多臺(tái)冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制

程 鎮(zhèn)，陳德祥，湯繼保，袁 哲，鄭榮波

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，我國對(duì)空調(diào)的需求量也伴著建筑規(guī)模的不斷擴(kuò)大而增加。對(duì)此，選用多臺(tái)冷水機(jī)組同時(shí)進(jìn)行工作的方式才能夠最大程度滿足人們對(duì)空調(diào)的需求。但就多臺(tái)冷水機(jī)組系統(tǒng)本身而言，也存有一定局限性，因?yàn)槎嗯_(tái)冷水機(jī)組是同時(shí)運(yùn)行的，所以冷水機(jī)組運(yùn)行所消耗的能量不僅是根據(jù)冷水機(jī)組自身的特點(diǎn)決定，還與部分負(fù)荷下冷水機(jī)組的負(fù)荷分配策略是緊密相連的。因此針對(duì)冷水機(jī)組類型選擇的時(shí)候，需要尋找負(fù)荷分配策略的最優(yōu)方案，以期能夠最大化地提高多臺(tái)冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率，使空調(diào)能耗降到最低，不斷減少能量的消耗。因此在分析研究的時(shí)候主要是選擇以兩臺(tái)相同容量并聯(lián)運(yùn)行的冷水機(jī)組為例，同時(shí)通過比較分析差異化的負(fù)荷分配方案下冷水機(jī)組對(duì)于能量的消耗，以此確認(rèn)最優(yōu)的分配方案，不斷優(yōu)化多臺(tái)冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)。

1 研究對(duì)象分析

本文對(duì)多臺(tái)冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究的時(shí)候，主要是以北京地區(qū)的某建筑物中的空調(diào)系統(tǒng)為主進(jìn)行分析。由于這個(gè)建筑物的空調(diào)主要在夏季運(yùn)行，也就是5 月～9 月這5 個(gè)月運(yùn)行，運(yùn)行的時(shí)間主要為2880 h，空調(diào)系統(tǒng)的縫負(fù)荷率的分布主要是如下表1 所示。由于這個(gè)建筑物的總冷負(fù)荷為1688 kW，本文在分析的時(shí)候主要是選擇兩臺(tái)規(guī)格相同的冷水機(jī)組進(jìn)行闡述。由于這兩臺(tái)冷水機(jī)組主要是并聯(lián)運(yùn)行，因此每臺(tái)冷水機(jī)組的負(fù)荷量為844 kW。

表1 北京地區(qū)某建筑物夏季空調(diào)負(fù)荷率分布

2 運(yùn)行能耗分析

2.1 螺桿式冷水機(jī)組運(yùn)行能耗分析。

螺桿式冷水機(jī)組空調(diào)的運(yùn)行能耗分析，如果在運(yùn)行過程中改變滑閥的位置，那么就可以實(shí)現(xiàn)螺桿式制冷壓縮機(jī)在10%～100%對(duì)螺桿式冷水機(jī)組的能量進(jìn)行調(diào)節(jié)工作，并且由于螺桿式冷水機(jī)組的工作效率在30%～100%壓縮機(jī)的效率是比較高的，但是如果是 螺桿式壓縮機(jī)的范圍處于30%以下的時(shí)候，螺桿式壓縮機(jī)的工作效率就會(huì)不斷的下降。正是由于螺桿式壓縮機(jī)存在的局限性，致使一旦當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)想要采用兩臺(tái)同等容量的螺桿式冷水機(jī)組并聯(lián)工作之時(shí)，部分負(fù)荷狀態(tài)下的空調(diào)系統(tǒng)主要是有兩種負(fù)荷方案。

（1）方案1。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷在50%以上的時(shí)候，冷水機(jī)組的主機(jī)叢機(jī)均衡負(fù)擔(dān)負(fù)荷，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷小于50%的時(shí)候，空調(diào)系統(tǒng)的主機(jī)就會(huì)獨(dú)自承擔(dān)全部的空調(diào)負(fù)荷；

（2）方案2。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷大于50%的時(shí)候，空調(diào)系統(tǒng)的主機(jī)就全負(fù)荷運(yùn)行，叢冷水機(jī)組就補(bǔ)充不足的負(fù)荷，一旦空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷在小于50%的時(shí)候，有空調(diào)系統(tǒng)承受全部的負(fù)荷。經(jīng)過對(duì)方案1 和方案2 的空調(diào)能耗進(jìn)行計(jì)算就會(huì)發(fā)現(xiàn)，使用方案1 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的總能耗主要是為1.81×105kW·h。而使用方案2 的時(shí)候，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候所消耗的總能耗達(dá)到了1.926×105kW·h。

通過對(duì)上述的兩種負(fù)荷分配方案進(jìn)行分析研究就會(huì)發(fā)現(xiàn)，由于上面的這兩種負(fù)荷分配方案都是以50%為一個(gè)切換點(diǎn)，并據(jù)此選用不同的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷分配控制方案的。針對(duì)兩臺(tái)容量相同的冷水機(jī)組組合系統(tǒng)而言，這兩種方案其實(shí)就是比較常用的控制方案。但是多臺(tái)冷水自己在運(yùn)行的過程中，50%負(fù)荷作為冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的部分負(fù)荷點(diǎn)并不一定是最好的切換點(diǎn)。經(jīng)過相關(guān)研究證明，選擇繪制相應(yīng)冷水機(jī)子的負(fù)荷比功率關(guān)系圖以確定最好的切換點(diǎn)是比較好的。這主要是由于繪制的圖形橫坐標(biāo)表示系統(tǒng)負(fù)荷比，而縱坐標(biāo)表示為系統(tǒng)比功率，即空調(diào)系統(tǒng)總耗功與空調(diào)系統(tǒng)總冷量間的比值。分析會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果是空調(diào)系統(tǒng)的比功率是比較小的，那么空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率就會(huì)比較高的。而且從繪制的負(fù)荷比功率關(guān)系圖中就可以得知在各階段、各部分負(fù)荷狀態(tài)下空調(diào)系統(tǒng)效率的最大值。通過在不同的負(fù)荷區(qū)域改變空調(diào)系統(tǒng)的控制方式，讓空調(diào)系統(tǒng)能夠保持持續(xù)高效運(yùn)行狀態(tài)，并且在運(yùn)行的過程中不斷的減少能量的消耗。

以螺桿式冷水機(jī)組為例，進(jìn)行分析，通過繪制冷水機(jī)組的負(fù)荷比功率圖，確定空調(diào)系統(tǒng)的部分負(fù)荷分配策略和措施，同時(shí)計(jì)算出空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的總能耗。主冷水機(jī)組主要負(fù)擔(dān)全部的負(fù)荷，若冷量不足時(shí)，從冷水機(jī)組就會(huì)承擔(dān)剩下的負(fù)荷。根據(jù)相關(guān)參數(shù)，可繪制出冷水機(jī)組的負(fù)荷比—比功率的關(guān)系（圖1）。

圖1 螺桿式冷水機(jī)組負(fù)荷比—比功率關(guān)系

在圖1 中主要是有兩條曲線，圖中曲線1主要是兩臺(tái)冷水機(jī)組平均的分擔(dān)空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)擔(dān)，主要顯示的是在冷負(fù)荷控制方式下空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷比與系統(tǒng)比兩者功率的關(guān)系；曲線2 則主要是主冷水機(jī)組負(fù)擔(dān)全部的負(fù)荷，如若主冷水機(jī)組冷量不足，則從冷水機(jī)組就承擔(dān)剩下的全部負(fù)荷，也就是空調(diào)系統(tǒng)的控制方式下的系統(tǒng)負(fù)荷比與系統(tǒng)比功率之家的關(guān)系。對(duì)圖1 進(jìn)行分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷處于30%以下之時(shí)，應(yīng)選用主冷水機(jī)組來承擔(dān)全部負(fù)荷進(jìn)行控制，一旦當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)處于30%～85%的時(shí)候，應(yīng)該是讓兩臺(tái)冷水機(jī)組平均分擔(dān)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，一旦空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷比大于85%，就應(yīng)讓主冷水機(jī)組為主滿負(fù)荷進(jìn)行運(yùn)行，從冷水機(jī)組為輔承擔(dān)余下負(fù)荷的控制方式。冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施這種負(fù)荷分配策略使得空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行，這樣空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的總能耗就達(dá)到了1.65×105kW·h。將此與方案1 和方案2 進(jìn)行對(duì)比就會(huì)發(fā)現(xiàn)，使用方案1 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的總能耗主要是為1.81×105kW·h。而使用方案2 的時(shí)候，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候所消耗的總能耗達(dá)到了1.926×105kW·h，與此相比，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這種方案的能耗是比較低的，節(jié)電率與方案1相比就達(dá)到了9%，而與方案2 相比，這個(gè)方案的節(jié)電率達(dá)到了14%，是最優(yōu)的負(fù)荷分配策略，能耗比較小，節(jié)電效果好。

2.2 活塞式冷水機(jī)組運(yùn)行能耗分析。

分析研究時(shí)，為了比較方便，主要對(duì)使用了與螺旋式冷水機(jī)組相同負(fù)荷分配方案進(jìn)行能耗分析。研究發(fā)現(xiàn)，使用方案1 活塞式冷水機(jī)組運(yùn)行總能耗達(dá)到2.403×105kW·h，而使用方案2 活塞式冷水機(jī)組運(yùn)行總能耗達(dá)到2.382×105kW·h?；钊嚼渌畽C(jī)組的負(fù)荷比—比功率的關(guān)系見圖2。

分析圖2 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷比小于25%時(shí)，為能承擔(dān)全部的負(fù)荷，應(yīng)選用主冷水機(jī)組來進(jìn)行控制；當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷比處于25%～50%時(shí)，應(yīng)選用兩臺(tái)冷水機(jī)組來共同承擔(dān)全部負(fù)荷；當(dāng)空調(diào)負(fù)荷比大于50%的時(shí)候，應(yīng)選用主冷水機(jī)組為主進(jìn)行滿負(fù)荷運(yùn)行，從冷水機(jī)組為輔承擔(dān)剩下負(fù)荷的控制方式。使用這種方案，空調(diào)系統(tǒng)的總能耗達(dá)到了2.345×105kW·h。將方案1 和方案2 進(jìn)行對(duì)比，方案1空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的總能耗是1.81×105kW·h。使用方案2 時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的總能耗達(dá)到1.926×105kW·h。方案1 節(jié)電2.4%，方案2 節(jié)電1.6%。對(duì)比顯示，螺桿式冷水機(jī)組與活塞式冷水機(jī)組采用的負(fù)荷分配策略的節(jié)電率，前者明顯大于后者。

圖2 活塞式冷水機(jī)組負(fù)荷比—比功率關(guān)系

3 結(jié)論

分析多臺(tái)冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制得出結(jié)論，螺桿式冷水機(jī)組的節(jié)電率比較高。