中央空調系統集控變流量節能控制設計

曾繁明

（正德職業技術學院，江蘇南京 211106）

0 引言

中央空調是商場、酒店、寫字樓等公共建筑不可缺少的設施，提高了建筑環境的舒適度。但是中央空調功率大，設計余量大、耗能大，中央空調所用電費較高。空調的負荷隨著季節、氣候、室內熱源的變化而變化，控制中央空調系統的運行狀態以適應負荷變化，可以減少大量的電能消耗，減少電費支出。

1 中央空調系統節能理論依據

本設計主要內容就集中在冷水機組的集中控制和循環水泵的變頻控制兩個方面。

主機集控是指包括壓縮機、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風機集中控制的方式。是指當需要開啟一定的機組數后，因負荷降低壓縮機卸載或停機、或因故障停機使壓縮機總的出力負荷小于等于所開機組數壓縮機總負荷減去1 臺機組壓縮機總負荷時，自動調整壓縮機運行方式、調整冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風機的運行臺數，從而達到降低運行成本的目的。

水泵變流量控制系統在線實時采集供水缸和回水缸冷媒水進水、出水溫度，根據冷媒水進出水溫差計算空調主機的冷負荷。根據對冷媒水溫度的檢測，分析出目前空調主機的冷負荷，通過控制算法及時調節冷媒水泵變頻器來控制冷媒水流量，使冷媒水流量適合目前空調負荷情況和末端流量需求，確保冷媒水泵處于最節能的狀態下運行。同時，為了避免因冷媒水量的過大或過小影響空調主機的熱交換，控制系統對冷媒水流量做了最大流量和最小流量限制，確保空調主機安全、高效運行。

離心式流體傳輸設備（如離心式水泵、風機等）屬于平方律負載，輸出功率P 與其轉速n 的三次方成正比，P=K×n3，其中，K為比例常數。降低水泵的轉速，水泵的輸出功率就可以下降更多。如將電機的供電頻率由50 Hz 降為45 Hz，則理論上45 Hz與工頻50 Hz 的輸出功率之比為（45/50）3=0.729，可以節省耗電27.1%。因此，利用變頻技術改變水泵、風機轉速來調節水流量、空氣流量，具有明顯節能效果，一般都可以節電30%以上。

2 中央空調系統集控變流量節能控制設計

2.1 冷水主機集控系統設計

主機集控以采用2 套主機組成的冷凍站為例。冷凍泵、冷卻泵與主機采用串聯的結構模式，正常使用時由人工選擇開機臺數以及開啟的機組，但在負荷波動過程中存在如下問題。

（1）主機出力與負荷穩定時，壓縮機存在著繼續卸載直至停機，從而導致水溫出現較大范圍波動，影響到空調效果，進而增加主機部分的功耗。

（2）當1 臺機組全部壓縮機受溫控全部停機時，冷凍泵、冷卻泵仍保持運行，增大了水泵功耗。

（3）當2 臺機組都出現部分負荷時，壓縮機處于高能耗、低效率區運行，較1 臺機組高負荷運行能耗增大；此外2 臺機組的冷凍泵與冷卻泵為保持其余壓縮機的工作，均須正常工作；如能優化機組運行，由1 臺機組完成負荷適應，則降低了水泵功耗。

2 臺機組運行時，當運行的壓縮機臺數小于等于1 臺時，則優化為1 臺機組運行；此時對應的冷卻泵、冷卻塔風機停機運行，冷凍泵視系統情況繼續運行或停機。

以400 kW 機組為例進行分析，該機組在滿負荷工況下全載電流為700 A。根據開利機組的部分負荷機組曲線，壓縮機在50%負載時功率228 kW，壓縮機部分負荷時能耗以運行1 h 計，2 臺機組壓縮機50%負荷，相應能耗為1×228×2=456 kW·h。若優化調整為1 臺壓縮機全載運行，相應能耗為1×400×1=400 kW·h，則在此模式下運行1 h 壓縮機功耗節省456-400=56 kW·h。在此基礎上通過集控優化，可以調整降低的冷媒水泵、冷卻水泵功耗為55×1+90×1=145 kW·h。中央空調系統實際運行時往往大部分時間都處于部分負荷運行，存在較大節能空間。

2.2 冷媒水循環系統變流量控制

冷水主機的制冷效果決定了冷媒水的出水溫度，一般比較穩定，冷媒水回水溫度隨著室內的熱負荷情況而改變。在本設計中取回水溫度作為控制目標，通過變頻器對冷媒水水泵轉速進行自動調節，控制冷媒水的供回水溫差，避免出現大流量、小溫差的工作狀況。

當空調末端負荷發生變化時，冷媒水回水溫度、流量亦隨之變化，流量計、溫度計將檢測到的參數送至控制器。控制器依據模糊控制邏輯算法，實時計算出末端空調負荷所需的制冷（熱）量，以及冷媒水供回水溫度和流量的最佳值，并與檢測值進行比較，輸出控制量，控制變頻器的輸出頻率。調節冷媒水泵的轉速，調節流量，使冷媒水系統的供回水溫度、流量運行在最優值。

通過對冷媒水輸出能量的動態控制，冷媒流量跟隨末端負荷的需求進行變化、匹配，這樣空調系統在各種負荷情況下節省了冷媒水的輸送能耗，又保證末端用戶的舒適性。

2.3 冷卻水循環系統變流量控制

在設計上冷卻水泵電機的容量是按照最大換熱量的情況，再加上一定的安全系數來確定的。而實際上由于季節和晝夜氣溫的變化以及開機數目的減少，換熱量會遠遠小于設計值，因此，電機容量遠大于實際負荷的需求，出現了大電機帶小負載的情況。冷卻水為主機中的冷凝器進行冷卻，及時把冷凝器散發的熱量帶走，保證制冷主機正常工作。常規設計的冷卻系統，其循環水泵的轉速不變化，通過調節節流閥的方式來調節冷卻水流量，閥門上存在著很大的能量損失，這部分損失的能量其實就是電機所做的無用功。本項目節能設計思路是，在保證制冷主機正常工作的前提下，盡可能減少冷卻水流量進而節省大量的電能消耗。

冷卻水變流量控制系統中采用變頻技術改變水泵電機的轉速，從而改變冷卻水的流量。冷卻泵所用水泵的形式為與主機1對1 的形式，3 臺機組或以上運行時通過集控調整，則將3 臺機組的部分負荷調整為2 臺機組滿負荷。為節約成本、降低運行能耗，僅在2 臺主泵上增加變頻器，其余水泵定頻運行，運行時可任意選擇與主機配合的2 臺水泵作變頻運行；根據需要增加第三臺水泵運行時自動作定頻運行。備用水泵通過切換回路實現變頻節能的目的，即實現任何一臺水泵工作都可以變頻節能運行。

目前，冷卻水變流量通常采用定溫差控制，在冷卻水進出水管上各安裝1 個溫度傳感器，把溫度信號傳給控制器，控制器把檢測到的冷卻水溫差與設定值（一般為5 ℃）進行比較，按PID算法控制水泵的轉速和流量。當冷凍機組處于部分負荷時，冷卻水溫差較小（低于5 ℃），此時降低水泵轉速，減小冷卻水流量，以保持冷卻水5 ℃的溫差。為了保證水流量不低于最小流量，需要設定1 個頻率下限，通常要高于25 Hz。

還有一種冷卻水變流量控制方法——冷凝溫度控制法，以冷卻水出水溫度為控制變量，間接地控制冷凝溫度，在冷卻水管的出水端安裝1 個溫度傳感器，檢測的溫度和其上限溫度（如37 ℃）進行比較。只要保證水流量不低于最小流量，盡可能降低水泵轉速和流量，從而實現節能。

上述2 種變流量控制方法一般都是PID 控制，容易發生振蕩，運行穩定性差，同時系統無法提供流量、壓差和溫度多重保護，安全保護不完整。在傳統控制方式上進行改進：在冷卻水進水、出水管上安裝溫度+壓力采集點，通過循環泵和平衡閥的配合，來調整冷水機組和冷卻塔的獨立流量要求，配合冷卻塔變流量技術，使冷卻水回水溫度多降低1～3 ℃，提高主機運行效率。

2.4 冷卻塔風機變頻控制

中央空調系統實際使用中由于季節不同、末端冷負荷變化等原因，大部分時間處于20%～70%負荷運行，為了能靈活調節，冷水主機系統均采用多主機組合。多主機系統中冷卻水系統包含多個冷卻塔及冷卻塔群，冷卻塔的冷卻，一靠換熱面積，二靠空氣流通量，冷卻塔群多數時間也工作在部分負荷狀態下。

在冷卻水的進、出口安裝溫度傳感器測量溫度，感應冷卻塔的水溫，根據水溫高低來控制風機的開啟數量和風機的轉速，以節省電能。風機采取變頻控制以后，可以較好地恒定冷卻水溫，保障冷水主機的制冷效果，同時主機也工作在能效最高的狀態，節約能量消耗。冷卻塔風扇低轉速運行時還能減少冷卻水飄出積水盤，減少水霧對周圍的影響，減少用水消耗，節約用水量。

3 結束語

近20 年來，我國基礎建設快速發展，同時也消耗了大量能源，間接造成了環境惡化，節能降耗成為亟待解決的重要課題。在公共建筑中中央空調系統的能耗占比最大，和國外發達國家相比就有很大節能空間，采用先進的節能控制技術可以為業主帶來巨大的經濟效益，并產生深遠的社會效益。