关于空调冷却水系统变频节能控制的分析和应用

魏汉光　李宇成

[摘要]在不同季节、不同天气、不同时段下，空调冷冻机制冷负荷变化较大，普通定频定流量系统，空调冷却水系统大部分时间在大流量、小温差状态下运行，既不节能，也不利于空调冷冻机正常、安全运行。通过分析空调冷却水系统特点和运行要求，将冷却水系统与变频器及测控设备有机结合，形成闭环变频控制系统。当空调负荷变化或外界温、湿度变化，造成冷却水出水温度变化时，通过调整冷却泵运行频率，达到降低综合能耗，同时保证冷冻机安全、正常运行的目的。

[关键词]空调冷却水系统 变频 控制 节能

中图分类号：TP2文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2009）0110016-02

近年来，随着我国经济发展，中央空调系统已广泛应用于宾馆、饭店、写字楼、商场、医院、地铁站、文化娱乐设施等各类民用建筑，空调能耗增长很快，空调耗电占大型公共建筑总耗电量的50%以上，空调冷冻泵、冷却泵耗电约占建筑空调耗电的20%左右，但国内建筑物单位面积的耗电量约为国外同等规模同档次建筑物耗电量的两倍，节能潜力很大，分析、研究空调冷却水泵变频节能智能控制，不仅有利于保障空调冷冻机正常运行工况，而且可以大大降低空调水泵自身的运行能耗和整个系统的综合能耗，降低建筑空调能源消耗和运营成本，对整个社会的节能和环保都具有非常重要的现实意义。

众所周知，民用建筑物空调系统是按照天气最热、负荷最大季节、时段设计，并留有10%以上的余量，但季节不同、天气不同、时段不同时，建筑空调需求差异很大，实际上每年绝大部分时间，空调都不需要在最大负荷状态下运行，根据美国暖通制冷空调工程师协会（ASHRAE）给出的建筑物全年实际运行负荷的统计数据，建筑物在全年的80%的运行时间里，实际空调需求负荷低于设计负荷的75%。目前，空调冷冻机一般都可以按照冷冻水出水温度设定，根据负荷变化自动加载或减载，空调冷冻水泵变频调节也已广泛应用，具有较为灵活的调节性能，但因涉及到空调冷冻机运行控制和冷凝器、蒸发器运行保护及冷却塔运行要求，受以往技术和传统设计观念所限，冷冻机侧的冷却水泵变频调节控制系统分析研究和应用较少，绝大部分仍采用传统的定频冷却水泵，不能随负荷和天气变化相应调整运行工况，无论季节、天气和负荷变化，都在工频状态下全速运行，能量的巨大浪费是显而易见的，节能潜力很大，而且，当冷却水温较低时，还会影响冷冻机正常运行工况，给系统运行安全带来隐患。

一、水泵调节的方法和性能

以往水泵常用的调节方法有调节进口阀门、调节出口阀门，后来又陆续发展到利用转差率调节转速、改变三相交流电频率来调节转速等，虽然都可以达到调节水泵流量的目的，但实际能耗情况差异很大，变频调速方式最接近理想状态，在不同工况流量调节中最节能，是目前比较理想的流量调节手段。众所周知，改变泵的转速，可使泵的性能曲线升高或降低，系统流量和扬程随之变化，在一定范围内，流量、扬程和能耗分别与水泵运行频率的一次方、二次方、三次方近似成正比。

二、空调冷冻机对冷冻水、冷却水变流量的要求

按照以往技术和设计惯例，为了冷冻机运行稳定、安全，冷冻机侧一次冷冻水、冷却水保持定流量运行，进、出口水温差控制在5～6℃，蒸发器和冷凝器管束内的水流速约2.0～2.8m/s。长期以来，冷冻机侧一次冷冻水泵很少考虑变频变流量设计和改造，冷却泵变频变流量的分析、研究和工程实例更少。作者查阅特灵、约克等著名冷冻机生产商资料，冷冻机蒸发器或冷凝器最小安全流量约为额定流量30～40%，空调冷冻机侧一次冷冻泵和冷却泵的变频调节控制的最小频率必须保证满足最小安全流量和对应的最小压差，否则，不起保护作用，甚至可能出现蒸发器局部冰冻、冷却水上不了冷却塔、冷凝温度过高等事故。

三、空调冷却水泵变频调节分析

（一）空调冷却水泵变频节能可行性分析

对于空调冷却泵变频节能，目前在工程技术领域大致有两种观点：（1）冷却泵变频降低流量，会导致空调冷冻机能耗增加，没有节能效果，甚至危及冷冻机运行安全；（2）空调冷却泵变频节能和冷冻水泵变频控制方法和效果基本一样。受第一种观点的影响，空调冷却泵变频节能研究和应用很少，受第二种观点影响，空调冷却泵变频节能成功的工程实例较少。

空调冷冻机冷凝器散热量Qr=C*M*△T，Q与冷冻机运行负荷成正比，传热系数C接近是定值，M是冷却水流量，与冷却泵运行频率f近似成正比，△T=T2-T1是进、出冷凝器冷却水温差。由此可以看出，提高冷却水温度和减小冷却水流量会导致冷凝器散热量减小，冷凝温度升高，按常规设计条件（设计温差5℃）估算，流量下降20%，冷却水温差也会增大约20%，即上升约1℃，冷却水入口温度T1基本不变的情况下，冷却水出口温度T2升高约1℃，从而导致冷冻机冷凝器冷凝温度升高约1℃。

从理论上分析，对空调制冷循环来说，冷凝温度升高，会增大制冷能耗，冷凝温度升高1℃，制冷能耗增大约相当于冷冻机电机功率的1～2%。但从大多工程实例看，空调冷却泵电机功率大致相当于冷冻机电机功率的8～12%，当冷冻机负荷较小或冷却水温度较低时，假如冷却泵运行频率从50Hz减小至40Hz，按理论计算，冷却水流量减小约20%，冷却泵消耗功率减小约40%以上，减少量相当于冷冻机电机功率额的3～4.8%，同时，冷冻机冷凝温度约升高1℃，制冷能耗增大约1～2%，两者相比，综合能耗降低大约相当于冷冻机电机功率额的2%，节能效果依然比较显著。

从空调冷冻机运行实践分析，冷冻机运行需要保持冷凝压力和蒸发压力一定的压差，例如，根据世界著名的空调冷冻机厂商特灵公司资料，R22制冷剂空调冷冻机冷凝压力和蒸发压力的最小差值宜保持在400kPa左右，这样，在冷冻水出水温度基本不变的情况下（一般设定为6～7℃），冷却水温度不宜过低，流量不宜过大，尤其是部分负荷情况下，压差过小，会使回油困难，噪音和振动增大，甚至造成冷冻机报警和故障。随着高档公共建筑增多，尤其是智能化建筑增多，空调冷冻机运行时间明显延长，半年甚至全年运行，各季节天气情况和空调需求负荷变化很大，冷却水温度也经常大大低于设计温度，在这种背景下，空调冷却泵变频控制不仅可以节省能耗，而且是空调冷冻机安全正常运行的需要。

（二）空调冷却水泵变频调节控制参数选定

因为冷凝器散热量Qr=C*M*△T，当冷冻机在某一负荷运行时，冷凝器散热量Qr基本稳定，调整冷却泵运行频率，冷却水流量M近似与运行频率f正比变化，进出冷凝器水温差（△T=T2-T1）则近似与运行频率f反比变化。

如果用冷却水进出水温差△T作为控制参数来控制冷却泵运行频率，则冷却泵运行频率主要与冷冻机运行负荷相关联，春、秋、冬季节，如果冷冻机负荷较大时，虽然冷却水进出水温差△T比较大，但冷却水整体温度却比较低，不仅不能有效利用冷却水低温时的节能潜力，而且冷却水温度较低时，还会使冷冻机运行工况差，甚至出现故障的情况。

冷却水系统与冷冻水系统不同的是它的温度不仅与冷冻机负荷相关，还与外界环境温度、湿度和冷却塔工况等相关，进入冷冻机冷凝器的冷却水温度T1（或冷却塔出水温度）主要取决于环境温度、湿度和冷却塔工况，受冷冻机运行状况影响不大，出冷冻机冷凝器的冷却水温度T2（或冷却塔进水温度）则主要取决于冷冻机的运行负荷、冷凝器换热工况和冷却水流量、进口温度等。所以可以采用出冷冻机冷凝器的冷却水温度T2（或冷却塔进水温度）作为控制参数调节冷却水泵频率，则可以较大限度地利用冷冻机低负荷和外界环境温度、湿度较低时两种情况下的节能潜力。

（三）工程实例和分析

北京某著名大厦数据中心服务器设备很多，空调供冷需求量大、时间长（全年供冷），所以，对制冷系统安全可靠和节能降耗要求很高，除了采用常规的控制和节能技术外，还特别考虑了冷却水系统变频节能技术应用。作者在接受这个项目后，通过分析、研究，最初确定按如下设定控制冷却水泵运行频率：

但在系统调试中发现，容易出现如下问题：

1．大部分冷冻机油冷却器采用冷却水冷却，油冷却器的发热量随冷冻机运行负荷变化不大，冷却泵运行频率和流量过小，会影响冷冻油冷却，致使油温过高，所以，冷却泵的最小安全流量和频率不能过小，具体数值应根据冷冻机技术资料和运行测试分析取得，本项目冷却水泵最小安全频率原设定30Hz过低，容易使冷冻机运行工况变差，油温高、噪音大等，一般最小安全频率宜设定在35Hz以上，不宜过小；

2．按照冷却水出水温度分段断点阶跃设定冷却泵运行频率，当冷却水温在不同范围之间波动时，容易造成冷却泵频率变动频繁，冷冻机和变频器运行不稳定，而且冷却水温度设定值较高，如50Hz运行频率的设定范围为T2≥37℃，也会使夏季冷冻机冷凝温度长时间保持较高数值，对冷冻机安全、高效运行都不利。

经过多次运行测试和分析，比较合理的方法是适当降低温度设定范围值，提高最小安全频率设定值，在每个冷却水出水温度区间范围内冷却水泵运行频率按照斜率平滑调节，不要采取分段断点阶跃调节，保证空调冷冻机安全高效运行和冷却水泵频率平稳调节，如下表控制参数设定：

空调冷却水系统控制逻辑原理关系如右图：

夏季高温、高湿度和冷冻机大负荷运行时，冷却水经过冷却塔处理后进入冷冻机冷凝器的入水温度T1较高，设定冷却水出冷冻机冷凝器温度T2≥32℃（大大低于设计温度37℃）时，冷却水泵在50Hz频率下运转，保证充足的冷却水流量，加强高温时冷冻机冷凝器传热效果，从而保证冷冻机运行安全、高效；当空调冷冻机运行负荷较低或春、秋、冬季低温、低湿度情况下，经过冷却塔处理后进入冷冻机冷凝器的冷却水温度T1较低，出水T2也比较低，当冷却水出水温度24℃≤T2＜32℃时，冷却水泵运行频率在35～50Hz间平稳调节，稳定在某个频率运行，在40Hz频率运行时，冷却水流量约流量的80%，冷却水泵电耗约为工频（50Hz）运行时的一半，最低安全频率35Hz运行时，冷却水流量约工频流量的70% ，冷却水泵电耗约为工频运行时的34%，节能效果相当可观，更为重要的是在低负荷、低冷却水温度情况下，冷冻机冷凝器、蒸发器压差过小，回油困难，冷冻机运行噪音、振动较大，适当降低冷却泵运行频率和冷却水流量，可以适当提高冷却水出水温度和冷凝温度、冷凝压力，有利于保持冷冻机正常运行状态。

四、冷却水泵变频控制系统设置

（一）空调冷却水系统控制原理

两台空调冷却水泵（1用1备）共用1台变频器，配有变频器和Y-△启动转换开关控制，夏季高温时采用Y-△系统工频供电；低负荷、低温运行时，转换到变频器系统供电运行；变频器或Y-△故障时，可启动另一套系统供电，不影响冷却泵运行，保证系统安全可靠性。两台冷却泵定期轮换运行，24小时轮换一次。

冷冻机冷却水进出口采用压差传感器，根据冷冻机额定流量、压差和最小流量、压差以及最小上冷却塔扬程值，来设定最小安全保护压差，当冷却泵未启动或流量过小时，冷却水进出口压差小于最小安全保护压差值，冷冻机保护停机。

（二）冷却水出冷却塔温度T1控制

当冷却塔为单扇型，冷却塔风扇应配变频器控制，设定冷却水出塔温度T1（如20℃），来控制风扇变频器频率；当冷却塔为多风扇型，可以设定冷却水出塔温度T1（如20℃），来控制风扇开启台数，保证出塔冷却水温度稳定。

五、结论

上述工程项目2008年5月份投入运行，空调冷却水系统变频节能改造经过今年春、夏、秋三季运行、测试，在保证空调冷冻机安全、正常运行的前提下，夏季空调冷却泵大多在工频状态运行，春、秋季随空调需求和外界温、湿度情况自动调节运行频率，尤其是进入九月底以来，外界环境温、湿度变化较大，空调冷却泵经常在40Hz附近运行，电耗约为工频（50Hz）运行时的一半，进入深秋和冬季运行，节能效果会更显著。