關于空調冷卻水系統變頻節能控制的分析和應用

魏漢光　李宇成

[摘要]在不同季節、不同天氣、不同時段下，空調冷凍機制冷負荷變化較大，普通定頻定流量系統，空調冷卻水系統大部分時間在大流量、小溫差狀態下運行，既不節能，也不利于空調冷凍機正常、安全運行。通過分析空調冷卻水系統特點和運行要求，將冷卻水系統與變頻器及測控設備有機結合，形成閉環變頻控制系統。當空調負荷變化或外界溫、濕度變化，造成冷卻水出水溫度變化時，通過調整冷卻泵運行頻率，達到降低綜合能耗，同時保證冷凍機安全、正常運行的目的。

[關鍵詞]空調冷卻水系統 變頻 控制 節能

中圖分類號：TP2文獻標識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0110016-02

近年來，隨著我國經濟發展，中央空調系統已廣泛應用于賓館、飯店、寫字樓、商場、醫院、地鐵站、文化娛樂設施等各類民用建筑，空調能耗增長很快，空調耗電占大型公共建筑總耗電量的50%以上，空調冷凍泵、冷卻泵耗電約占建筑空調耗電的20%左右，但國內建筑物單位面積的耗電量約為國外同等規模同檔次建筑物耗電量的兩倍，節能潛力很大，分析、研究空調冷卻水泵變頻節能智能控制，不僅有利于保障空調冷凍機正常運行工況，而且可以大大降低空調水泵自身的運行能耗和整個系統的綜合能耗，降低建筑空調能源消耗和運營成本，對整個社會的節能和環保都具有非常重要的現實意義。

眾所周知，民用建筑物空調系統是按照天氣最熱、負荷最大季節、時段設計，并留有10%以上的余量，但季節不同、天氣不同、時段不同時，建筑空調需求差異很大，實際上每年絕大部分時間，空調都不需要在最大負荷狀態下運行，根據美國暖通制冷空調工程師協會（ASHRAE）給出的建筑物全年實際運行負荷的統計數據，建筑物在全年的80%的運行時間里，實際空調需求負荷低于設計負荷的75%。目前，空調冷凍機一般都可以按照冷凍水出水溫度設定，根據負荷變化自動加載或減載，空調冷凍水泵變頻調節也已廣泛應用，具有較為靈活的調節性能，但因涉及到空調冷凍機運行控制和冷凝器、蒸發器運行保護及冷卻塔運行要求，受以往技術和傳統設計觀念所限，冷凍機側的冷卻水泵變頻調節控制系統分析研究和應用較少，絕大部分仍采用傳統的定頻冷卻水泵，不能隨負荷和天氣變化相應調整運行工況，無論季節、天氣和負荷變化，都在工頻狀態下全速運行，能量的巨大浪費是顯而易見的，節能潛力很大，而且，當冷卻水溫較低時，還會影響冷凍機正常運行工況，給系統運行安全帶來隱患。

一、水泵調節的方法和性能

以往水泵常用的調節方法有調節進口閥門、調節出口閥門，后來又陸續發展到利用轉差率調節轉速、改變三相交流電頻率來調節轉速等，雖然都可以達到調節水泵流量的目的，但實際能耗情況差異很大，變頻調速方式最接近理想狀態，在不同工況流量調節中最節能，是目前比較理想的流量調節手段。眾所周知，改變泵的轉速，可使泵的性能曲線升高或降低，系統流量和揚程隨之變化，在一定范圍內，流量、揚程和能耗分別與水泵運行頻率的一次方、二次方、三次方近似成正比。

二、空調冷凍機對冷凍水、冷卻水變流量的要求

按照以往技術和設計慣例，為了冷凍機運行穩定、安全，冷凍機側一次冷凍水、冷卻水保持定流量運行，進、出口水溫差控制在5～6℃，蒸發器和冷凝器管束內的水流速約2.0～2.8m/s。長期以來，冷凍機側一次冷凍水泵很少考慮變頻變流量設計和改造，冷卻泵變頻變流量的分析、研究和工程實例更少。作者查閱特靈、約克等著名冷凍機生產商資料，冷凍機蒸發器或冷凝器最小安全流量約為額定流量30～40%，空調冷凍機側一次冷凍泵和冷卻泵的變頻調節控制的最小頻率必須保證滿足最小安全流量和對應的最小壓差，否則，不起保護作用，甚至可能出現蒸發器局部冰凍、冷卻水上不了冷卻塔、冷凝溫度過高等事故。

三、空調冷卻水泵變頻調節分析

（一）空調冷卻水泵變頻節能可行性分析

對于空調冷卻泵變頻節能，目前在工程技術領域大致有兩種觀點：（1）冷卻泵變頻降低流量，會導致空調冷凍機能耗增加，沒有節能效果，甚至危及冷凍機運行安全；（2）空調冷卻泵變頻節能和冷凍水泵變頻控制方法和效果基本一樣。受第一種觀點的影響，空調冷卻泵變頻節能研究和應用很少，受第二種觀點影響，空調冷卻泵變頻節能成功的工程實例較少。

空調冷凍機冷凝器散熱量Qr=C*M*△T，Q與冷凍機運行負荷成正比，傳熱系數C接近是定值，M是冷卻水流量，與冷卻泵運行頻率f近似成正比，△T=T2-T1是進、出冷凝器冷卻水溫差。由此可以看出，提高冷卻水溫度和減小冷卻水流量會導致冷凝器散熱量減小，冷凝溫度升高，按常規設計條件（設計溫差5℃）估算，流量下降20%，冷卻水溫差也會增大約20%，即上升約1℃，冷卻水入口溫度T1基本不變的情況下，冷卻水出口溫度T2升高約1℃，從而導致冷凍機冷凝器冷凝溫度升高約1℃。

從理論上分析，對空調制冷循環來說，冷凝溫度升高，會增大制冷能耗，冷凝溫度升高1℃，制冷能耗增大約相當于冷凍機電機功率的1～2%。但從大多工程實例看，空調冷卻泵電機功率大致相當于冷凍機電機功率的8～12%，當冷凍機負荷較小或冷卻水溫度較低時，假如冷卻泵運行頻率從50Hz減小至40Hz，按理論計算，冷卻水流量減小約20%，冷卻泵消耗功率減小約40%以上，減少量相當于冷凍機電機功率額的3～4.8%，同時，冷凍機冷凝溫度約升高1℃，制冷能耗增大約1～2%，兩者相比，綜合能耗降低大約相當于冷凍機電機功率額的2%，節能效果依然比較顯著。

從空調冷凍機運行實踐分析，冷凍機運行需要保持冷凝壓力和蒸發壓力一定的壓差，例如，根據世界著名的空調冷凍機廠商特靈公司資料，R22制冷劑空調冷凍機冷凝壓力和蒸發壓力的最小差值宜保持在400kPa左右，這樣，在冷凍水出水溫度基本不變的情況下（一般設定為6～7℃），冷卻水溫度不宜過低，流量不宜過大，尤其是部分負荷情況下，壓差過小，會使回油困難，噪音和振動增大，甚至造成冷凍機報警和故障。隨著高檔公共建筑增多，尤其是智能化建筑增多，空調冷凍機運行時間明顯延長，半年甚至全年運行，各季節天氣情況和空調需求負荷變化很大，冷卻水溫度也經常大大低于設計溫度，在這種背景下，空調冷卻泵變頻控制不僅可以節省能耗，而且是空調冷凍機安全正常運行的需要。

（二）空調冷卻水泵變頻調節控制參數選定

因為冷凝器散熱量Qr=C*M*△T，當冷凍機在某一負荷運行時，冷凝器散熱量Qr基本穩定，調整冷卻泵運行頻率，冷卻水流量M近似與運行頻率f正比變化，進出冷凝器水溫差（△T=T2-T1）則近似與運行頻率f反比變化。

如果用冷卻水進出水溫差△T作為控制參數來控制冷卻泵運行頻率，則冷卻泵運行頻率主要與冷凍機運行負荷相關聯，春、秋、冬季節，如果冷凍機負荷較大時，雖然冷卻水進出水溫差△T比較大，但冷卻水整體溫度卻比較低，不僅不能有效利用冷卻水低溫時的節能潛力，而且冷卻水溫度較低時，還會使冷凍機運行工況差，甚至出現故障的情況。

冷卻水系統與冷凍水系統不同的是它的溫度不僅與冷凍機負荷相關，還與外界環境溫度、濕度和冷卻塔工況等相關，進入冷凍機冷凝器的冷卻水溫度T1（或冷卻塔出水溫度）主要取決于環境溫度、濕度和冷卻塔工況，受冷凍機運行狀況影響不大，出冷凍機冷凝器的冷卻水溫度T2（或冷卻塔進水溫度）則主要取決于冷凍機的運行負荷、冷凝器換熱工況和冷卻水流量、進口溫度等。所以可以采用出冷凍機冷凝器的冷卻水溫度T2（或冷卻塔進水溫度）作為控制參數調節冷卻水泵頻率，則可以較大限度地利用冷凍機低負荷和外界環境溫度、濕度較低時兩種情況下的節能潛力。

（三）工程實例和分析

北京某著名大廈數據中心服務器設備很多，空調供冷需求量大、時間長（全年供冷），所以，對制冷系統安全可靠和節能降耗要求很高，除了采用常規的控制和節能技術外，還特別考慮了冷卻水系統變頻節能技術應用。作者在接受這個項目后，通過分析、研究，最初確定按如下設定控制冷卻水泵運行頻率：

但在系統調試中發現，容易出現如下問題：

1．大部分冷凍機油冷卻器采用冷卻水冷卻，油冷卻器的發熱量隨冷凍機運行負荷變化不大，冷卻泵運行頻率和流量過小，會影響冷凍油冷卻，致使油溫過高，所以，冷卻泵的最小安全流量和頻率不能過小，具體數值應根據冷凍機技術資料和運行測試分析取得，本項目冷卻水泵最小安全頻率原設定30Hz過低，容易使冷凍機運行工況變差，油溫高、噪音大等，一般最小安全頻率宜設定在35Hz以上，不宜過小；

2．按照冷卻水出水溫度分段斷點階躍設定冷卻泵運行頻率，當冷卻水溫在不同范圍之間波動時，容易造成冷卻泵頻率變動頻繁，冷凍機和變頻器運行不穩定，而且冷卻水溫度設定值較高，如50Hz運行頻率的設定范圍為T2≥37℃，也會使夏季冷凍機冷凝溫度長時間保持較高數值，對冷凍機安全、高效運行都不利。

經過多次運行測試和分析，比較合理的方法是適當降低溫度設定范圍值，提高最小安全頻率設定值，在每個冷卻水出水溫度區間范圍內冷卻水泵運行頻率按照斜率平滑調節，不要采取分段斷點階躍調節，保證空調冷凍機安全高效運行和冷卻水泵頻率平穩調節，如下表控制參數設定：

空調冷卻水系統控制邏輯原理關系如右圖：

夏季高溫、高濕度和冷凍機大負荷運行時，冷卻水經過冷卻塔處理后進入冷凍機冷凝器的入水溫度T1較高，設定冷卻水出冷凍機冷凝器溫度T2≥32℃（大大低于設計溫度37℃）時，冷卻水泵在50Hz頻率下運轉，保證充足的冷卻水流量，加強高溫時冷凍機冷凝器傳熱效果，從而保證冷凍機運行安全、高效；當空調冷凍機運行負荷較低或春、秋、冬季低溫、低濕度情況下，經過冷卻塔處理后進入冷凍機冷凝器的冷卻水溫度T1較低，出水T2也比較低，當冷卻水出水溫度24℃≤T2＜32℃時，冷卻水泵運行頻率在35～50Hz間平穩調節，穩定在某個頻率運行，在40Hz頻率運行時，冷卻水流量約流量的80%，冷卻水泵電耗約為工頻（50Hz）運行時的一半，最低安全頻率35Hz運行時，冷卻水流量約工頻流量的70% ，冷卻水泵電耗約為工頻運行時的34%，節能效果相當可觀，更為重要的是在低負荷、低冷卻水溫度情況下，冷凍機冷凝器、蒸發器壓差過小，回油困難，冷凍機運行噪音、振動較大，適當降低冷卻泵運行頻率和冷卻水流量，可以適當提高冷卻水出水溫度和冷凝溫度、冷凝壓力，有利于保持冷凍機正常運行狀態。

四、冷卻水泵變頻控制系統設置

（一）空調冷卻水系統控制原理

兩臺空調冷卻水泵（1用1備）共用1臺變頻器，配有變頻器和Y-△啟動轉換開關控制，夏季高溫時采用Y-△系統工頻供電；低負荷、低溫運行時，轉換到變頻器系統供電運行；變頻器或Y-△故障時，可啟動另一套系統供電，不影響冷卻泵運行，保證系統安全可靠性。兩臺冷卻泵定期輪換運行，24小時輪換一次。

冷凍機冷卻水進出口采用壓差傳感器，根據冷凍機額定流量、壓差和最小流量、壓差以及最小上冷卻塔揚程值，來設定最小安全保護壓差，當冷卻泵未啟動或流量過小時，冷卻水進出口壓差小于最小安全保護壓差值，冷凍機保護停機。

（二）冷卻水出冷卻塔溫度T1控制

當冷卻塔為單扇型，冷卻塔風扇應配變頻器控制，設定冷卻水出塔溫度T1（如20℃），來控制風扇變頻器頻率；當冷卻塔為多風扇型，可以設定冷卻水出塔溫度T1（如20℃），來控制風扇開啟臺數，保證出塔冷卻水溫度穩定。

五、結論

上述工程項目2008年5月份投入運行，空調冷卻水系統變頻節能改造經過今年春、夏、秋三季運行、測試，在保證空調冷凍機安全、正常運行的前提下，夏季空調冷卻泵大多在工頻狀態運行，春、秋季隨空調需求和外界溫、濕度情況自動調節運行頻率，尤其是進入九月底以來，外界環境溫、濕度變化較大，空調冷卻泵經常在40Hz附近運行，電耗約為工頻（50Hz）運行時的一半，進入深秋和冬季運行，節能效果會更顯著。