浅析集控系统在水系统中央空调运行中的节能作用

摘 要：水系统中央空调是由热泵、循环水泵、空调箱、风机等通过水管和风管拼装组合而成的，在没有集控系统的情况下，设备的运行相对独立，无法做到协同高效，系统的节能效果有限。现以上影嘉兴影院项目为例，通过对比两种不同的控制方式，阐述了集控系统在水系统中央空调运行中的节能作用。

关键词：水系统中央空调;风冷热泵模块机;集控系统;协同运作;节能

0  引言

空调系统在设计时均以全负荷状态为设计依据，但在实际使用过程中，绝大部分时间空调系统都是在部分负荷状态下运行。在如今全球节能减排的大背景下，如何让系统在部分负荷状态下以更低的能耗运行就显得尤为重要。

当前，空调主机无论是风冷热泵还是水冷机组在技术上都能做到无极变频，自带的能耗控制模块完全可以在部分负荷状态下实现节能运行，空调箱、风机盘管等末端也有简易的控制程序。但水系统中央空调系统作为一个庞大而复杂的系统，常规都是采取多台热泵、多台循环水泵组合工作的模式，此时仅仅依靠设备自带的控制程序远远达不到节能运行的要求，故系统中多台设备间的协同运作尤为关键，例如，主机的运行台数及每台设备负载率之间的协调控制;循环水泵运行台数及频率的协调控制;不同室内负荷要求下系统水流量及供回水温度的协调控制等都与系统节能运行密切相关。

所以，要解决这些问题就必须要有一个集中控制程序来协调控制这些设备，对系统运行进行整体优化，达到降低综合能耗的目的。本文以上影嘉兴影院项目为例，探究空调集中控制系统（以下简称集控系统）在空调运行中的节能作用。

1  工程实例介绍

上影嘉兴影院位于嘉兴八佰伴购物中心内，整个项目面积约3 850 m2，其中包括8个影厅、1个购票大厅、设备用房等。影院空间均采用组合式空调箱，配变频风机且新风比可调。冷热源为8台风冷热泵模块机，每台设备均配有电动蝶阀（开关型）与设备联动，当负荷降低时可关闭模块设备并切断水系统。与此同时，系统配置了4台冷热水变频循环泵，互为备用。整个系统配置一套集控系统完成日常的运行、监控、记录等操作。

1.1  风系统

空调风系统原理图如图1所示。

本次风系统设计所采用的节能方法为变频风机和可变新风比[1]的组合，这也是目前常用的节能方式。可变新风比有两个作用：其一，每套空调箱的服务区域均设置CO2浓度探测器，新风量可以根据房间内CO2的浓度来控制，在满足室内卫生要求的同时又兼顾了节能运行的要求;其二，控制系统会根据室外温湿度的状态自行选择合适的新风量，当室外焓值低于室内设计值时，系统会优先调节至最大新风量运行，以减小空调主机的负荷。

需要注意的是，当室外空气质量不好的情况下，新风比不宜过大，现在空调系统普遍安装了PM2.5过滤网，大量的室外脏空气会造成滤网提前失效，从而增加运行成本。另外，当室内外焓差不是很大时，原本空调箱50%的送风量已经能满足室内冷负荷要求，如果选择加大新风量的话，总送风量则可能也需要加大。此时空调箱的能耗是上升的，如果这个上升的能耗大于空调主机所节省的能耗，那反而是增加了整个系统的能耗，这种情况也是系统运行中应该避免出现的。

1.2  水系统

空调水系统原理图如图2所示。

由于安装空间的限制，本次设计选择了风冷模块机。虽然这些设备较为灵活，但它的能量控制只有5挡（停机;25%负载率;50%负载率;75%负载率 ;全载），还不能做到无极变频。该系统一共配置了8台模块机，并配备了电动蝶阀，使得每台设备都可以单独运行。4台变频循环泵可以匹配主机的各种水量要求。对水系统的控制相对比较简单，集控系统通过对供回水温度及流量的监测，控制水泵的启动台数、频率及热泵主机的启动台数、能级。另外，系统还会监测空调箱的比例积分调节水阀的开度。当检测到阀门开度过小时，在满足送风温度的条件下，系统将自动调节热泵出水温度，以提高热泵效率，并且防止系统由于水流量过小而产生的水力失调的情况。

此外，根据所选设备的参数，在集控系统中写入相应的控制程序，可进一步降低系统的运行能耗。以本工程为例，从热泵各能级能耗表（表1）可以看出，本次所选的风冷模块机在50%负载率时效率是最高的。换而言之，就是2台风冷模块机全载运行的能耗比4台50%负载率运行的能耗高，那么控制程序就应该让空调主机优先运行在50%的负载率下。同样根据变频水泵综合效率曲线图（图3），设备效率随着负载的降低而降低，所以，控制程序应该让变频泵优先运行在高负载下。另外，在负荷非常小的情况下，应该让8台热泵主机轮流启动运行，以避免单台设备因过于频繁启动而出现故障。

2  能耗对比

主要设备装机容量如表2所示。

空调的运行分为全负荷和部分负荷，全负荷运行不在本次讨论范围内，本次就空调系统在制冷季12.5%、25%、50%、75%四种负荷状态下分别对无集控和有集控系统运行能耗进行对比分析。这里需要说明，对比数据是根据设备参数及运行性能模拟得出的，并非实测值。

不同负荷状态的参数如表3所示。

2.1  无集控系统

一般而言，在无集控系统的情况下，主机和水泵的开启都是由物业管理人员来完成的，且通常也不会配置变频水泵，物业管理人员会根据经验选择开启设备的台数。假设物业管理人员经验非常丰富，他能很准确地判断当前的负荷状态，当负荷为75%时，开启6台主机和3台水泵;当负荷为50%时，开启4台设备和2台水泵;当负荷为25%时，开启2台主机和1台水泵;当负荷为12.5%时，开启1台设备及1台水泵。

另外，在无集控系统时，空调箱一般不会配置变频风机，而新风量必然是固定的，所以无论在哪种负荷状态下，空调箱的送（回）风机都会以最大功率运行，设备只是通过室内的温度传感器来控制空调箱的供水量，以达到室内温度要求。

无集控系统时部分负荷运行能耗汇总表如表4所示。

2.2  有集控系统

所有设备会根据集控系统的设定协同运行。当部分负荷状态下，再不是简单地选择开启几台热泵设备了，集控系统会对比不同能级下的组合来选取效率最高的运行方式。

设备运行状态如表5所示。

上文所述，当室外空气焓值低于室内设计值时，以最大新风量模式运行相对是比较节能的。在本次对比中，负荷率12.5%所对应的室外焓值低于室内设计值，经计算[3]，10 000 m3/h的新风量即可满足冷负荷要求，所以此时热泵和循环水泵均可停止运行。另外，为了保证室内空气有效流动，空调箱送风量不小于总送风量的50%。

有集控系统时部分负荷运行能耗汇总表如表6所示。

2.3  能耗对比

能耗对比汇总表如表7所示。

将两组数据对比后可以看出，在部分负荷下，负荷率越低，采用集中控制系统的节能效果越明显，最高节能率达到了49%，持续运行下可节约巨大的运行费用。

3  结语

风冷热泵、空调箱等设备为了满足使用要求都会配置独立的自控系统，但整体不是简单的局部之和。一个节能的空调集中控制系统是需要整个系统协同运作的，不仅要让系统中所有的设备运行在高效率区段，还要让整个系统的综合能耗降至最低。可喜的是，电子产业的高速发展使得控制元件不再是高不可攀的高科技产品，集控系统的价格有了大幅下降，功能相比之前有了较大提升，暖通空调系统的控制水平也取得了长足的进步。

[参考文献]

[1] 陆亚俊，马最良，邹平华.暖通空调[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] HDY-SMAD空调负荷计算及分析软件 V4.0.249[Z].

[3] 建设部工程质量安全监督与行业发展司，中国建筑标准设计研究所.全國民用建筑工程设计技术措施：暖通空调·动力[M].北京：中国计划出版社，2003.

收稿日期：2020-03-18

作者简介：张兆劼（1981—），男，上海人，工程师，研究方向：工程设计。