自動控制在暖通空調冷凍水系統中的應用及節能分析

黃騎松，高理福，楊 彪，何曉英（.西南科技大學 土木工程與建筑學院， 四川 綿陽 600；.中國中鐵二局，貴州 貴陽 550000）

隨著科學技術的不斷發展，自動控制技術也在飛速革新，且被應用到了各行各業中，其中在暖通空調系統中的應用也取得了相當大的成果[1-2]。針對此次著重研究的空調冷凍水系統，利用自動控制與冷凍水系統的冷凍水泵優化配置相結合來達到節能的目的。將自動控制系統應用到暖通空調系統中，能夠更好地體現出暖通空調系統的作用[3]。本文對冷凍水系統中冷凍水泵兩種不同的自動控制方式—對 1 臺大流量冷凍水泵的自動控制；對 2 臺小流量并聯冷凍水泵的自動控制[4-6]—進行研究。

1 自動控制技術在暖通空調系統中的應用

通過裝在離泵最遠端用戶管段上的壓差傳感器，獲得水泵變頻控制器的輸入信號。當該系統由于負荷的變化，引起管路閥門自動變化從而導致壓差的改變，當壓差傳感器將壓差 Δp傳輸給控制器，控制器將會以此輸入信號與預先設定值進行比較，并且按照預先設定的控制算法計算出偏差，并產生輸出信號，以此來調節冷凍水泵的轉速，從而改變冷凍水泵流量和揚程，以適應負荷的變化[7]。

某工程開啟 1 臺冷水機組，額定制冷量為 4 219 kW，選用 2 臺（1 臺為備用）額定流量為 850 m3/h、揚程為392.16 kPa、功率為 110 kW、轉速為 1 500 r/min 的大流量冷凍水泵運行時，隨著冷負荷的變化，當制冷機組實際制冷量與額定制冷量之比為 1.00、0.75、0.50、0.25 時，制冷機組運行情況和水泵控制運行情況如表 1 所示。

表 1 制冷機組和水泵控制運行情況

根據式（1）將水泵揚程單位換算成 m 以繪制水泵性能曲線和管路特性曲線圖。

式中：p—壓強，Pa;

ρ—水的密度，g/cm3;

g—重力常數，N/kg;

h—水的深度，m。

隨著負荷的變化，其水泵性能曲線和管路特性曲線變化[8-9]情況如圖 1 所示。

圖 1 大流量水泵負荷變化時水泵性能曲線和管路特性曲線變化情況

該系統會通過壓差傳感器傳遞的信號，再通過一系列處理，來調節水泵轉速以適應負荷的變化進而達到節能的目的。但是通過計算發現當實際制冷量與額定制冷量之比＜0.75 時，隨著水泵流量的變化，水泵的運行工況點，將偏離高效運行區，雖然與傳統工頻運行泵相比確實還是節能的，但還是會對泵自身有所損害，還會浪費一部分能量。

當選用 3 臺（2 用 1 備）額定流量為 430 m3/h、揚程392.16 KPa、功率 58 kW、轉速 1 500 r/min 小流量冷凍水泵運行時，隨著冷負荷的變化當制冷機組實際制冷量與額定制冷量之比為 1.00、0.75、0.50、0.25 時，制冷機主運行情況和水泵控制運行情況如表 2 所示。

表 2 制冷機組和水泵控制運行情況

當 2 臺水泵同時運行時，隨著負荷的變化，其水泵性能曲線和管路特性曲線變化情況[10]如圖 2 所示。

圖 2 小流量雙水泵負荷變化時水泵性能曲線和管路特性曲線變化情況

當 1 臺小水泵運行時，隨著負荷的變化，其水泵性能曲 線和管路特性曲線變化情況如圖 3 所示。

圖 3 小流量單水泵負荷變化時水泵性能曲線和管路特性曲線變化情況

由圖 2 和圖 3 可知當采用變頻小泵并聯的方式運行時，隨著負荷的變化，在水泵轉速改變的情況下，水泵的流量也隨之改變，但是通過計算發現此時還能保證水泵在效率較高的工況點運行。特別是與大流量單泵系統比較，當實際制冷量與額定制冷量之比＜0.75 時，雙泵系統的高效率運行效果更加顯著，還能起到節能的作用。

空調負荷的全年分布如表 3 所示。

表 3 空調負荷的全年分布

若按全年制冷運行 1 136 h 計算，通過水泵轉速改變時特性曲線變化，由圖 1～圖 3 可得：

當采用大流量泵時耗電量為 79 619.97 kW h，變頻器耗電量按照水泵耗電量的 4% 計算則為 3 184.80 kWh,所以大泵系統總耗電量為大流量泵總耗電量與變頻器總耗電量之和為 82 804.77 kWh。

當采用小泵并聯時耗電量為 75 544.00 kWh,變頻器耗電量按照水泵耗電量的 4% 計算則為 3021.76 kWh,所以小泵并聯系統總耗電量為小泵并聯時的總耗電量與變頻器總耗電量之和為78 565.76 kWh。

節能率：（大泵系統總耗電量－小泵并聯系統總耗電量）/大泵系統總耗電量＝（82 804.77－78 565.76）/82 804.77＝5.12%。

2 節能分析

當系統中選用大流量變頻泵與選用小流量并聯變頻泵時，各泵性能參數及各泵和變頻器在制冷模式下運行一年的耗電情況及節能情況如表 4 所示。

表 4 性能參數及節能情況

3 結 語

自動控制系統與暖通空調系統相結合得好與否，直接會影響到暖通空調系統對室內溫度和濕度等的調節能力和整個系統的節能能力。通過上述研究分析，當使用大流量水泵時，隨著用戶端負荷的降低，水泵流量減小，水泵工作點將偏離高效區，不但對水泵自身有損害還浪費能源。將冷凍水泵采用小流量并聯的方式與自動控制相結合，不但能使水泵一直在效率較高的點工作，還能保證在滿足用戶需求的前提下起到節能作用；并且，流量越大的單泵系統，采用小流量雙泵并聯運行時，其節能效果越顯著。