公共建筑中央空調變水量與變水溫節能控制方法研究

【摘 要】建筑能耗占我國全社會總能耗的1/3左右，其中空調供冷及供熱系統所消耗的能耗占整個建筑能耗的40-54%。近些年空調負荷增長迅速，使得許多地區用電高度緊張。由此可見，空調所消耗的能源是相當大的，應是建筑節能考慮的重要方向。而且空調用電能耗正在呈上升趨勢發展，空調系統的節能已成為全社會的研究熱點問題。

【關鍵詞】暖通空調；節能控制；變水量控制；變水溫控制；建筑節能；綜合能耗；循環經濟

0 引言

目前我國對空調系統尤其是冷熱源水系統的節能控制大多采用水泵變頻和變供水溫度等控制，但基本采用單一參數控制，水泵變頻只根據壓差或溫度進行控制，供水溫度也只是根據末端負荷情況進行調節，很少綜合考慮水泵變頻、供水溫度、冷機效率在不同氣象條件和不同負荷情況下的綜合能耗最優化控制。同時，由于目前存在大量運行時間在5年以上的空調系統，這部分空調系統大都存在運行效率低、能源消耗量大的問題，需要添加優化控制策略。

1 變水量控制

1.1 變水量控制原理

使用變水量節能控制是要使冷凍水所載的冷量及冷卻水所帶走的熱量與不斷變化的末端負荷相匹配，從而能夠節約水輸送環路水泵的運行費用。隨著溫度和濕度以及其他環境因素的變化，空調系統的負荷也是在發生變化的，所需的水量也在隨著負荷的變化而變化。根據之前對空調系統運行情況的統計數據可得，冷水機組絕大多數都在低負荷的情況下運行并且存在嚴重的大流量小溫差現象。這種大流量小溫差的現象便是由水泵的頻率與負荷的變化不匹配所造成的，存在嚴重的能源浪費情況。所以對水泵進行節能控制是具有很大的節能空間的。在運行變水量節能控制時，要保證各設備在大范圍內變流量運行同時保證出水溫度在允許的范圍內正常運行（離心式變流量冷水機組25%-125%，螺桿式變流量冷水機組40%-125%）。為保證水泵的散熱要求，水泵轉速不能低于正常標準值的30%，低于30%后變頻器效率下降，水泵效率也減小，低轉速帶來的能源節省已被更低的水電效率所帶來的能耗所抵消，因此水泵轉速不能一味下調。在進行變水量控制的過程中，若單純的只是根據供回水溫差連續控制水泵頻率可能會引起系統大的波動，無法保證末端對環境溫濕度的要求。

1.2 變水量控制策略

本文研究的變水量控制策略是指改變冷凍水的流量，采用冷凍水泵變頻、冷卻水泵定頻的控制策略。在滿足末端負荷和安全的前提下，根據末端負荷的變化改變冷凍水泵的頻率來減少冷凍水泵的耗能量，主要是根據末端溫差和末端空調機組水閥的開度來控制水泵的頻率。在對水泵進行節能控制的研究中常用的控制策略可分為兩種，一是通過末端壓差來控制水泵的頻率，二是通過末端溫差來控制水泵的頻率。對本研究的應用環境而言采用通過末端壓差來控制水泵的頻率難度比較大，因為若采用壓差控制水泵頻率需要對理論上估計出的所有最不利末端位置進行壓差測試，并且為保證早晚負荷變化較大時能正確反映最不利末端的情況應在多處設置壓差傳感器進行比較，較難實現，所以研究過程中采用的是通過溫差控制來實現水泵的變頻。若只是根據末端溫差來控制水泵的頻率會使水泵頻率波動較大、溫濕度不容易穩定在一定范圍之內，所以在控制條件中加上了末端空調機組的水閥開度，這樣通過末端空調機組水閥開度和末端溫差來控制水泵的頻率，可以起到很好的控制效果和節能效果。所以本研究中采用的是末端溫差和末端重要空調機組水閥開度共同調節水泵頻率。

變水量控制策略步驟為：

（1）上位機判斷冷凍水的供回水溫差，若溫差大于5℃，則直接將冷凍泵的頻率增加一個步長，步長定為2Hz。

（2）若冷凍水的溫差不大于5℃，則繼續判斷末端房間的實際溫度，若滿足溫度高于設定值0.2并且水閥開度達到100%的臺數大于1，則將冷凍泵頻率增加一個步長，否則減少一個步長。

（3）將修改后的水泵頻率與設定的水泵頻率上下限進行比較，若在水泵頻率規定范圍之內則將修改后的值作為冷凍水泵的頻率，若修改后的值小于設定范圍的下限則將下限值作為冷凍水泵的頻率，若修改后的值大于設定范圍的上限則將上限值作為冷凍水泵的頻率。

2 變水溫控制策略

2.1 變水溫控制的原理

冷水機組性能指數（COP）是指冷水機組在額定工況下的制冷量與輸入功率之比。冷水機組最高的COP一般不出現在滿負荷時，而是出現在部分負荷時。在滿足工藝要求的基礎上盡量提高冷機出水溫度可達到節能的目的。但是為了滿足末端機組對環境的要求，通常應設定冷機出水溫度的上下限，這個限值可根據冷機長期運行的結果獲得。

2.2 變水溫控制策略

本文中所提出的變水溫控制策略是指改變冷機的出水溫度即改變冷凍水的出水溫度。本研究中的變水溫優化控制策略需要與變流量優化控制策略共同運行，是以冷凍泵的運行功率和冷機的運行功率之和最低為目的，在冷凍水泵的頻率不斷變化的基礎上計算出一個最佳的冷機冷凍水出水溫度。在滿足末端負荷要求和保證安全的前提下，通過提高冷凍水的出水溫度來提高冷機的COP，達到冷機節能的目的。變水溫的控制策略步驟如下：

（1）首先，在冷機開啟的時候給冷機一個初始溫度作為初始的冷機冷凍水出水溫度，本研究中給出的初始溫度為7℃。

（2）其次，判斷末端重要空調機組水閥開度，計算水閥開度到達100%的冷水機組的臺數，若臺數大于1，則將當前冷機的冷凍水出水溫度設定值減少一個步長，跳到步驟（6），為了盡量保持室內溫度和濕度的相對穩定，將一個步長設為0.2℃。

（3）若末端重要機組水閥開度到達100%的臺數不大于1，則繼續判斷開啟的是哪臺冷機。

（4）根據該冷機的負荷率計算出此時冷機的部分負荷率，根據末端環境的濕度和溫度計算出此時的濕球溫度，根據部分負荷率和末端濕球溫度計算出當前冷水機組的最佳出水溫度。

（5）將計算出來的最佳出水溫度與當前出水溫度設定值比較，若大于當前設定值則在當前設定值的基礎上增加一個步長，若小于當前設定值則在當前設定值的基礎上減少一個步長。

（6）將修改后的值與設定的上下限值比較，若在變化范圍內，則將修改后的值設定為冷機的冷凍水出水溫度，若超出了設定范圍，則將上限或下限設定為冷機的冷凍水出水溫度。

此循環可根據不同的設備和外界環境設定循環間隔時間。為了盡量減少冷凍水供水溫度的波動，在每次對冷凍水出水溫度進行賦值之前都加入了一個比較，如果計算出來的冷凍水最佳出水溫度與當前冷機的冷凍水出水溫度的差值小于一個步長，則此次不改變冷凍水的出水溫度。

針對不同的末端負荷和不同型號的冷水機組，設定溫度的變化范圍、循環計算的時間間隔以及溫度變化的步長都有所不同，要在長時間的實驗中取得理想的數據。

3 結束語

總之，隨著經濟飛速發展，能源的使用也越來越廣，與此同時能源節約也受到了人們越來越多的重視。據統計建筑能耗約占到了社會總能耗的1/3，其中空調系統能耗約為建筑能耗的40%-54%。建筑節能成為我國今后節能工作的重點。

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[責任編輯：湯靜]