某建筑中央空調設備節能運行方案

摘 要：本文以某大型建筑中央空調的運行方案為例，分析了冷水機組、一級、二級冷凍水循環泵、冷卻水循環泵、冷卻水塔風機的節能投運方法。冷水機組的運行臺數需要根據用戶負荷確定，冷水機組啟動時，相應的冷凍水一級循環泵，冷卻水循環泵需配套投運，而二級冷凍水循環泵需要根據用戶負荷確定其運行臺數、運行頻率。用戶負荷可以根據冷凍水的供回水溫差確定，只有當用戶負荷確定之后，整個系統才能有序運行。

關鍵詞：中央空調；冷水機組；循環水泵；節能控制

中圖分類號：TU831.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0114-04

Design of Energy Saving Operation Scheme for Central Air

Conditioning Equipment in a Building

WANG Ganyi LI Chunyan WANG Ruirui

（School of Building Environment Engineering， Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou Henan 450002）

Abstract： In this paper， the operation plan of a large building central air conditioner was taken as an example. The energy saving and operation methods of chiller， primary and two stage chilled water circulating pumps， cooling water circulating pumps and cooling tower fans were analyzed. The number of operating water chiller should be determined according to the user load， water chiller startup， the chilled water circulation pump， cooling water pump auxiliary operation， while the two stage chilled water circulating pump according to the needs of the user to determine the number of operating load， operation frequency. The user load can be determined according to the temperature difference between the supply and return of the chilled water. The system can run in an orderly manner only when the user load has been determined.

Keywords： central air conditioning；water chiller； frequency conversion；operating parameters

1 研究背景

中央空調冷水機組及冷凍水循環泵、冷卻水循環泵、冷卻塔風機、末端風機等是系統的主要耗能設備，這些設備一般處于部分負荷運行，其節能運行控制是實現建筑節能減排的關鍵，對空調系統智能運行進行最優控制，從而節省空調能耗，提高設備運行效率。

表1為部分建筑中央空調設備裝機容量。從表1可知中央空調各設備的平均占比為：制冷機組55.5%，冷凍水循環系統8.9%，冷卻水循環系統（含冷卻塔風機）12.1%，冷量分配設備（新風機組、空調機組）21.7%，末端盤管設備為1.8%。從節能角度來說，對制冷機組、冷凍水循環泵、冷卻水循環泵進行節能控制是緩解空調部分負荷運行的關鍵[1]。本文以某大型建筑中央空調為例，研究其運行控制方案。

2 某建筑中央空調系統概況

某建筑有商場、電影院、辦公樓等區域，中央空調系統夏季設計冷負荷為33 412kW系統設備見表2。系統中辦公樓高度為153m，其冷凍水循環系統豎向分為低區及高區，設置為二級泵系統，低區一級泵為定流量系統，保證制冷機組的正常運行，一級泵冷凍水的設計供回水溫度為6℃/11℃；二級泵系統由設在辦公樓20層，設備層的板式換熱系統經與低區冷凍水換熱后提供7.5℃/12.5℃冷凍水。系統共設21臺冷凍水循環泵，其中9臺為一級循環泵，12臺二級循環泵為變頻運行，可根據系統負荷變化，調節水泵的轉速及流量。每組泵配設一臺備用水泵。設計冷卻水的設計供回水溫度為37℃/31℃。

制冷機房位于地下二層，設4臺2 000TR（1TR=3 024kCal/h=3.517kW）和3臺500TR的離心式冷水機組。在商場裙樓屋頂設11組冷卻塔和冷卻塔風機（8組散熱量4 400kW和3組散熱量2 200kW）。冷卻塔風機采用雙速電機，以適應不同工況下的運行操作要求。

一級泵的冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻水塔一對一分組運行。二級冷凍水循環泵、冷卻塔及風機，則根據相應區域的負荷情況，決定其運行臺數及運行頻率。

設備的運行主要依靠用戶負荷的情況，其控制過程如圖1所示，確定了用戶負荷，才能確定機組的運行臺數及組合。

3 用戶負荷的確定

計算用戶負荷，才能確定冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵的運行臺數、型號和頻率。在實際工程中，可以根據供回水溫差和流量確定用戶負荷[2]。

中央空調冷凍水系統的每個區域均測量其供水溫度、回水溫度、回水流量（見圖2）。每個區域的用戶負荷計算公式為：

[Qn=FmcThn-Tsn] （1）

式（1）中：Qn為用戶n的冷負荷（kJ）；Fm為回水流量（㎏/s）；c為水的比熱（4.186 8kJ/（㎏·℃））；Thn、Tsn為冷凍水回、供水溫度（℃）。

通過式（1），計算匯總回路負荷，確定各不同區域的二級冷凍水循環泵的運行臺數和頻率。

若二級泵供回水溫度為7.5℃/13.5℃，測得商業南區的回水流量為500L/s=500kg/s，則商業南區的供冷負荷為：[Qn=FmcThn-Tsn]=500kg/s×4.186 8kJ/（㎏·℃）×（13.5-7.5）℃=12 560.4kJ/s=12 560kW=3 571.23TR。

此時，商業南區的空調負荷為3 571.23TR，此區域單獨運行，需要開兩臺2 000TR的冷水機組。當然，要將所有冷負荷計算完之后，確定開啟冷水機組的臺數，再通過管路分配冷負荷的走向。

4 設備運行控制策略

4.1 冷水機組的運行控制

在計算并匯總整個系統需要的冷負荷之后，決定冷水機組的啟停臺數。系統總負荷計算公式為：

[Q=n=1mQn] （2）

本項目中，冷水機組不做變頻運行，因此，冷水機組的運行屬于階式控制，即用戶冷負荷增加超過一臺機組提供的冷負荷時，系統新投入一臺機組運行，此時，機組提供的冷負荷大于用戶負荷，系統通過調節旁通流量的方式，調節用戶實際負荷，系統的工作效率下降。冷水機組的控制除上述的冷量控制外，也可以采用供回水溫差控制、旁通流量控制等。

冷水機組根據用戶負荷的大小投運。機組投運的冷水機組提供的冷量應大于等于用戶負荷[3]。冷水機組七臺分別為2 000TR（A1）×4 500TR（B1）×3，和冷凍水循環泵采用先并后串的連接方式連接在一起。合計機組制冷量9 500TR，可以相互組合運行，以滿足不同用戶負荷的需求。每臺冷水機組提供負荷占比的計算方法，根據表3，設計機組運行組合方式，確定冷水機組的運行分組。例如，500/9 500TR/臺=5.26%；2 000/9 500TR/臺=21.05%。

4.2 冷凍水系統的運行控制

4.2.1 冷凍水一級泵系統的控制。冷凍水一級泵需要保證冷水機組冷凍水的正常流量，以免冷水機組蒸發器過冷，所以一級冷凍水循環泵應隨相應的冷水機組進行啟停控制。當啟動冷水機組時，為保證冷水機組的正常運行，需要先啟動相應的冷凍水一級泵，并在管道流量開關產生動作信號之后，再啟動冷水機組。由于目前冷水機組大都可以變流量運行，所以，一級泵系統也可以設計為變頻泵。但本系統中，冷凍水一級泵還是采用定速泵。

4.2.2 冷凍水二級循環泵的運行控制方法。系統中，二級冷凍水循環泵采用變頻泵，可以根據用戶負荷確定二級冷凍水泵的運行臺數和頻率。

4.2.2.1 二級泵的變頻運行。頻率和負荷的對應關系為：

[f1=p2pT] （3）

式（3）中，f1為電機運行頻率；p為電機功率（kW）；T為轉矩（N·m）。

當使用變頻調速時，如果用戶負荷減小，通過降低電機的轉速即可滿足要求。由流體力學知識可知：輸入功率N=流量（Q）×壓頭（H），因為流量Q∝轉速v，壓頭H∝轉速v2，所以輸入功率N∝轉速v3。用戶負荷減小時，調節轉速成比例下降，電動機的功率N將按轉速三次方關系大幅度降低，從而達到節約能源的目的。

采用變頻調速節能效果比較明顯，但當轉速低于40%時，電動機輸入功率下降到額定功率的6.4%，設備運行受到影響，節能效果也不明顯，因此，電機的調速范圍應該為40%～100%。在我國50Hz的工頻情況下，運行的頻率大約為20Hz以上[4]。對應的頻率計算為：

[f1=20%～100%50Hz=（10～50）Hz] （4）

表4是統計的某型號機組常年實際運行積累的數據。從表4可以看出，機組的運行負荷區域主要集中于20%～80%。

4.2.2.2 二級泵的運行臺數。變頻控制時，各循環泵型號應該一致，并要保持運行頻率一致。此時的運行策略應該是，當用戶流量大于一臺冷凍水循環泵的流量時，增加投入一臺泵運行；兩臺及以上循環泵運行時，需要保證水泵壓頭一致，維持泵之間的水力平衡。

4.3 冷卻水系統及冷卻水塔風機的運行

冷卻水塔雙速風機的轉速將按各冷卻水塔冷卻水的出水溫度進行控制及調整。冷卻水塔按下述程序運行：全速運行→半速運行→間歇低速→半速→停止運行。如果采用變速風機，冷卻水塔的出力按下述程序運行：全速運行→變速運行→間歇低速→停止運行。

當冷卻水塔的出水溫度不能滿足設計溫度時，則多開啟一臺冷卻水塔，但必須保持每臺冷卻水塔的水量不能小于設計流量的50%（風機全速運行時）。

5 結語

本文以實際工程為背景討論了大型中央空調系統的設備控制策略，全部采用定速泵的系統控制主要是階式控制，當用戶冷負荷大于設備提供的冷負荷時，投入相應設備運行；當系統采用變速泵時，可以根據用戶冷負荷選擇相應的設備工作頻率，滿足用戶負荷需求的同時，節省運行能耗。

參考文獻：

[1]劉雪峰.中央空調冷源系統變負荷運行控制機理與應用研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

[2]江萍.建筑設備自動化[M].北京：中國建材工業出版社，2016.

[3]李玉云.建筑設備自動化[M].北京：機械工業出版社，2016.

[4]王干一.冷水機組部分負荷變頻運行節能參數分析[J].工程技術，2017（3）：168.