中央空調循環變水量控制方案設計

摘要：簡要分析了中央空調的構成及其制冷原理，以中央空調水循環系統為研究對象，針對冷凍水循環系統和冷卻水循環系統，設計了中央空調循環變水量控制方案，為相關自控設計人員提供參考。

關鍵詞：樓宇自動化;中央空調;水循環系統;變水量控制

0 引言

隨著現代建筑設計日趨復雜，中央空調系統作為現代樓宇控制系統中尤為重要的一部分，在給人們的生活帶來便利的同時，其能耗也占到樓宇能耗的一半，因此如何降低中央空調能耗成為了人們廣泛關注的話題，本文將重點研究如何利用變流量控制模式降低中央空調循環水系統的能耗。

1 中央空調系統的構成

中央空調系統一般主要由冷水機組、冷凍水循環系統、冷卻水循環系統、盤管風機、冷卻塔及其相應控制系統組成[1]。其中冷水機組可以看作是整個系統的“心臟”，它主要由蒸發器、節流裝置和壓縮機等裝置組成，是系統中最主要的制冷源[2]。冷凍水循環系統負責將常溫水與制冷劑進行熱交換，并將冷凍水送入風機盤管以產生低溫空氣[3]。冷卻水系統則負責將冷凍水送入冷卻塔進行冷卻處理，以得到常溫水并提供給系統做循環使用[4]。而盤管風機的作用是根據建筑內使用需求，通過風機向空調區域傳輸冷風量并保證室內溫濕度恒定[5]。

2 中央空調循環水系統分析

冷凍水循環系統和冷卻水循環系統共同構成了中央空調循環水系統，該系統以水為媒介完成熱量的交換與傳遞。制冷劑在冷凍水循環系統完成熱量的吸收，在冷卻水循環系統中又將熱量通過冷凝器和冷卻塔傳遞出去。循環水系統具備兩個特征：一是復雜性;二是時延性。

3 中央空調循環變水量控制方案設計

3.1 ? ?變水量控制基本原理

水系統運行時涉及熱量的交換與傳遞，該過程可用物理學公式表示：

式中，Q為循環水系統負荷;C為常數值，表示水的比熱容;W為冷水流量;Δt為供回水溫差。

Q值通常是一個變量。為了保證式（1）的成立，系統常通過調整W或Δt的值使之與負荷相匹配，而所謂變水量控制即保持供回水溫差Δt不變，通過調節W的值來滿足實際負荷的變化需求。為實現變水量控制，就需要改變水泵電動機的轉速，典型的三相異步電機的轉速n往往可以由式（2）計算得到：

式中，n為電機轉速;f為電源頻率;p為電動機定子繞組磁極對數;s為電動機轉差率。一般來說，中央空調水系統往往采用離心泵作為輸送動力，離心泵的各項參數需滿足以下特性：

式中，P為水泵機軸輸出功率;Q為水泵液體流量;H為水泵揚程;n為水泵轉速;K1～K5為常數系數。

從式（3）可以看出，若保持水泵機軸輸出功率P不變，對Q進行調節，水泵揚程H的值將會發生變化，Q越小，H越大，但在實際工作環境下，揚程H是一個基本不變的值，因此Q若變小，將會產生揚程富余的情況。我們對式（3）做進一步變形和換算可得式（4），根據式（4）可知，水泵機軸輸出功率P同時也與n3呈正相關，因此，只要降低水泵轉速，就可以相應調節Q，使之減小，從而可以對H進行自由調節。在Q為定值的情況下，P與n2呈正比，因此在供水流量一定的前提下，n越低，功耗P也就越小。

綜上所述，我們可以通過變頻器調整電源頻率，改變水泵轉速，最終調節循環水流量以匹配負荷，降低轉速的同時，系統能耗同樣也會得到降低。

3.2 ? ?冷凍水變水量控制方案設計

在冷凍水循環系統中，供水溫度通常為7 ℃，回水溫度為12 ℃，從式（1）可以看出，若供水溫度恒定在7 ℃，那么回水溫度與供水溫度之間的溫度差就代表了此時空調的負荷大小，冷凍水變水量控制方案的設計就是以此為基礎，保證供水溫度恒定，并設定回水溫度為12 ℃，通過溫度傳感器檢測回水實時溫度，比較回水溫度與設定值的大小，判斷房間內負荷是否需要調整。若實際回水溫度大于設定值，則表示中央空調系統負荷增大，此時應增加冷凍水泵轉速;若實際回水溫度小于設定值，則表示中央空調系統負荷減小，此時應降低冷凍水泵轉速，控制過程如圖1所示。此外，需要注意的是，水冷機組通常對冷凍水流量有一定要求，不能低于額定的下限閾值，否則會導致機組控制系統保護停機，因此我們需要設置變頻器的下限頻率，確保電源頻率始終在下限頻率之上。本方案中冷凍水泵的變頻控制系統設計如圖2所示。

3.3 ? ?冷卻水變水量控制方案設計

冷卻水變水量控制方案一般可以分為兩種：一種是定溫差控制方案，另一種是冷凝溫度控制方案，我們一般根據冷卻水泵與冷水機組功率比值選定合適的控制方案。本文所討論的重點是冷凝溫度控制方案，冷卻水變頻控制方案與冷凍水變頻控制方案類似。若冷卻水出水溫度高于設定值，此時應當增大電源頻率，提高冷卻水泵轉速以增大冷卻水流量，反之，若冷卻水出水溫度低于設定值，則應當通過變頻器降低電源頻率，減小冷卻水流量直至冷卻水出水溫度恢復設定值，一般設定值為37 ℃，冷卻水變頻控制系統設計如圖3所示。

4 結語

本文以降低中央空調循環水系統的能耗為目標，介紹了中央空調循環水系統的基本特征，并以此為基礎分析了變水量控制基本原理。針對循環水系統中的兩個子系統——冷凍水循環系統、冷卻水循環系統，分別制定了其變水量控制方案，期望本文的研究內容可以對相關自控設計人員起到借鑒作用，并促進樓宇自動化的可持續發展。

[參考文獻]

[1] 馮國良.中央空調循環水泵變頻控制與節能分析[J].科技經濟導刊，2019，27（18）：39.

[2] 倪曉晨.中央空調水系統節能的優化研究[D].西安：西安工程大學，2019.

[3] 馮東磊.中央空調循環水電子除垢技術研究與開發[D].石家莊：河北科技大學，2019.

[4] 張東來.中央空調循環水系統節能技術探討[J].住宅與房地產，2018（28）：73.

[5] 秦沖.一種基于PLC和變頻器的中央空調循環水節能控制系統設計[J].現代制造技術與裝備，2018（3）：167-169.

收稿日期：2020-02-04

作者簡介：吳霄陽（1989—），男，北京人，研究方向：樓宇自控（弱電控制編程）。