基于末端定溫差控制的空調系統節能性研究

杜芳會，梁棟棟，李飛龍

(廣東艾科技術股份有限公司，廣東 佛山528000)

一次泵變流量集中空調系統的節能性已有較多的研究[1-2]，多是以水系統的合理控制為出發點，研究如何實現水系統的動態平衡，文獻[3]論述了PID調節技術和定壓差技術，為了保證各個末端的水力平衡，末端串聯定流量閥來消耗由于動態調節多余的壓差，從而產生能量的浪費?？照{末端的負荷是動態變化的，負荷的變化對應的是水系統供冷量的變化以及末端需求風量的變化，然而風機的功耗經常被忽略。一次泵變流量系統主要解決了水系統運行過程中大流量小溫差的問題，實現水系統的輸送節能。文章提出一種裝置，基于空調末端設備表面換熱器定溫差控制策略，該設備的實施保證了末端室內熱舒適的同時，實現末端的定溫差運行。文章從實際項目出發，對末端風機盤管定溫差技術的節能性進行了研究。

1 末端定溫差控制技術

1.1 系統簡介

該控制裝置通過設定房間溫度和冷凍水供回水溫差，控制器同時對送風量和冷凍水流量進行連續調節，經調節后，空調房間溫度能快速達到穩定值，并且風機盤管的冷凍水進、出水溫差達到設定值，即在滿足室內舒適性的前提下，可保證末端冷凍水供回水溫差，克服“大流量小溫差”的問題。風機盤管控制器安裝示意圖如圖1。

圖1 風機盤管控制器安裝示意圖

1.2 理論機理

文獻[4]通過系統仿真和將實驗室實驗相結合的方式，對表冷器的換熱特性進行了研究，研究了冷凍水流量和送風量對風機盤管的換熱性能和冷凍水出水溫度的影響，得到了換熱量、冷凍水出水溫度與冷凍水流量、送風量的關系如下：

表冷器的回水溫度隨著冷凍水流量的增加呈飽和特征，冷凍水流量變化對表冷器的回水溫度影響不大，即冷凍水調節范圍具有較大的空間。

在大風量范圍內(30%-100%)，風量對出水溫度的影響并不顯著；風量在10%-30%范圍內變化時，對冷凍水出水溫度變化影響比較大。

在低風量時，冷凍水流量的變化對表冷器的換熱量影響甚微。在實際的運行過程中，如果通過表冷器的風量過低，調節冷凍水的流量并不能有效地改變表冷器的換熱量，這會導致表冷器的出力不足。這也說明在低負荷時，如果風量降低，冷凍水流量也可大幅度減少，從而減少輸送能耗。

冷凍水流量在小流量區間(相對流量0.1-0.4)內的增減對換熱量的影響較大。

根據上述結論可以將影響風機盤管換熱量的水量和風量在一定調節范圍內進行解耦控制。

1.3 控制原理

該末端控制系統，通過設定供回水溫差與房間溫度，結合對供、回水溫度的實時監測，實現末端的按需調節風量和水量。通過對風機盤管送風量和水流量同步連續調節[5]，避免風機盤管供回水溫差過低；減少風機的運行能耗，減少空調系統的輸送能耗，整體提升空調系統運行能效。其控制原理如圖2。

圖2 基于定溫差的末端風水聯動調節控制原理圖

2 工程案例

2.1 項目概況

該項目是華南地區某大型商業項目，總建筑面積為34635.59m2，空調系統由獨立的冷源系統提供7/12℃冷水供冷，末端采用風機盤管+新風系統形式。地上一層主要為餐飲，二、三層主要為商鋪。

冷源機房配置見表1。

表1

2.2 建筑能耗模擬分析

根據DEST對建筑全年的逐時負荷模擬結果，建筑負荷額定負荷信息見表2、表3。

表2 地上三層商業面積、負荷表

表3 全年負荷分布區間統計表

從表3可以得到，系統大多數時間運行在部分負荷工況下，超過68%時間的平均負荷率約為20%-50%，近30%時間的負荷率為50%-80%。超過80%負荷的時間僅占1.75%。

3 節能效益分析

末端風機盤管的調節控制對能耗的影響主要有三方面，第一方面是通過冷水流量的降低，減少輸送能耗；第二方面是降低末端設備的送風能耗，也就是降低風機盤管的風機電耗；第三方面是提高了冷凍回水溫度帶來的主機效率的提高。

本次對比分析選擇方案1(普通三速風機盤管+電動兩通閥)與性價比較高的方案2(直流無刷風機盤管+浮點閥+定溫差風盤控制器)進行節能性對比。

3.1 控制方案（見表4）

表4 末端設備控制方案

方案1控制模式如下：

(1)末端采用定風量、水閥通斷控溫模式；

(2)水泵與主機一對一工頻運行，主機臺數調節；

(3)冷水主機出水溫度為7℃；

方案2控制模式如下：

(1)末端采用定溫差控制的風水聯動調節模式；

(2)水泵與主機一對一工變頻運行，主機臺數調節；

(3)冷水主機出水溫度為7℃-12℃；

3.2 傳統方案能耗分析

根據DEST能耗模擬結果，常規控制模式下，該商場空調系統年能耗為252.69萬kWh，各子系統年能耗值統計見表5。

表5 常規模式下全年能耗統計表

3.3 能耗對比

常規方案水系統的水力平衡工況按照較為理想的平均4℃溫差，與末端定溫差控制的5℃溫差進行對比，相應部分的能耗對比如表6。

表6 定溫差模式下全年能耗統計與傳統模式對比表

方案1與方案2保持冷凍水出水溫度一致，通過末端風水聯控技術實現回水溫度恒定，增加水泵的變頻變壓差控制，與常規的定壓差控制模式相比，可使主機節能6.44%，冷凍水泵能耗節能30.60%，冷卻水泵節能31.11%，冷卻塔節能24.92%，末端節能62.63%，可使中央空調系統節能率達到23.30%，年節能量588778.64kWh，產生節能效益588778.64元(電價1元/kWh)。

4 結束語

文章介紹了一種基于定溫差控制的風機盤管控制器，結合表冷器的傳熱特性，論述了該控制器的控制機理。結合實際項目，通過建筑能耗模擬軟件對項目的負荷特性進行了分析，結果表明，全年的負荷分布中，負荷率在50%-80%區間的運行時長僅占全年空調運行的30%左右，空調系統的配置大多數是按最大負荷進行配置。

對常規方案和末端定溫差方案的運行能耗進行了對比分析。分析結果表明，在仍保持主機出水溫度為7℃，只通過末端冷凍水定溫差調節以及水泵的變流量調節技術，空調末端采用定溫差控制方案比傳統方案系統節能量為588778.64kWh/a，系統節能率23.3%，末端節能量為303308.41kWh，末端節能率為62.63%；冷凍水輸送能耗節能量為81154.23kWh，冷水輸送節能率為30.6%。按照商業電價1元/kWh計算，全年的系統節能收益為588778.64元。