统的整体能效。

3 基于PLC的节能效果分析

基于PLC的控制策略已在冷却塔领域广泛应用，并取得了显著的节能效果。为了深入了解这一技术带来的具体效益，笔者结合已实施的项目进行了一系列的分析和实验对比。PLC可以通过实时监测和调整冷却塔组的运行参数，使冷却塔始终在最佳的工作状态下运行。不仅提高了冷却效率，还有效减少了能耗。除了直接的电费节省外，由于PLC可以准确地控制冷却塔的运行，减少了设备的磨损和维护成本，延长了设备的使用寿命。此外，基于PLC的控制策略还带来了其他额外的效益。例如，由于系统的高度自动化，操作人员的工作强度大大降低，同时由于运行参数的精确控制，冷却塔的故障率也显著下降，大大的延长了冷却塔的使用寿命周期。

四、变频节能技术在冷却塔中的应用

1 变频控制在冷却塔中的实际应用

变频节能技术是一种通过改变电动机的工作频率，以调整其转速和功率的技术，广泛应用于各种电机驱动的设备中。该技术的核心在于，通过调整电机的工作频率，使其始终处于高效的工作状态，从而实现节能。在中央空调冷却系统中，主要的能耗部分来自于循环水泵和冷却塔风机。随着环境温度和室内负荷需求的变化，中央空调系统设备工作状态也需要相应调整。传统的控制方法，如启停控制或阀门调节，虽然可以满足基本的运行需求，但效率较低及舒适性差，且对设备的磨损较大。

通过应用变频技术，冷却塔可以实现精确的流量和温度控制，从而显著降低耗能量。例如，当外部温度降低或冷却需求减小时，冷却塔可以通过降低风机和水泵的转速，减少风量和流量，从而实现节能。实际应用中，变频控制的冷却塔比传统控制的冷却塔节能20%~30%。

2 节能效果与经济性分析

变频技术在冷却塔中的应用带来了明显的节能效果。这主要得益于变频技术能够实现精细的运行控制，使冷却塔始终处于最佳工作状态，避免了因为过度冷却或不足冷却而导致的系统失调及能源浪费。从经济性的角度考虑，虽然初次投入在变频器的购置上会增加一定成本，但长期运行下来，系统舒适性和节省的费用将远大于此。以一个中型冷却塔为例，年均能够节省的电费大约为数万元，这意味着在1-2年内，变频器的投资就能够得到回收。除了直接的电费节省，由于变频器具有软启动功能，可以减少电机的启动电流，使电机避免机械冲击，降低设备的磨损，减少设备的故障率，从而延长设备的使用寿命，减少维护和更换的成本。变频控制的应用可使运行状态更稳定，也能减少设备的故障率，进一步降低运维成本。

五、结论

冷却塔作为中央空调系统的重要组成部分，在夏热冬暖的地区面临特殊的气候挑战。为了有效地应对这些挑战并确保冷却效率，我们必须对冷却塔的选型进行深化设计。通过本文的综合分析，我们发现将PLC控制技术与变频节能技术结合使用，不仅可以优化冷却塔的操作，还可以大大降低能耗和运营成本。具体来说，PLC控制技术使冷却塔运行更为稳定和高效，而变频技术则通过调整电机的运行频率来实现能源的节约。这两种技术结合起来，不仅提高了冷却效率，还为企业带来了显著的经济效益。笔者按此要求选型设计的几个项目案例，冷却塔的能耗只占中央空调制冷机房系统总能耗的2.5~3.0%左右，节能效果明显。因此，对于夏热冬暖地区的中央空调系统，合适的冷却塔选型设计并结合现代控制技术是确保冷却系统高效运行的关键。

参考文献：

[1]王雪梅.中央空调冷却塔排水量自动调节优化控制仿真[J].计算机仿真,2019,36(01):421-424.

[2]钟克承,夏春华,潘庆瑶等.严寒地区数据中心冷却塔供冷空调系统不同模式下的节能分析[J].暖通空调,2016,46(10):5-8.

[3]隋军威.基于PLC控制的空调冷却塔循环水泵的变频节能研究[J].新型工业化,2022,12(03):140-142+148..

[4]胡蓝青,晋欣桥,杜志敏.基于运行数据的冷水机组系统建模及优化控制[J].制冷技术,2022,42(03):13-20.