中央空调系统集控变流量节能控制设计

曾繁明

（正德职业技术学院，江苏南京 211106）

0 引言

中央空调是商场、酒店、写字楼等公共建筑不可缺少的设施，提高了建筑环境的舒适度。但是中央空调功率大，设计余量大、耗能大，中央空调所用电费较高。空调的负荷随着季节、气候、室内热源的变化而变化，控制中央空调系统的运行状态以适应负荷变化，可以减少大量的电能消耗，减少电费支出。

1 中央空调系统节能理论依据

本设计主要内容就集中在冷水机组的集中控制和循环水泵的变频控制两个方面。

主机集控是指包括压缩机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔风机集中控制的方式。是指当需要开启一定的机组数后，因负荷降低压缩机卸载或停机、或因故障停机使压缩机总的出力负荷小于等于所开机组数压缩机总负荷减去1 台机组压缩机总负荷时，自动调整压缩机运行方式、调整冷冻泵、冷却泵、冷却塔风机的运行台数，从而达到降低运行成本的目的。

水泵变流量控制系统在线实时采集供水缸和回水缸冷媒水进水、出水温度，根据冷媒水进出水温差计算空调主机的冷负荷。根据对冷媒水温度的检测，分析出目前空调主机的冷负荷，通过控制算法及时调节冷媒水泵变频器来控制冷媒水流量，使冷媒水流量适合目前空调负荷情况和末端流量需求，确保冷媒水泵处于最节能的状态下运行。同时，为了避免因冷媒水量的过大或过小影响空调主机的热交换，控制系统对冷媒水流量做了最大流量和最小流量限制，确保空调主机安全、高效运行。

离心式流体传输设备（如离心式水泵、风机等）属于平方律负载，输出功率P 与其转速n 的三次方成正比，P=K×n3，其中，K为比例常数。降低水泵的转速，水泵的输出功率就可以下降更多。如将电机的供电频率由50 Hz 降为45 Hz，则理论上45 Hz与工频50 Hz 的输出功率之比为（45/50）3=0.729，可以节省耗电27.1%。因此，利用变频技术改变水泵、风机转速来调节水流量、空气流量，具有明显节能效果，一般都可以节电30%以上。

2 中央空调系统集控变流量节能控制设计

2.1 冷水主机集控系统设计

主机集控以采用2 套主机组成的冷冻站为例。冷冻泵、冷却泵与主机采用串联的结构模式，正常使用时由人工选择开机台数以及开启的机组，但在负荷波动过程中存在如下问题。

（1）主机出力与负荷稳定时，压缩机存在着继续卸载直至停机，从而导致水温出现较大范围波动，影响到空调效果，进而增加主机部分的功耗。

（2）当1 台机组全部压缩机受温控全部停机时，冷冻泵、冷却泵仍保持运行，增大了水泵功耗。

（3）当2 台机组都出现部分负荷时，压缩机处于高能耗、低效率区运行，较1 台机组高负荷运行能耗增大；此外2 台机组的冷冻泵与冷却泵为保持其余压缩机的工作，均须正常工作；如能优化机组运行，由1 台机组完成负荷适应，则降低了水泵功耗。

2 台机组运行时，当运行的压缩机台数小于等于1 台时，则优化为1 台机组运行；此时对应的冷却泵、冷却塔风机停机运行，冷冻泵视系统情况继续运行或停机。

以400 kW 机组为例进行分析，该机组在满负荷工况下全载电流为700 A。根据开利机组的部分负荷机组曲线，压缩机在50%负载时功率228 kW，压缩机部分负荷时能耗以运行1 h 计，2 台机组压缩机50%负荷，相应能耗为1×228×2=456 kW·h。若优化调整为1 台压缩机全载运行，相应能耗为1×400×1=400 kW·h，则在此模式下运行1 h 压缩机功耗节省456-400=56 kW·h。在此基础上通过集控优化，可以调整降低的冷媒水泵、冷却水泵功耗为55×1+90×1=145 kW·h。中央空调系统实际运行时往往大部分时间都处于部分负荷运行，存在较大节能空间。

2.2 冷媒水循环系统变流量控制

冷水主机的制冷效果决定了冷媒水的出水温度，一般比较稳定，冷媒水回水温度随着室内的热负荷情况而改变。在本设计中取回水温度作为控制目标，通过变频器对冷媒水水泵转速进行自动调节，控制冷媒水的供回水温差，避免出现大流量、小温差的工作状况。

当空调末端负荷发生变化时，冷媒水回水温度、流量亦随之变化，流量计、温度计将检测到的参数送至控制器。控制器依据模糊控制逻辑算法，实时计算出末端空调负荷所需的制冷（热）量，以及冷媒水供回水温度和流量的最佳值，并与检测值进行比较，输出控制量，控制变频器的输出频率。调节冷媒水泵的转速，调节流量，使冷媒水系统的供回水温度、流量运行在最优值。

通过对冷媒水输出能量的动态控制，冷媒流量跟随末端负荷的需求进行变化、匹配，这样空调系统在各种负荷情况下节省了冷媒水的输送能耗，又保证末端用户的舒适性。

2.3 冷却水循环系统变流量控制

在设计上冷却水泵电机的容量是按照最大换热量的情况，再加上一定的安全系数来确定的。而实际上由于季节和昼夜气温的变化以及开机数目的减少，换热量会远远小于设计值，因此，电机容量远大于实际负荷的需求，出现了大电机带小负载的情况。冷却水为主机中的冷凝器进行冷却，及时把冷凝器散发的热量带走，保证制冷主机正常工作。常规设计的冷却系统，其循环水泵的转速不变化，通过调节节流阀的方式来调节冷却水流量，阀门上存在着很大的能量损失，这部分损失的能量其实就是电机所做的无用功。本项目节能设计思路是，在保证制冷主机正常工作的前提下，尽可能减少冷却水流量进而节省大量的电能消耗。

冷却水变流量控制系统中采用变频技术改变水泵电机的转速，从而改变冷却水的流量。冷却泵所用水泵的形式为与主机1对1 的形式，3 台机组或以上运行时通过集控调整，则将3 台机组的部分负荷调整为2 台机组满负荷。为节约成本、降低运行能耗，仅在2 台主泵上增加变频器，其余水泵定频运行，运行时可任意选择与主机配合的2 台水泵作变频运行；根据需要增加第三台水泵运行时自动作定频运行。备用水泵通过切换回路实现变频节能的目的，即实现任何一台水泵工作都可以变频节能运行。

目前，冷却水变流量通常采用定温差控制，在冷却水进出水管上各安装1 个温度传感器，把温度信号传给控制器，控制器把检测到的冷却水温差与设定值（一般为5 ℃）进行比较，按PID算法控制水泵的转速和流量。当冷冻机组处于部分负荷时，冷却水温差较小（低于5 ℃），此时降低水泵转速，减小冷却水流量，以保持冷却水5 ℃的温差。为了保证水流量不低于最小流量，需要设定1 个频率下限，通常要高于25 Hz。

还有一种冷却水变流量控制方法——冷凝温度控制法，以冷却水出水温度为控制变量，间接地控制冷凝温度，在冷却水管的出水端安装1 个温度传感器，检测的温度和其上限温度（如37 ℃）进行比较。只要保证水流量不低于最小流量，尽可能降低水泵转速和流量，从而实现节能。

上述2 种变流量控制方法一般都是PID 控制，容易发生振荡，运行稳定性差，同时系统无法提供流量、压差和温度多重保护，安全保护不完整。在传统控制方式上进行改进：在冷却水进水、出水管上安装温度+压力采集点，通过循环泵和平衡阀的配合，来调整冷水机组和冷却塔的独立流量要求，配合冷却塔变流量技术，使冷却水回水温度多降低1～3 ℃，提高主机运行效率。

2.4 冷却塔风机变频控制

中央空调系统实际使用中由于季节不同、末端冷负荷变化等原因，大部分时间处于20%～70%负荷运行，为了能灵活调节，冷水主机系统均采用多主机组合。多主机系统中冷却水系统包含多个冷却塔及冷却塔群，冷却塔的冷却，一靠换热面积，二靠空气流通量，冷却塔群多数时间也工作在部分负荷状态下。

在冷却水的进、出口安装温度传感器测量温度，感应冷却塔的水温，根据水温高低来控制风机的开启数量和风机的转速，以节省电能。风机采取变频控制以后，可以较好地恒定冷却水温，保障冷水主机的制冷效果，同时主机也工作在能效最高的状态，节约能量消耗。冷却塔风扇低转速运行时还能减少冷却水飘出积水盘，减少水雾对周围的影响，减少用水消耗，节约用水量。

3 结束语

近20 年来，我国基础建设快速发展，同时也消耗了大量能源，间接造成了环境恶化，节能降耗成为亟待解决的重要课题。在公共建筑中中央空调系统的能耗占比最大，和国外发达国家相比就有很大节能空间，采用先进的节能控制技术可以为业主带来巨大的经济效益，并产生深远的社会效益。