1.本发明涉及一种冷却塔的节能优化方法，属于能源技术领域。
背景技术：
2.很多工业过程、商业中心及数据中心产生大量热量，如果不及时排热降温，轻则产生舒适性问题，重则影响产品及服务质量，更严重地甚至可能会引发安全事故。通常，可采用中、大型空调系统实现降温控湿。而在使用中、大型空调系统的同时，往往也会在其冷凝侧伴随使用冷却塔。冷却塔是一种由电力驱动的、利用循环水和空气的接触和蒸发吸热来实现对空调系统冷凝管路降温排热的设备。
3.随着近年来制冷技术的飞速发展，例如磁悬浮离心式压缩机的研发应用，空调系统的主机功耗在总体能耗中的比例逐渐降低。但冷凝散热部分，因风机、水泵的效率提升幅度并不大，使得其在总体能耗中的比例逐渐提高。以集中式空调系统为例，其冷却水系统消耗的能量约占总功耗的1/4(《制冷与空调》2021,21(4):66)。冷却塔与大自然冷空气的热交换效率、散热途径流畅度是决定中央空调整个系统运行效率的最关键因素之一(《广州通信技术，2020,40(7):71》)。对于数据中心而言，空调系统能耗约占总能耗的40％～50％(《建筑节能》2020,18(11):28)。某通信公司的数据中心仅冷却塔一项电费已超过60万元/年(《智慧建筑》2020(5):35)。我国每年用于冷却塔的电能约400亿kwh(《科技经济导刊》2019,27(9):81)，降低冷却塔的能耗，具有显著的经济效益和环保效益。
4.当前市售冷却塔的主力产品多为定转速、需勤维护型产品，对于变运行工况的适应能力不强，导致可节能潜力很大。近年来，领域内的冷却塔节能升级改造与研发思路，多是朝着更替或加装节能型零部件、降低结构复杂度、提高系统可靠性、远程诊断等方向发展。从总体节能效果来看，仍需要进一步的发展。
技术实现要素：
5.为解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种冷却塔的节能优化方法，在使用前进行防水性能检测，检测合格方可使用，保证冷却塔的正常运行。
6.本发明的技术方案是：一种冷却塔的节能优化方法，包括如下四项联合实施的措施：降低驱动风机能耗、降低机械传动损失、降低风道流阻、提高环境检测能力，客户层面的软、硬件兼容性完善。
7.所述降低驱动风机能耗，具体为：使用转速在50rpm～500rpm间可动态调节的永磁同步电动机取代冷却塔中常用的三相异步电动机来驱动风机，所述永磁同步电动机的永磁体内嵌于由硅钢合金堆叠而成转子铁芯之中，具有防涡流损耗能力、能够克服致命的扫堂短路问题；降低电机热损耗，采用新设计的集中绕组、端部无相间搭接结构，降低端部发热量至少30％；以及采用环氧灌封加浸漆二次处理技术，有效裹覆绕组，热传导增强至少8％；所述降低机械传动损失，具体为：增设专用变频器，可在输出频率10hz～200hz范围内动态调节电机转速，电机转速50rpm～500rpm，使得冷却塔电能消耗与机组负荷及环境温度间良
好匹配；所述降低风道流阻，具体为：设计电动机双层密封结构，并增涂电动机防水防腐涂层，性能不低于ip56等级，防止因外界环境高温、潮湿、水质等环境因素带来的性能衰减。
8.所述永磁同步电动机与冷却塔风机直连。
9.所述永磁同步电动机为内置式，距离出口风最大下沉距离50cm，缩短永磁同步电动机与风机之间的传动轴。
10.所述提高环境检测能力，具体为：实施多测点、互校验的检测技术，所述多测点包括6
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10个温度监测点，2个湿度监测点，2
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4个压力监测点，3
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6个流量监测点，2
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4个电流监测点，2个液位监测点，2个振动监测点，2个噪音监测点，所述检测点将动态监测数据实时反馈给中央控制系统下位机，如果同类型检测数据的误差在5％
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10％之间，或数据相互矛盾，即相对误差＞10％，则立即报告传感器出错；如果同类型检测数据能相互佐证校验，即相对误差≤5％，则可作为实施自动调控的数据依据，实现机组输出与负荷需求间的动态匹配运行。
11.所述客户层面的软、硬件兼容性完善，包括保质保量地布局参数监测
仪器仪表、提供计算机和手机双平台的基于面向对象化理念所设计的上位机人机交互界面、以及协调匹配下位机控制逻辑与控制程序执行器件；建立云数据平台，通过无线传输技术，利用云消息通道将实时检测数据
?
客户端
?
客服端链接起来，一旦发现冷却塔运行处于高能耗模式，甚至是产生安全隐患，能及时发出预警，要求及时进行人工干预、调正。
12.本发明的有益效果是：能够降低冷却塔的运行能耗；能够降低冷却塔的结构复杂度；能够提高冷却塔的使用舒适度。
附图说明
13.图1为一种使用内置永磁同步电动机驱动风机的冷却塔顶部图；
14.图2为一种使用外置三相异步电动机驱动风机的冷却塔顶部图；
15.图3为一种永磁同步电机内永磁体
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硅钢片
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空气槽
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转轴对应关系示意图。
16.图中：1、冷却塔体，2、冷却塔上端盖，3、出风口整流罩，4、永磁同步电动机，5、上托架，6、风机叶片，7、直连结构，8、电缆线，9、三相异步电动机，10、电机上罩，11、皮带套，12、连接轴，13、永磁体，14、硅钢合金片，15、楔形隔热空气槽，16、转轴。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明做进一步说明：
18.实施例1
19.图1示出一种使用内置永磁同步电动机驱动风机的冷却塔三维结构。
20.通过联合实施以下四项核心措施：包括降低驱动风机能耗、降低机械传动损失、降低风道流阻、和提高环境检测能力，再辅以软、硬件兼容性完善，从而实现机组节能的目的。
21.所述降低驱动风机能耗措施：使用转速在50rpm～500rpm间可动态调节的永磁同步电动机1来驱动风机，调节精度为2.5rpm。所述永磁同步电动机的转子由转子铁芯、永磁体13、转轴16、隔热空气槽15等组成。所述转子铁芯是由百组硅钢合金片14堆叠而成，永磁体13内嵌于转子铁芯14之中。其结构附图3所示。该结构的特点在于：其一，能防止产生涡流损耗；其二，可保证磁钢不与定子的交变磁场直接接触，降低退磁风险；其三，可有效保护磁
钢，避免外部磕碰冲击对磁钢造成损伤，且即使磁钢出现崩裂等问题，也不会引起致命的扫膛短路问题，从而确保电机在较长的使用寿命周期内能效不显著衰减。所述永磁同步电动机4还具有双层密封结构，增涂电动机防水、防腐涂层。在40℃潮湿环境中，向电动机实施喷淋自来水，电动机没有进水现象，其转速、能效均未出现衰减现象。对所述电动机实施降低热损耗技术，包括采用新设计的集中绕组、端部无相间搭接结构，降低端部发热量45％以上；以及采用环氧灌封加浸漆二次处理技术，有效裹覆绕组，增强热传导10％。为所述永磁同步电机增设专用变频器，可在频率10hz～200hz范围以最高分辨率1hz实施输出频率调节，从而对应地，电动机转速在50rpm～500rpm范围内以2.5rpm的最高调节精度予以响应。所述变频器安置于冷却塔机组落地式控制柜内，其输入电路与控制系统下位机通过屏蔽电缆线连接，其输出电路与永磁同步电机电源盒内对应接线柱连接。通过永磁同步电机与变频器的配合使用，可以展现出风机调速精度高、调速比大、运转平稳等特点。此外，永磁同步电动机在变频器的配合下可实施软启动，启动噪音降低10分贝。以上所述各措施同时实施时，以本实施案例中所选用的30kw永磁同步电动机为例，在环境湿球温度28℃条件下，相教于同功率传统三相异步电动机，永磁同步电机全负荷运转的节能效果约15％。
22.所述降低机械传动损失措施：本发明所使用的永磁同步电机4的优选转速范围300rpm～500rpm，刚好与冷却塔对风机转速需求匹配，因而可将永磁同步电动机4与冷却塔风机通过直接结构7直接相连。于是，便可取消减速皮带传动装置。而且相应地，也一并取消了皮带套12、皮带轮、减速轴承、轴承座及连接轴12。所述直连方法能有效避免机械传动效率损失，传动效率可提高8％，运转噪音降低2分贝。还能够因减少使用零件而降低制造和维护过程所带来的能耗。
23.所述降低风道流阻措施：本实施案例中电动机安装位置是距离出口风下沉20cm处的上托架5上。对上托架5进行强度分析，结果显示上托架5的变形量仅为1/1600，远优于标准要求的1/300。内置式电动机结构相比于外置式电动机结构的益处是：位于冷却塔出风口整流罩3正上方的皮带传动装置被取消、上托架5也由外置改为内置，因而可直接减少空气流动通道上的风阻，相同功率时电动机功耗降低10％。进一步地，因皮带传动装置被取消、上托架5也由外置改为内置，此时覆盖在出风口整流罩3上的遮网的网孔分布地更加均匀，从而使得出风的发散问题有效得到控制。此外，电动机内置后，不再需要专门设置电动机保护罩10，降低制造和维护过程所带来的能耗。
24.所述提高环境检测能力措施：本实施案例中采用了多参量、多测点、互校验的检测技术，准确掌握冷却塔内运行情况、冷却塔外大气情况以及二者的匹配情况。所述温度检测点布置6个(热电阻，
±
0.15℃)，其中3监测点布置在被冷却介质换热器的入口、中间段和出口位置；另外3个被布置在冷却塔体1迎风面、出风口整流罩3侧壁、以及冷却塔填料区。所述湿度检测点2个(
±
3％rh)布置在冷却塔体1迎风面和冷却塔填料区。所述流量监测点3个，布置在被冷却介质管路中(液相，
±
1.5％)、冷却塔风道中(气相1个，
±
2.5％)以及水管中(液相，
±
1％)。所述压力传感器1个(
±
2.5％)布置在冷却塔体1迎风面和冷却塔出风口外。所述电流检测点2个(
±
2％)，布置在电动机电源线上以及变频器输出电缆线上。所述液位检测点1个(
±
5mm)布置在水箱内。所述振动监测点1个(
±
5％)，布置在机组基座上。所述噪音传感器1个(
±
1db)布置冷却塔体距离基座约100cm处。将所有监测点传感器获取的动态数据实时反馈给中央控制系统下位机。所述的中央控制系统下位机选用的是s7
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200可编程
控制器加em系列数采集模块，位于冷却塔机组落地式控制柜内，其向上与中央控制系统上位机(一体式工业计算机，ppc
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3150s)连接，向下与继电器和交流接触器相连接，继电器和交流接触器再与用电器相连接。
25.当白天环境湿球温度28℃，夜间湿球温度最低达到20℃条件下，相较于三相异步电动机24小时满负荷运行，如果30kw永磁同步电动机能在夜间低负荷运转，则机组节能效果最大可达40％。而且，进一步根据夜间坏境温度变化，配合温控情况下，能降低夜间噪音15分贝。
26.所述需辅以软、硬件兼容性完善：其特征在于客户层面与客服层面的联动机制。所述客户层面的软、硬件兼容性完善包括保质保量地布局参数监测仪器仪表、提供计算机和手机双平台的基于面向对象化理念所设计的上位机人机交互界面(组态软件)、以及协调匹配下位机控制逻辑(梯形图语言编制)与控制程序执行器件。所述客服层面的软、硬件兼容性完善是指建立云数据平台(可通过平台云数据中心，保存5年以上或更长时间的设备运行数据，且随时可浏览查看。保障数据的安全性)，通过先进无线传输技术(5g技术+远程监控)，利用云消息通道将实时检测数据
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客户端
?
客服端链接起来，一旦传感器发聩的数据经主机判断可能是冷却塔运行处于高能耗模式(通过机载中央控制系统判断)，甚至是产生安全隐患(通过客服数据平台判断故障原因)，能及时发出预警(可第一时间通过pc端、移动客户端获取故障信息)，要求及时进行人工干预、调正(保障对客户服务的及时性)。
27.将以上所有节能方法耦合，实施案例1的经济性分析结果如下：以一台30kw电机、一台45kw电机全年24小时运转的冷却塔为例。如果使用传统的冷却塔，其电费约为52.56万元/年；而实施本发明所述的节能方法后，其电费约为36.79万元/年。每年可节约电费15.77万元。实际机组正式运行半年未出现故障。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。技术特征：
1.一种冷却塔的节能优化方法，其特征在于，包括如下四项联合实施的措施：降低驱动风机能耗、降低机械传动损失、降低风道流阻、提高环境检测能力，客户层面的软、硬件兼容性完善。2.根据权利要求1所述的一种冷却塔的节能优化方法，其特征在于，所述降低驱动风机能耗，具体为：使用转速在50rpm～500rpm间可动态调节的永磁同步电动机取代冷却塔中常用的三相异步电动机来驱动风机，所述永磁同步电动机的永磁体内嵌于由硅钢合金堆叠而成转子铁芯之中，具有防涡流损耗能力、能够克服致命的扫堂短路问题；降低电机热损耗，采用新设计的集中绕组、端部无相间搭接结构，降低端部发热量至少30％；以及采用环氧灌封加浸漆二次处理技术，有效裹覆绕组，热传导增强至少8％；所述降低机械传动损失，具体为：增设专用变频器，可在输出频率10hz～200hz范围内动态调节电机转速，电机转速50rpm～500rpm，使得冷却塔电能消耗与机组负荷及环境温度间良好匹配；所述降低风道流阻，具体为：设计电动机双层密封结构，并增涂电动机防水防腐涂层，性能不低于ip56等级，防止因外界环境高温、潮湿、水质等环境因素带来的性能衰减。3.根据权利要求2所述的一种冷却塔的节能优化方法，其特征在于，所述永磁同步电动机与冷却塔风机直连。4.根据权利要求2所述的一种冷却塔的节能优化方法，其特征在于，所述永磁同步电动机为内置式，距离出口风最大下沉距离50cm，缩短永磁同步电动机与风机之间的传动轴。5.根据权利要求1所述的一种冷却塔的节能优化方法，其特征在于，所述提高环境检测能力，具体为：实施多测点、互校验的检测技术，所述多测点包括6
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10个温度监测点，2个湿度监测点，2
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4个压力监测点，3
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6个流量监测点，2
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4个电流监测点，2个液位监测点，2个振动监测点，2个噪音监测点，所述检测点将动态监测数据实时反馈给中央控制系统下位机，如果同类型检测数据的误差在5％
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10％之间，或数据相互矛盾，即相对误差＞10％，则立即报告传感器出错；如果同类型检测数据能相互佐证校验，即相对误差≤5％，则可作为实施自动调控的数据依据，实现机组输出与负荷需求间的动态匹配运行。6.根据权利要求1所述的一种冷却塔的节能优化方法，其特征在于，所述客户层面的软、硬件兼容性完善，包括保质保量地布局参数监测仪器仪表、提供计算机和手机双平台的基于面向对象化理念所设计的上位机人机交互界面、以及协调匹配下位机控制逻辑与控制程序执行器件；建立云数据平台，通过无线传输技术，利用云消息通道将实时检测数据
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客户端
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客服端链接起来，一旦发现冷却塔运行处于高能耗模式，甚至是产生安全隐患，能及时发出预警，要求及时进行人工干预、调正。
技术总结
本发明公开了一种冷却塔的节能优化方法，属于能源技术领域。包括如下四项联合实施的措施：降低驱动风机能耗、降低机械传动损失、降低风道流阻、提高环境检测能力，客户层面的软、硬件兼容性完善。本发明的有益效果是：能够降低冷却塔的运行能耗；能够降低冷却塔的结构复杂度；能够提高冷却塔的使用舒适度。能够提高冷却塔的使用舒适度。
技术研发人员：高敬璞 魏军 周颖 任超 于同山 刘媛媛
受保护的技术使用者：大连斯频德环境设备有限公司
技术研发日：2021.07.02
技术公布日：2021/11/2
声明：
“冷却塔的节能优化方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：大连斯频德环境设备有限公司
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2024年12月06日 ~ 08日 
