中央空調(diào)系統(tǒng)集控變流量節(jié)能控制設(shè)計

曾繁明

（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211106）

0 引言

中央空調(diào)是商場、酒店、寫字樓等公共建筑不可缺少的設(shè)施，提高了建筑環(huán)境的舒適度。但是中央空調(diào)功率大，設(shè)計余量大、耗能大，中央空調(diào)所用電費較高?？照{(diào)的負荷隨著季節(jié)、氣候、室內(nèi)熱源的變化而變化，控制中央空調(diào)系統(tǒng)的運行狀態(tài)以適應(yīng)負荷變化，可以減少大量的電能消耗，減少電費支出。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能理論依據(jù)

本設(shè)計主要內(nèi)容就集中在冷水機組的集中控制和循環(huán)水泵的變頻控制兩個方面。

主機集控是指包括壓縮機、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風(fēng)機集中控制的方式。是指當需要開啟一定的機組數(shù)后，因負荷降低壓縮機卸載或停機、或因故障停機使壓縮機總的出力負荷小于等于所開機組數(shù)壓縮機總負荷減去1 臺機組壓縮機總負荷時，自動調(diào)整壓縮機運行方式、調(diào)整冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風(fēng)機的運行臺數(shù)，從而達到降低運行成本的目的。

水泵變流量控制系統(tǒng)在線實時采集供水缸和回水缸冷媒水進水、出水溫度，根據(jù)冷媒水進出水溫差計算空調(diào)主機的冷負荷。根據(jù)對冷媒水溫度的檢測，分析出目前空調(diào)主機的冷負荷，通過控制算法及時調(diào)節(jié)冷媒水泵變頻器來控制冷媒水流量，使冷媒水流量適合目前空調(diào)負荷情況和末端流量需求，確保冷媒水泵處于最節(jié)能的狀態(tài)下運行。同時，為了避免因冷媒水量的過大或過小影響空調(diào)主機的熱交換，控制系統(tǒng)對冷媒水流量做了最大流量和最小流量限制，確?？照{(diào)主機安全、高效運行。

離心式流體傳輸設(shè)備（如離心式水泵、風(fēng)機等）屬于平方律負載，輸出功率P 與其轉(zhuǎn)速n 的三次方成正比，P=K×n3，其中，K為比例常數(shù)。降低水泵的轉(zhuǎn)速，水泵的輸出功率就可以下降更多。如將電機的供電頻率由50 Hz 降為45 Hz，則理論上45 Hz與工頻50 Hz 的輸出功率之比為（45/50）3=0.729，可以節(jié)省耗電27.1%。因此，利用變頻技術(shù)改變水泵、風(fēng)機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)水流量、空氣流量，具有明顯節(jié)能效果，一般都可以節(jié)電30%以上。

2 中央空調(diào)系統(tǒng)集控變流量節(jié)能控制設(shè)計

2.1 冷水主機集控系統(tǒng)設(shè)計

主機集控以采用2 套主機組成的冷凍站為例。冷凍泵、冷卻泵與主機采用串聯(lián)的結(jié)構(gòu)模式，正常使用時由人工選擇開機臺數(shù)以及開啟的機組，但在負荷波動過程中存在如下問題。

（1）主機出力與負荷穩(wěn)定時，壓縮機存在著繼續(xù)卸載直至停機，從而導(dǎo)致水溫出現(xiàn)較大范圍波動，影響到空調(diào)效果，進而增加主機部分的功耗。

（2）當1 臺機組全部壓縮機受溫控全部停機時，冷凍泵、冷卻泵仍保持運行，增大了水泵功耗。

（3）當2 臺機組都出現(xiàn)部分負荷時，壓縮機處于高能耗、低效率區(qū)運行，較1 臺機組高負荷運行能耗增大；此外2 臺機組的冷凍泵與冷卻泵為保持其余壓縮機的工作，均須正常工作；如能優(yōu)化機組運行，由1 臺機組完成負荷適應(yīng)，則降低了水泵功耗。

2 臺機組運行時，當運行的壓縮機臺數(shù)小于等于1 臺時，則優(yōu)化為1 臺機組運行；此時對應(yīng)的冷卻泵、冷卻塔風(fēng)機停機運行，冷凍泵視系統(tǒng)情況繼續(xù)運行或停機。

以400 kW 機組為例進行分析，該機組在滿負荷工況下全載電流為700 A。根據(jù)開利機組的部分負荷機組曲線，壓縮機在50%負載時功率228 kW，壓縮機部分負荷時能耗以運行1 h 計，2 臺機組壓縮機50%負荷，相應(yīng)能耗為1×228×2=456 kW·h。若優(yōu)化調(diào)整為1 臺壓縮機全載運行，相應(yīng)能耗為1×400×1=400 kW·h，則在此模式下運行1 h 壓縮機功耗節(jié)省456-400=56 kW·h。在此基礎(chǔ)上通過集控優(yōu)化，可以調(diào)整降低的冷媒水泵、冷卻水泵功耗為55×1+90×1=145 kW·h。中央空調(diào)系統(tǒng)實際運行時往往大部分時間都處于部分負荷運行，存在較大節(jié)能空間。

2.2 冷媒水循環(huán)系統(tǒng)變流量控制

冷水主機的制冷效果決定了冷媒水的出水溫度，一般比較穩(wěn)定，冷媒水回水溫度隨著室內(nèi)的熱負荷情況而改變。在本設(shè)計中取回水溫度作為控制目標，通過變頻器對冷媒水水泵轉(zhuǎn)速進行自動調(diào)節(jié)，控制冷媒水的供回水溫差，避免出現(xiàn)大流量、小溫差的工作狀況。

當空調(diào)末端負荷發(fā)生變化時，冷媒水回水溫度、流量亦隨之變化，流量計、溫度計將檢測到的參數(shù)送至控制器?？刂破饕罁?jù)模糊控制邏輯算法，實時計算出末端空調(diào)負荷所需的制冷（熱）量，以及冷媒水供回水溫度和流量的最佳值，并與檢測值進行比較，輸出控制量，控制變頻器的輸出頻率。調(diào)節(jié)冷媒水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)流量，使冷媒水系統(tǒng)的供回水溫度、流量運行在最優(yōu)值。

通過對冷媒水輸出能量的動態(tài)控制，冷媒流量跟隨末端負荷的需求進行變化、匹配，這樣空調(diào)系統(tǒng)在各種負荷情況下節(jié)省了冷媒水的輸送能耗，又保證末端用戶的舒適性。

2.3 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)變流量控制

在設(shè)計上冷卻水泵電機的容量是按照最大換熱量的情況，再加上一定的安全系數(shù)來確定的。而實際上由于季節(jié)和晝夜氣溫的變化以及開機數(shù)目的減少，換熱量會遠遠小于設(shè)計值，因此，電機容量遠大于實際負荷的需求，出現(xiàn)了大電機帶小負載的情況。冷卻水為主機中的冷凝器進行冷卻，及時把冷凝器散發(fā)的熱量帶走，保證制冷主機正常工作。常規(guī)設(shè)計的冷卻系統(tǒng)，其循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速不變化，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的方式來調(diào)節(jié)冷卻水流量，閥門上存在著很大的能量損失，這部分損失的能量其實就是電機所做的無用功。本項目節(jié)能設(shè)計思路是，在保證制冷主機正常工作的前提下，盡可能減少冷卻水流量進而節(jié)省大量的電能消耗。

冷卻水變流量控制系統(tǒng)中采用變頻技術(shù)改變水泵電機的轉(zhuǎn)速，從而改變冷卻水的流量。冷卻泵所用水泵的形式為與主機1對1 的形式，3 臺機組或以上運行時通過集控調(diào)整，則將3 臺機組的部分負荷調(diào)整為2 臺機組滿負荷。為節(jié)約成本、降低運行能耗，僅在2 臺主泵上增加變頻器，其余水泵定頻運行，運行時可任意選擇與主機配合的2 臺水泵作變頻運行；根據(jù)需要增加第三臺水泵運行時自動作定頻運行。備用水泵通過切換回路實現(xiàn)變頻節(jié)能的目的，即實現(xiàn)任何一臺水泵工作都可以變頻節(jié)能運行。

目前，冷卻水變流量通常采用定溫差控制，在冷卻水進出水管上各安裝1 個溫度傳感器，把溫度信號傳給控制器，控制器把檢測到的冷卻水溫差與設(shè)定值（一般為5 ℃）進行比較，按PID算法控制水泵的轉(zhuǎn)速和流量。當冷凍機組處于部分負荷時，冷卻水溫差較?。ǖ陀? ℃），此時降低水泵轉(zhuǎn)速，減小冷卻水流量，以保持冷卻水5 ℃的溫差。為了保證水流量不低于最小流量，需要設(shè)定1 個頻率下限，通常要高于25 Hz。

還有一種冷卻水變流量控制方法——冷凝溫度控制法，以冷卻水出水溫度為控制變量，間接地控制冷凝溫度，在冷卻水管的出水端安裝1 個溫度傳感器，檢測的溫度和其上限溫度（如37 ℃）進行比較。只要保證水流量不低于最小流量，盡可能降低水泵轉(zhuǎn)速和流量，從而實現(xiàn)節(jié)能。

上述2 種變流量控制方法一般都是PID 控制，容易發(fā)生振蕩，運行穩(wěn)定性差，同時系統(tǒng)無法提供流量、壓差和溫度多重保護，安全保護不完整。在傳統(tǒng)控制方式上進行改進：在冷卻水進水、出水管上安裝溫度+壓力采集點，通過循環(huán)泵和平衡閥的配合，來調(diào)整冷水機組和冷卻塔的獨立流量要求，配合冷卻塔變流量技術(shù)，使冷卻水回水溫度多降低1～3 ℃，提高主機運行效率。

2.4 冷卻塔風(fēng)機變頻控制

中央空調(diào)系統(tǒng)實際使用中由于季節(jié)不同、末端冷負荷變化等原因，大部分時間處于20%～70%負荷運行，為了能靈活調(diào)節(jié)，冷水主機系統(tǒng)均采用多主機組合。多主機系統(tǒng)中冷卻水系統(tǒng)包含多個冷卻塔及冷卻塔群，冷卻塔的冷卻，一靠換熱面積，二靠空氣流通量，冷卻塔群多數(shù)時間也工作在部分負荷狀態(tài)下。

在冷卻水的進、出口安裝溫度傳感器測量溫度，感應(yīng)冷卻塔的水溫，根據(jù)水溫高低來控制風(fēng)機的開啟數(shù)量和風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，以節(jié)省電能。風(fēng)機采取變頻控制以后，可以較好地恒定冷卻水溫，保障冷水主機的制冷效果，同時主機也工作在能效最高的狀態(tài)，節(jié)約能量消耗。冷卻塔風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速運行時還能減少冷卻水飄出積水盤，減少水霧對周圍的影響，減少用水消耗，節(jié)約用水量。

3 結(jié)束語

近20 年來，我國基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展，同時也消耗了大量能源，間接造成了環(huán)境惡化，節(jié)能降耗成為亟待解決的重要課題。在公共建筑中中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗占比最大，和國外發(fā)達國家相比就有很大節(jié)能空間，采用先進的節(jié)能控制技術(shù)可以為業(yè)主帶來巨大的經(jīng)濟效益，并產(chǎn)生深遠的社會效益。