中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制策略

朱光勇

摘 要：冷卻水系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)中的主要耗能設(shè)備，對其節(jié)能控制策略展開探討具有十分重要的意義。分析了中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的組成和作用，介紹了冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能控制策略，并結(jié)合仿真實驗驗證了該策略的節(jié)能控制效果。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；冷卻水系統(tǒng)；節(jié)能控制；仿真實驗

中圖分類號：TU831.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.051

隨著生活水平的日益提高，人們對建筑的使用性能提出了更高的要求，而中央空調(diào)能夠調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度及濕度、改善室內(nèi)環(huán)境，在建筑中得到廣泛的應(yīng)用。但是，在建筑體系中，中央空調(diào)系統(tǒng)是能耗大戶，其能耗占據(jù)建筑總能耗的40%～70%.因此，中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能問題成為了建筑節(jié)能的重點，其中，冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能是重中之重。

1 冷卻水系統(tǒng)的組成和作用

如圖1所示，冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等設(shè)備共同組成中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)。冷卻水泵主要為冷卻水提供動力；冷卻塔是冷卻水散熱的場所，是冷卻水系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備，因此也是節(jié)能研究的重點。

中央空調(diào)冷機(jī)的能效受冷卻水系統(tǒng)運行參數(shù)的影響十分明顯，冷卻水泵變頻調(diào)速可以達(dá)到冷卻水泵節(jié)能的目的，進(jìn)而調(diào)節(jié)冷卻水流量。然而，冷卻水流量并不是越小越好，如果冷卻水流量過低，必將影響到中央空調(diào)冷機(jī)的散熱效果，進(jìn)而勢必影響到冷凍機(jī)組的能效，致使中央空調(diào)冷凍機(jī)組能耗上升。

冷卻塔的節(jié)能主要通過對冷卻塔風(fēng)扇變頻或改變冷卻塔運行臺數(shù)實現(xiàn)，冷卻塔的冷卻效果與冷卻水的流量、室外空氣的溫濕度有密切的關(guān)系。在冷卻水流量一致的情況下，冷卻塔冷卻效果的不同會導(dǎo)致冷卻水出水溫度的不同，最終也會影響冷凍機(jī)組的能效。因此，應(yīng)該考慮在某一冷機(jī)負(fù)荷和濕球溫度下，冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)應(yīng)該在多大的頻率下運行，才使冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)與冷機(jī)的總能耗最低。

2 冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制目標(biāo)及調(diào)節(jié)的量

冷凍機(jī)組的熱量主要由冷卻水系統(tǒng)帶走，所以冷卻水系統(tǒng)對冷凍機(jī)組能效影響明顯。而中央空調(diào)系統(tǒng)其他部分能效受冷卻水系統(tǒng)的影響非常微小，因此，冷卻水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)應(yīng)該考慮冷卻水系統(tǒng)與冷機(jī)的能耗，其控制目標(biāo)是實現(xiàn)冷卻水泵和冷卻塔能耗值和最小，PCOP最大。PCOP按下式計算：

（1）

式（1）中：PCOP為能效比；Q為冷機(jī)的制冷量；PL為冷卻塔的輸入功率；PB為冷卻水水泵的輸入功率。

由于冷卻水系統(tǒng)不存在水力平衡問題，使用閥門調(diào)節(jié)能達(dá)到的流量改變效果，完全可以用調(diào)節(jié)冷卻水泵來替代，如果關(guān)小閥門，反而會造成能耗增加。因此，冷卻塔風(fēng)機(jī)和冷卻水泵頻率或轉(zhuǎn)速是能夠有效調(diào)節(jié)的量。

3 冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制策略

中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)受室外溫度、濕度和自身運行工況的共同影響，系統(tǒng)復(fù)雜。我們首先確定分析方法，就是在不同的室外氣象條件下分析比較各個風(fēng)機(jī)、水泵的運行頻率，確定水泵、風(fēng)機(jī)在何種頻率時整個系統(tǒng)節(jié)能效果最優(yōu)。

先假定一個冷卻塔進(jìn)口水溫Tcw，按流程計算，可以得到一個冷卻塔出口水溫Tcw1，前面和后面2個冷卻塔出口水溫值大小相等，則計算過程完成，可得到冷凍機(jī)組、水泵、風(fēng)機(jī)的能耗與它們的能耗之和。由于冷卻水管路上的閥門不發(fā)生位置和大小的變化，冷卻水管的阻力特性相應(yīng)地也不會發(fā)生改變，因此水泵功率與頻率為三次方的關(guān)系，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)功率與風(fēng)機(jī)頻率也為三次方關(guān)系。因此，可以通過現(xiàn)場測量得到風(fēng)機(jī)和水泵的頻率，函數(shù)Wpump=f5（Ppump）與Wfan=f6（Pfan）的形式就能被確定下來。

冷卻塔出水溫度Tout為：

Tout=f3（Ppump，Pfan，Twb，Tin）. （2）

冷卻水系統(tǒng)的冷卻塔實際上就是一個換熱器，換熱效率Et與風(fēng)的流量、冷卻水的流量都有關(guān)，獲得換熱的效率就能夠根據(jù)室外濕球溫度、冷卻水進(jìn)口溫度來計算并得出冷卻塔出水溫度。因此，問題轉(zhuǎn)變成如何獲得換熱效率。換熱效率Et的表達(dá)式如下：

（3）

Et=Et（Ppump，Pfan）. （4）

在式（3）（4）中，Tin，Tout，Twb，Ppump和Pfan都很容易在現(xiàn)場測量，根據(jù)這些我們可以計算出冷卻塔的換熱效率Et.

4 冷卻水系統(tǒng)仿真實驗

4.1 離散事件的基本要素

離散事件的要素包括實體、屬性、事件、活動和進(jìn)程等。冷卻水系統(tǒng)是復(fù)雜、隨機(jī)、離散型的系統(tǒng)，比如影響冷卻塔出水溫度室外溫度和濕球溫度都具有隨機(jī)性，冷卻塔的風(fēng)機(jī)和冷卻水泵的頻率都能夠按照設(shè)定的規(guī)則運轉(zhuǎn)，它們之間構(gòu)成一種動態(tài)關(guān)系。室外溫度、濕球溫度與冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷卻水泵的頻

率有著對應(yīng)關(guān)系，冷卻水系統(tǒng)滿足動態(tài)平衡。這種關(guān)系的最優(yōu)狀態(tài)是既滿足冷機(jī)要求，又達(dá)到PCOP最大。

4.2 冷卻水系統(tǒng)模型的搭建與運行

在Anylogic軟件上建立冷卻水系統(tǒng)模型，模型中包括冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)，還有室外濕球溫度、冷卻塔的進(jìn)水溫度、冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率和冷卻水泵頻率等。

在某時刻給定的冷卻塔進(jìn)水溫度、室外的濕球溫度是確定的，然后控制器就會根據(jù)該室外濕球溫度、冷卻塔進(jìn)水溫度的狀況來控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的頻率和冷卻水泵的頻率，采用不同的控制信號使冷卻塔出水溫度達(dá)到預(yù)定的值。當(dāng)然，得到冷卻塔出水溫度預(yù)定值的方法有很多種，比如可加大冷卻塔風(fēng)機(jī)的頻率，更多地帶走冷卻水中的熱量。通過最終的數(shù)據(jù)分析，從眾多方法中分析找出既滿足冷機(jī)負(fù)荷要求，又使冷卻水系統(tǒng)和冷機(jī)能耗最小的控制方法。

5 實驗數(shù)據(jù)分析及控制效果對比

為了驗證控制策略的控制、節(jié)能效果，在現(xiàn)場采集大量室外濕球溫度、冷卻塔進(jìn)水溫度、冷卻塔出水溫度以及對應(yīng)情況下冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率和冷卻水泵頻率的數(shù)據(jù)。把現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)在Anylogic冷卻水系統(tǒng)模型中進(jìn)行仿真模擬運行，在節(jié)能控制系統(tǒng)調(diào)試、仿真工作完成后，對在某室外濕球溫度、冷卻塔進(jìn)水溫度下，采用模擬得到的最佳冷卻水泵頻率和冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。最后對模擬運行狀態(tài)與傳統(tǒng)粗放控制方法進(jìn)行對比，分析、比較控制效果及能耗比變化，驗證節(jié)能控制結(jié)果。仿真結(jié)果曲線如圖2所示。

通過對仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，冷卻水系統(tǒng)采用Anylogic軟件仿真，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得出最佳的冷卻水泵、冷卻塔運行工況去控制冷卻水變流量的控制策略，控制效果優(yōu)良、節(jié)能效果明顯。

6 結(jié)束語

綜上所述，冷卻水系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)中的重要組成部分，其能耗占據(jù)中央空調(diào)總能耗的15%～20%.因此，冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要問題，同時也是建筑節(jié)能的重點。本文對中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制策略進(jìn)行了介紹，經(jīng)驗證，該節(jié)能控制策略效果顯著，對中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計具有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：劉曉芳〕