一种冷却水系统用节能控制系统

技术领域

本发明涉及的一种冷却水系统用节能控制系统，特别是涉及应用于控制系统领域的一种冷却水系统用节能控制系统。

背景技术

冷却水系统是重要的排热系统，广泛应用于冶金、建筑空调、工业生产、数据中心制冷运行等领域由于冷却水系统缺乏合理的节能优化方法，导致能耗巨大。冷却水系统通常是在最不利条件下设计的，而通常在非设计条件下运行的。因此，冷却水系统具有巨大的节能潜力。

在冷却水系统设计中，设备模型和表示设备之间关系的参数是冷却水系统优化模型的基础。其中，冷却塔是冷却水系统传热的关键设备，其运行参数与水冷主机、水泵等运行参数相互制约。其中冷却塔的优化虽然只是整个冷却系统优化的一部分，但鉴于回水温度对于冷机能效水平的影响，对冷却塔优化产生的效益也是不言而喻的。

在冷却塔的实际运行过程中，绝大多数都是在部分负荷条件下运行的，这种情况下冷却塔有多种运行方式。降低冷却塔出水温度对冷水机组性能提高有益，却增加了冷却塔风机和水泵的电能消耗。冷却塔的冷却能力受室外空气温度的影响。当室外温度低于出水温，一般处理方式是加快风机转速或者开启喷淋系统辅助换热，提高制冷量。但是这种方式，导致冷却塔风机以及喷淋系统的能耗将增加。为了平衡两者的得失，就需要界定一个冷却塔最佳回水温度。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是制冷量以及能耗难以平衡。

为解决上述问题，本发明提供了一种冷却水系统用节能控制系统，包括控制中心以及与控制中心信号连接的冷却塔、水冷主机，冷却塔包括塔体，塔体外端固定连接有进风网壳，塔体内部从下到上依次设置有集水盘、盘管、填料、喷淋系统以及收水器，进风网壳位于集水盘和盘管之间，塔体顶部安装有由电机驱动的风机，集水盘内安装有液面传感器，盘管的排水口处安装有温度传感器，水冷主机与盘管的进水口以及出水口之间分别安装有热水管和冷水管，热水管上并联有两个不同时开启的热水泵，冷水管上并联有两个不同时开启的冷水泵，喷淋系统、风机、热水泵、冷水泵、液面传感器以及温度传感器均与控制中心信号连接；

集水盘底部和喷淋系统之间连接有无泵上水组件，无泵上水组件包括固定贯穿塔体并与集水盘底部相通的回水管、盛放有循环水的储水罐以及安装在储水罐与喷淋系统之间的倒U形管，倒U形管远离喷淋系统的一端贯穿储水罐并延伸至循环水液面以下，倒U形管的两端均安装有保水电磁阀，其中一个保水电磁阀位于循环水液面以下，且两个保水电磁阀均与控制中心信号连接，回水管远离塔体的一端与储水罐底部固定并相通。

在上述冷却水系统用节能控制系统中，采用变频的风机的设置，可以智能控制风机的转速，从而平衡耗电量以及制冷量，达到提高制冷量的同时，使机组维持较低的耗电量，并且在无泵上水组件的设置下，可实现塔体内循环水的无泵的外加动力作用下自动向塔体顶部回水，相较于现有技术，节省了上塔泵，进一步降低能耗，使运行成本降低。

作为本申请的进一步改进，风机为变频式风机以及水动力涡流风扇中的一种。

作为本申请的进一步改进，储水罐内循环水液面高于喷淋系统，且储水罐内同样安装有液面传感器，储水罐外端还固定连接有补水管，补水管上安装有补水电磁阀，液面传感器位于补水管下方、喷淋系统上方，补水电磁阀与控制中心信号连接。

作为本申请的进一步改进，回水管以及倒U形管上均选择性安装有循环水泵，两个循环水泵均与控制中心信号连接。

一种冷却水系统用节能控制系统，其控制方法包括以下步骤：

首先在温度传感器内设置多个温度阈值，分别为k1、k2、k3和k4；

S1、通过温度传感器温度传感器检测盘管的出水温度T，并对比温度传感器的实时温度与温度阈值进行比较：

S11、当T＜k1时，控制中心控制风机关闭；

S12、当k1≤T＜k2时，控制中心控制风机开启，进行抽风工作；

S13、当k2≤T＜k4时，控制中心控制风机转速增加；

S14、当T≥K4时，控制风机转速加快，同时控制喷淋系统开启，此时集水盘内水在无泵的作用下流入喷淋系统内，使喷淋系统开始喷淋工作，直至T降低至k3以下时，此时控制中心控制喷淋系统关闭停止工作；

S21、通过液面传感器监测集水盘以及储水罐内的液面高度，当集水盘内液面过高时，通过循环水泵将集水盘内积水快速泵入储水罐内储存；

S22、当储水罐内液面过低时，控制中心控制补水电磁阀开启，使外界水能向储水罐内补充，使储水罐内液面回升，使储水罐液面与喷淋系统之间存在高度差，使储水罐内存储的循环水能在无泵的外加动力情况下，沿着倒U形管流入到喷淋系统内进行喷淋，达到节能的效果。

作为本申请的进一步改进，在步骤S14中，控制中心在控制喷淋系统关闭之前，先控制上的两个保水电磁阀关闭，使倒U形管内维持充满水的状态；控制中心在控制喷淋系统开启时，同时控制两个保水电磁阀开启。

作为本申请的又一种改进，盘管包括多个上下叠放的蛇形管，多个蛇形管首尾之间均连接有连蛇弯管，连蛇弯管弹性材料制成。

作为本申请的又一种改进的补充，蛇形管的个数为奇数个，且从上到下，第偶数个的蛇形管两端与塔体对应的内壁之间均安装有两个电动推杆，电动推杆与控制中心信号连接，当出水温度T≥k2时，控制中心控制一侧的多个电动推杆伸长，同时控制另一侧的多个电动推杆同步缩短，使上下相邻的两个蛇形管相互错位。

作为本申请的又一种改进的补充，蛇形管的平直段包括两个定位段以及固定镶嵌在两个定位段之间的自适应段，自适应段外表面粘贴有多个均匀分布的磁条，两个定位段之间设有控径片，控径片贯穿自适应段，且控径片的两端与定位段之间均固定连接两个相互对称的定位杆。

作为本申请的又一种改进的补充，控径片为表面包裹有绝缘层的电磁材料制成，磁条为铁磁性结构，且磁条的长度小于自适应段的长度，磁条的两端均为球面结构。

综上，本方案可以智能控制并调整风机的转速，从而平衡耗电量以及制冷量，达到提高制冷量的同时，使机组维持较低的耗电量，并且在无泵上水组件的设置下，可实现塔体内循环水的无泵的外加动力作用下自动向塔体顶部回水，相较于现有技术，节省了上塔泵，进一步降低能耗，使运行成本降低，另外，在出水温度较高时，加快风机转速的同时，可同步控制多个蛇形管相互错位，使蛇形管相互之间不易遮挡，使上行的空气以及下行的循环水均能与蛇形管接触，同时蛇形管的截面还可发生适应性变化，从而大幅度加快蛇形管内水的降温速度，使在同等出水温度的要求下，可有效缩短风机加速转动的时长以及喷淋系统的工作时长，进一步提高本系统的节能效果。

附图说明

图1为本申请第一种实施方式主要的系统框图；

图2为本申请第一种实施方式中冷却塔的主要原理框图；

图3为本申请第一种实施方式中本系统的控制原理示意图；

图4为本申请第一种实施方式的冷却塔的截面图；

图5为本申请第二种实施方式的盘管的立体图；

图6为本申请第二种实施方式中多个蛇形管上下错位时的立体图；

图7为本申请第二种实施方式的盘管未错位时侧面的示意图；

图8为本申请第二种实施方式的盘管错位后侧面的示意图；

图9为本申请第二种实施方式本系统的控制原理示意图；

图10为本申请第三种实施方式的蛇形管的平直段在截面变化前后的正面对比图；

图11为本申请第三种实施方式的蛇形管的平直段在截面变化前后的截面对比图；

图12为本申请第四种实施方式中冷却水进行开放式循环冷却的示意图。

图中标号说明：

1塔体、101液面传感器、2进风网壳、3盘管、31蛇形管、32连蛇弯管、33控径片、311定位段、312自适应段、313磁条、301温度传感器、302电动推杆、303定位杆、4填料、5喷淋系统、6收水器、7风机、8储水罐、81回水管、82补水管、801补水电磁阀、9倒U形管、901保水电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的三实施方式作详细说明。

第一种实施方式：

图1和图2示出一种冷却水系统用节能控制系统，包括控制中心以及与控制中心信号连接的冷却塔、水冷主机，如图4，冷却塔包括塔体1，塔体1外端固定连接有进风网壳2，塔体1内部从下到上依次设置有集水盘、盘管3、填料4、喷淋系统5以及收水器6，进风网壳2位于集水盘和盘管3之间，塔体1顶部安装有由电机驱动的风机7，集水盘内安装有液面传感器101，液面传感器101用于监控集水盘内的积水液面，盘管3的排水口处安装有温度传感器301，水冷主机与盘管3的进水口以及出水口之间分别安装有热水管和冷水管，热水管上并联有两个不同时开启的热水泵，其中一个热水泵备用，在热水泵出现异常后，备用的热水泵接管工作，从而有效保证水冷主机排出的热水能顺利流入盘管3，冷水管上并联有两个不同时开启的冷水泵，同样的，其中一个冷水泵备用，喷淋系统5、风机7、热水泵、冷水泵、液面传感器101以及温度传感器301均与控制中心信号连接；

通过温度传感器301可实时监控出水温度，根据该出水温度，控制中心可实时调控风机7的转速，在温度过高时，加快转速，温度变低后，降低转速，从而使制冷量与耗电量达到平衡，达到节能的效果。

另外，水冷主机可与冷库、空调、注塑机、锅炉等需要循环水冷的设备相连，使经过冷却塔降温排出的冷水能用做上述设备的循环冷却水。

如图4，集水盘底部和喷淋系统5之间连接有无泵上水组件，无泵上水组件包括固定贯穿塔体1并与集水盘底部相通的回水管81、盛放有循环水的储水罐8以及安装在储水罐8与喷淋系统5之间的倒U形管9，倒U形管9远离喷淋系统5的一端贯穿储水罐8并延伸至循环水液面以下，倒U形管9的两端均安装有保水电磁阀901，在需要开启喷淋系统5，辅助换热时，控制中心需要同时控制两个保水电磁阀901开启，同样的在关闭喷淋系统5时，需要同步控制两个保水电磁阀901关闭，从而有效保证倒U形管9内始终充满循环水，不易存在空气，基于虹吸原理，便于储水罐8内的水能在无泵的外加力作用下，沿着倒U形管9流入至喷淋系统5内，进而实现节省一个上塔泵的效果，进一步实现节能降耗，其中一个保水电磁阀901位于循环水液面以下，且两个保水电磁阀901均与控制中心信号连接，回水管81远离塔体1的一端与储水罐8底部固定并相通，通过无泵上水组件，使用于降温的循环水从喷淋系统5向下落下，穿过填料4均匀落在盘管3上，最终流至集水盘上被收集，而后通过回水管81回流至储水罐8内，实现循环水在塔体1内的循环，便于与盘管3内的冷却介质进行热交换，降低冷却介质的温度，使出水温度降低。

风机7为变频式风机以及水动力涡流风扇中的一种，当使用水动力涡流风扇时，可通过增压泵直接将集水盘内的水泵至上方的水动力涡流风扇处，对其进行冲击，从而达到驱动风机7的作用，实现节能。

其中变频的风机7可根据实际需要变频使用，节能性更好；

变频式风机一般采用高效节能无刷电机驱动，将空气吸入底部，然后再增加风量，自由旋转90度吹出，耗电量仅是传统风扇的一半，同样具备良好的节能性。

如图4，储水罐8内循环水液面高于喷淋系统5，使倒U形管9两侧的具有明显的液面差，便于储水罐8内水在无泵的外加动力作用下流入喷淋系统5内，且储水罐8内同样安装有液面传感器101，储水罐8外端还固定连接有补水管82，补水管82与外界水源相通，补水管82上安装有补水电磁阀801，液面传感器101位于补水管82下方、喷淋系统5上方，补水电磁阀801与控制中心信号连接，当液面传感器101检测到其内液面降低后，控制中心得到该信号后，开启补水电磁阀801，通过补水管82可向储水罐8内进行补水，使储水罐8内水液面能维持在喷淋系统5上方，使在需要时，储水罐8内水能直接沿着倒U形管9进入到喷淋系统5内，实现循环水的无动力上塔循环。

回水管81以及倒U形管9上均选择性安装有循环水泵，两个循环水泵均与控制中心信号连接，两个循环水泵均处于常闭状态，当检测到集水盘内液面过高后，对应的循环水泵开启，加快将集水盘内的水泵入储水罐8内，而当倒U形管9内混入空气，导致储水罐8内水难以流向喷淋系统5时，控制中心可控制对应的循环水泵开启，使倒U形管9内再次充满水后，关闭，使储水罐8内水能顺利进入到喷淋系统5内。

值得注意的是，回水管81上安装有单向阀，使循环水只能从集水盘流向储水罐8，而不能反向流动。

一种冷却水系统用节能控制系统，其控制方法包括以下步骤：

如图3，首先在温度传感器内设置多个温度阈值，分别为k1、k2、k3和k4，在本实施方式中，k1、k2、k3和k4分别取20℃、25℃、30℃、35℃，在具体实施时，可根据实际需要选择性设置k1、k2、k3和k4的具体数值；

S1、通过温度传感器温度传感器301检测盘管3的出水温度T，并对比温度传感器301的实时温度与温度阈值进行比较：

S11、当T＜k1时，控制中心控制风机7关闭；

S12、当k1≤T＜k2时，控制中心控制风机7开启，进行抽风工作；

S13、当k2≤T＜k4时，控制中心控制风机7转速增加；

S14、当T≥K4时，控制风机7转速加快，同时控制喷淋系统5开启，此时集水盘内水在无泵的作用下流入喷淋系统5内，使喷淋系统5开始喷淋工作，直至T降低至k3以下时，此时控制中心控制喷淋系统5关闭停止工作；

S21、通过液面传感器101监测集水盘以及储水罐8内的液面高度，当集水盘内液面过高时，通过循环水泵将集水盘内积水快速泵入储水罐8内储存；

S22、当储水罐8内液面过低时，控制中心控制补水电磁阀801开启，使外界水能向储水罐8内补充，使储水罐8内液面回升，使储水罐8液面与喷淋系统5之间存在高度差，使储水罐8内存储的循环水能在无泵的外加动力情况下，沿着倒U形管9流入到喷淋系统5内进行喷淋，达到节能的效果。

在步骤S14中，控制中心在控制喷淋系统5关闭之前，先控制91上的两个保水电磁阀901关闭，使倒U形管9内维持充满水的状态；控制中心在控制喷淋系统5开启时，同时控制两个保水电磁阀901开启。

在上述冷却水系统用节能控制系统中，采用变频的风机7的设置，可以及时智能控制并调整风机7的转速，从而平衡耗电量以及制冷量，达到提高制冷量的同时，使机组维持较低的耗电量，并且在无泵上水组件的设置下，可实现塔体1内循环水的在无泵的外加动力作用下自动向塔体1顶部回水，相较于现有技术，节省了上塔泵，进一步降低能耗，使运行成本降低。

第二种实施方式：

本实施方式在第一种实施方式的基础上，对盘管3的进行进一步的改进，其余部分与第一种实施方式保持一致。

图5示出，盘管3包括多个上下叠放的蛇形管31，多个蛇形管31首尾之间均连接有连蛇弯管32，连蛇弯管32弹性材料制成，如图6和图7，蛇形管31的个数为奇数个，且从上到下，第偶数个的蛇形管31两端与塔体1对应的内壁之间均安装有两个电动推杆302，电动推杆302与控制中心信号连接，如图8和图9，当出水温度T≥k2时，控制中心控制一侧的多个电动推杆302伸长，同时控制另一侧的多个电动推杆302同步缩短，使上下相邻的两个蛇形管31相互错位，在相互错位时，多个蛇形管31不易相互遮挡，均能充分与上行的空气以及下行的循环水充分接触，同样温度下，降低至同一个目标出水温度时，本实施方式相较于仅第一种实施方式，能更快的达到目标出水温度，使风机加快转速的时间或者喷淋系统5开启工作的时间更短，进而使在同样的制冷量作用下，耗电量更低，使节能效果更好。

第三种实施方式：

本实施方式在第二种实施方式的基础上，新增下述内容其余部分与第二种实施方式保持一致。

如图10和图11，蛇形管31的平直段包括两个定位段311以及固定镶嵌在两个定位段311之间的自适应段312，自适应段312外表面粘贴有多个均匀分布的磁条313，两个定位段311之间设有控径片33，控径片33贯穿自适应段312，且控径片33的两端与定位段311之间均固定连接两个相互对称的定位杆303，控径片33为表面包裹有绝缘层的电磁材料制成，磁条313为铁磁性结构，在控制中心控制风机转速加快，提高换热效果的同时，可同步控制控径片33通电，使其对多个磁条313产生吸附力，此时多个磁条313朝向控径片33靠近，进而带动自适应段312中部逐渐被挤压缩短，而横向因挤压而向外扩展，使自适应段312的截面由圆形逐渐向椭圆靠近，使磁条313上下端面之间不同位置的跨度差缩小，并且直面上行的空气或下行的循环水的面积均增大，进而使与其内的冷却介质的热交换效率得到提高，进一步加快降温速度，使在同等制冷量下，耗电量得到进一步的降低。

磁条313的长度小于自适应段312的长度，磁条313的两端均为球面结构，有效保证磁条313朝向控径片33移动时，自适应段312具有足够的形变能力随之形变，另外其球面可保护自适应段312，降低二者之间的磨损。

综上，采用变频的风机7的设置，可以及时智能控制并调整风机7的转速，从而平衡耗电量以及制冷量，达到提高制冷量的同时，使机组维持较低的耗电量，并且在无泵上水组件的设置下，可实现塔体1内循环水的在无泵的外加动力作用下自动向塔体1顶部回水，相较于现有技术，节省了上塔泵，进一步降低能耗，使运行成本降低，另外，在出水温度较高时，加快风机转速的同时，可同步控制多个蛇形管31相互错位，使蛇形管31相互之间不易遮挡，使上行的空气以及下行的循环水均能与蛇形管31接触，同时蛇形管31的截面还可发生适应性变化，从而大幅度加快蛇形管31内水的降温速度，使在同等出水温度的要求下，可有效缩短风机7加速转动的时长以及喷淋系统的工作时长，进一步提高本系统的节能效果。

第四种实施方式：

如图12，图中a表示增压泵，前三种实施方式均是针对逆流闭式冷却塔实施的，本实施方式针对开放式冷却塔实施。

具体的，在本实施方式中的冷却塔中，不设置盘管3，来自水冷主机的热水直接通入喷淋系统5内，向下喷淋而出，并经过填料4落入塔体1底部的集水盘内，在此过程中，配合上行的空气进行热交换，实现降温冷却，最后集水盘中经过热交换的水通过冷水泵可回流至水冷主机。

值得注意的是，在本实施方式中，由于针对开放式冷却塔，其不设置盘管3，因而前三种实施方式中与盘管3相关的内容均不设置，当采用变频式风机7时，无泵上水组件同样可适用本方案，此时倒U形管的出水口设置在喷淋系统5上方即可。

而风机7采用水动力涡流风扇时，需要配合增压泵将集水盘内的水泵至水动力涡流风扇上，在水的冲击力作用下驱动水动力涡流风扇转动，从而吸收空气，使其上行，在此过程中利用水压驱动风机，可达到一定的节能效果。

另外，值得注意的是在冬季，外部温度较低的情况下，内外温差大，热交换较快，对风机7转速要求不高时，可仅采用无泵上水组件将集水盘的水引流至风扇顶部，而在环境温度较高时，可通过增压泵配合无泵上水组件使用，也可如图12直接采用增压泵进行回水的方式。

结合当前实际需求，本申请采用的上述实施方式，保护范围并不局限于此，在本领域技术人员所具备的知识范围内，不脱离本申请构思作出的各种变化，仍落在本发明的保护范围。