冷凍水系統變流量控制策略的節能研究

穆再排爾·安外爾+殷亮+陸雪蓮+劉笑+陳茜

【摘 要】隨著建筑物數量的增加，建筑能耗也在上升，空調系統作為建筑物的基礎設施，確保了人們的日常舒適度。 但空調系統帶來的能源問題也很明顯。 鑒于這種情況，考慮到中國建設資源節約型和環保型空調系統，節能設計非常重要。因此在建筑物的空調冷卻系統中控制冷凍水的分配是實現節能上的一種最佳研究點。而在過去，由于那些過時的設計和操作實踐的應用，使得大量能源被浪費。 因此，本文對空調系統中冷凍水系統的變流量控制和節能方面進行展開和討論。

【關鍵詞】冷凍水；變流量；節能

【Abstract】With the increase in the number of buildings， building energy consumption is also rising， air conditioning system as a building infrastructure， to ensure that people's daily comfort. But the air conditioning system to bring the energy problem is also very obvious. In view of this situation， taking into account China's construction of resource-saving and environmentally friendly air-conditioning system， energy-saving design is very important. Therefore， in the building air conditioning cooling system to control the distribution of chilled water is to achieve energy saving on a best point of study. In the past， due to the application of obsolete design and operational practices， a lot of energy was wasted. Therefore， this paper discusses the variable flow control and energy saving of chilled water system in air conditioning system.

【Key words】Chilled water； Variable flow； Energy saving

隨著社會經濟的發展，中央空調在賓館、辦公大樓、商業中心、學校及其它建筑中已得到廣泛的應用。空調系統的耗電量在整個建筑物總能耗中約占40%以上，是實現建筑節能降耗的關鍵。在中央空調系統設計中，通常根據最大負荷選擇冷水機組，但對大多數建筑物而言，空調系統負荷將隨著環境溫度和建筑物使用變化而變化。有學者實際測試了香港的一些酒店，結果顯示，空調系統運行大于50%的負荷時間只占總運行時間的33%；另以北京地區夏季負荷為例：在5～9月份內空調共運行2880h，1個空調季節中建筑物配用的冷水機組98%的時間負荷率在70%以下。在這種情況下很容易出現中央空調冷水機組大部分時間都處于部分負荷運行的狀態，而在這種狀態下的節能研究一直在處于該一領域中的熱門話題。丁云飛[1]提出了關于冷水機組在部分負荷工況下提高其性能參數的措施和方法，同時通過優化冷水機組制冷系統提出了冷水機組部分負荷下的節能優化策略；另外一方面2015年Thomas Hartman[2]針對中央空調系統本身，從冷卻水和冷凍水的調節控制策略入手，提出了一些有效的優化運行方法。目前，人們已經逐漸開始認同通過對冷卻水和冷凍水流量調節控制實現空調系統節能。然而，在此過程中研究的重點主要集中在冷凍水變流量的控制方法和控制策略之上，而缺少有關變冷凍水流量對冷水機組性能的影響規律方面的研究，恰恰這又是優化控制方法和策略的關鍵。

目前，變頻技術在市場上廣受歡迎，蓬勃發展。因此它在市場上的這種發展和應用在提高變流量空調冷凍水系統的節能效果方面也是起到了非常顯著的作用。 變流量系統作為其中之一，是實現空調系統進一步節能的重要指標。 然而，空調水系統中對于變流量系統的應用和節能指標還未成熟，仍處于一個發展階段，而各項指標也都需要進一步的理論研究。

1 冷凍水系統的變流量控制方法與分析

1.1 定壓差控制法

定壓差控制法可分為供回水干管定壓差控制。在部分負荷運行狀態下室內溫度傳感器始終可以做到對室內溫度的變化的感受，從而對二通閥開度大小進行調節，而當室內溫度達到一定值時，便會自動減少水量和進入的冷量。

末端定壓差控制是保證末端最不利環路設備的壓差，這可以保證閥門的恒定壓力過程可以自我調節，并可以繼續調節流量進行重新分配。末端定壓差控制法壓差設定值的選取對于保證空調系統的正常運行而言是極其重要的，因此一般是設計工況下最不利環路的壓差值，主要是確保空調系統能在任何情況下運行。

空調一次泵系統和二次泵系統作為常見的冷凍水變水量系統，兩者都涉及冷凍水供回水壓差設定值的問題，而兩者不一樣的是，在一次泵系統中，調節分集水器間的旁通閥開度時常用壓差設定值來調節，在二次泵系統中，則常用壓差設定值控制二次冷凍泵的運行頻率。

在平常的施工過程中，往往很容易出現壓差設定值的作用被施工單位或相關調試人員所忽視的情況，如果設置不適當，壓差控制系統或壓差旁通閥就沒什么作用了。從水力工況的角度來分析，若壓差設定值偏低，使得旁通閥容易打開，就會造成流經末端的冷凍水流量較少，末端設備供冷不足，造成室內環境溫濕度無法保證，而若壓差設定值偏大，對于一次泵系統而言，旁通閥門旁通流量偏小[3、4]，影響冷水機組正常所需運行臺數的調節，增加空調系統冷水系統的電耗；對于二次泵系統，二次泵接近額定轉速而達不到節能目的。endprint

1.2 流量控制法

流量控制法是一種通過監測用戶末端的實際冷凍水水量從而調節冷凍水泵的流量的控制方法，從理論上而言這種方式是可以正常運行的，但實際運行時，就很難做好并達到不同支路之間壓差要求，其主要原因就在于實際運行中空調系統對冷凍水與水壓都存在著一定的要求。

目前的冷凍水系統中往往存在由于水泵選型過大問題而出現“大馬拉小車”的現象。這就使得泵的效率只有40%-50%左右，直接造成功率偏大，浪費大量的水泵能量的這么一個結果。

在此同時，水泵選型過大還會造成空調機組電動調節閥調節溫度時在很小的行程上工作以及末端空調機組電動調節閥兩端壓降過大等一系列的狀況，使得水泵的能量都浪費在閥門的壓降上，同時對末端設備的控制精度也會造成影響。此外若系統水力平衡沒做好也會在造成末端水力不足，因此不能把水泵功率不夠歸結于空調末端水量不足。

因此目前有兩種方法可以減少能量的浪費。其中一個是直接更換水泵，而另一種方法則是使用變頻水泵，通過利用其變頻來達到減少能量浪費的目的。冷凍泵的動力消耗與流量的三次方成正比，比如當冷凍水流量為額定流量70%時，泵的能源消耗為70%的三次方35%。泵的動力消耗可以減少65%。冷凍水側為了避免出現旁通流量產生的能量損失，宜采用變流量控制系統，即采用變頻器控制冷凍水流量，使冷凍水流量隨系統變化，并且可以更好地保證系統壓差。

采用變頻轉速控制可以很好地減少能源的消耗，因此這種控制方法對于空調系統常出現在部分負荷情況下運行的情況而言是一種最佳控制手段，通過變頻轉速控制可以減少60%-75%的能源消耗。一般來說變流量系統的壓差旁通閥只要保證冷凍機組蒸發器冷凍水最低流量就可以了，因此不需要很大口徑的閥門。

1.3 溫差控制法

溫差控制法是一種將通過供回水干管的供回水溫差作為控制器的采樣輸入信號，控制器再將該信號與系統設計的數值進行比較，根據輸出信號控制冷凍水泵的轉速，保證正常溫度供應的控制方法。而冷凍水在流動過程中往往很容易就受到外界環境溫度的影響，因此需要經過一個循環之后才能夠反映出溫度變化，存在滯后性[5]。具體設計思路見圖1。

冷凍水供水溫度的優化控制是用來優化冷水機組和冷凍水分配系統的運行，因此它不僅僅滿足建筑所需要的冷負荷，同時也能夠很好地實現制冷水機組和冷凍水泵能耗的最小。

一般來說空調末端系統的傳熱效果跟冷凍水的供水溫度有著緊密的關系，其溫度越高，傳熱效果會更差。因此需要更多的冷凍水量，冷凍水泵能耗將增加。相應地當冷凍水供水溫度降低時，末端的傳熱效果就會有所改善，因此需要較少的冷凍水量，但是此時又會引出一個問題，也就是隨著冷凍水量的減少，制冷水機組蒸發溫度及蒸發壓力也會降低，這樣就使得制冷壓縮機的能耗增加，因此合理的優化方法就應該使冷水機組和冷凍泵的總能耗最小。

在設計負荷時冷凍水溫度應該在設計溫度7℃，而冷機運行多數情況是在部分負荷。因此在部分負荷時冷凍水供水溫度不一定要在設計溫度，可以通過系統再設定適當提高冷凍水供水溫度到7-9℃，通常情況下可以節電5%-10%。在實際施工運行過程中，應根據具體項目所對應的設備具體性能參數，建立好與之相應的冷水機組及冷凍水泵的能耗模型，并通過求取其能耗的最小值，來得到冷凍水供水溫度優化設定值。

2 總結

在建筑物的空調冷卻系統中控制冷凍水的分配是實現節能上的一種最佳研究點。而在過去，由于那些過時的設計和操作實踐的應用，使得大量能源被浪費。因此在本文中對冷凍水的流量分配方法進行了具體討論，通過分別對定壓差法、流量控制法和溫差控制法的具體分析，最終發現其中的定壓差控制法存在著比較大的缺陷，并不能很好的達到節能的目的，而流量控制法和溫差控制法則可以比較好的達到我們所希望的節能的目的。而我國在這方面現有的技術還不夠成熟，需要加大力度研究并通過大量實驗操作才能使其投入實際空調系統中進行操作和運行，并通過實踐使其得到優化。

【參考文獻】

[1]丁云飛.部分負荷性能對冷水機組運行能耗的影響評價[J].節能，2000（01）：3-5+2.

[2]Thomas Hartman， P.E； Strategies for Design and Control of Low Energy Chilled Water Distribution Systems；Heating/Piping/Air Conditioning；July 13，2015

[3]高亞鋒，李百戰，陳玉遠，劉曉慶，金振星.一次泵空調冷水系統的水力特性與節能分析[J].土木建筑與環境工程，2010（06）：100-104.

[4]劉金平，鄒偉，劉雪峰.采用旁通閥定壓差控制的冷水泵功耗特性試驗研究[J].土木建筑與環境工程，2010（06）：80-85.

[5]劉金平，唐娟.中央空調系統變水溫調節可適用性研究[J].建筑科學，2011（02）：78-82.

[責任編輯：朱麗娜]endprint