一种空调冷水系统节能运行控制方法的介绍

王子涵

摘要：本文介绍了“剪切和响应”设定值重设控制逻辑及其在空调冷水系统运行控制中的一种应用方法。该控制方法可以根据空调末端供冷量需求对冷冻水供水温度和循环水泵控制压差设定值进行重置，从而提高降低空调冷水系统整体能耗。

关键词：冷水系统;剪切与相应;设定值;重置;控制;能耗;供水温度;循环水泵;控制压差

目前暖通空调领域新建空调冷水系统通常会通过自动调节冷机出水温度和冷水循环泵变流量运行的方式来提高冷水系统的制冷效率，即在部分负荷的工况下降低系统能耗。但其自控方法普遍存在以下几点问题。第一，冷机出水温度的调节通常根据室外空气参数由控制系统计算确定。然而室外空气参数与室内负荷之间的函数关系通常根据新建项目具体特性有很大差异。在冷水系统运行过程中，实际冷水供水温度往往会偏离最优温度;第二，循环水泵的控制逻辑通常以保证最不利末端（或供回水总管）压差值恒定为目标对循环水泵进行变频调节。由于该压差值为系统在设计工况下空调冷水达到设计流量时的管路压降，当系统处在部分负荷工况时，该压差值会大于实际需要，使末端电动两通调节阀开度减小，造成额外能耗。为解决上述两点问题，从而进一步提升冷水系统的制冷效率，本文将介绍一种冷水机组供水温度和循环水泵控制压差值自动重置的控制逻辑。该控制逻辑通过检测各末端空调设备冷水盘管处电动两通调节阀开度来对设定值进行自动调节，使出水温度和管道压差值在部分负荷工况下低于设计工况时的对应数值并符合末端实际供冷需求，从而降低系统能耗。

1“.剪切和回应”设定值重置控制逻辑

“剪切和回应”设定值重置控制逻辑可用于重置压力、温度及其他空调系统中的变量。其基本原理是每隔一个时间（T），对初始设定值（SP0）进行一次“剪切”，即减小（或增大）设定值，减小（增大）量为一固定值（SPtrim）。由于设定值降低导致空调系统无法满足某个末端空调区的要求时，控制系统产生一个“需求”记录。当“需求”数量（R）达到某一阈值（i）时，控制系统开始反方向改变设定值作为“回应”。与剪切量（SPtrim）为固定值不同，“回应”量为“需求”数量（R）的函数，其值为SPres*（R-i）。其中SPres為每个单位“需求”的“回应”量，为一常数。可以看出，R值，即“需求”数量越大，“回应”量也越大。随着设定值的反方向调节，当“需求”数量不再高于阈值（i），设定值继续以固定的速率“剪切”（每T时长剪切SPtrim）。其中，“剪切”量SPtrim应该比单位“回应”量SPres小，原因在于缓慢的“剪切”速率可以让系统更稳定，而较大的“回应”量（SPres）可以让系统更快的满足末端空调区的需求。而且如果“剪切”量与“回应”量相等，有可能会出现设定值“卡住”，即无法变化的情况。总的来说，该控制逻辑是由各末端空调区产生的持续变化的“需求”数量（R）驱动的。

显然，该控制逻辑会使设定值出现周期性的波动。但由于“剪切量”，即SPtrim，足够小，所以整个波动是个相对缓慢而温和的过程，不会对系统造成干扰。相反，经过实践检验，相比于传动的PID控制逻辑，该控制逻辑更容易使系统达到协调的运行状态，且在避免空调系统参数剧烈波动的情况下具备更快的响应速度[1]。

需要说明的是设定“需求”数量阈值（i可以忽略的“需求”数量）的一个主要目的是排除“流氓”空调末端。所谓“流氓”末端，即由于某些原因导致个别末端的供冷需求始终无法得到满足，使系统一直存在增大供冷量的趋势。这种情况如果不设置阈值，就会因个别区域的异常状态导致冷冻水温度始终保持在最低值，或者循环水泵一直运行在最高频率运行，使空调系统无法实现节能运行。

另外，为了保证“剪切和回应”控制逻辑的控制效果，需要对设定值的重设变化范围及最大“回应”量（SPres-max）进行设定，即设定值只能在上限（SPmax）和下限（SPmin）之间波动，而SPres*（R-i）>SPres-max时，“回应”量取SPres-max。

2.冷水机组供水温度和压差设定值的重置方法

由于冷水机组的制冷效率会随着供水温度的升高而提高，所以在满足末端需求的情况下，应该尽可能地提高供水温度。在实际工程中，空调系统绝大部分时间处于部分负荷工况，在这些时段及时地重置供水温度设定值就可以有效降低冷水机组的能耗。其重置策略应该是使需要最低冷水温度的空调冷水盘管（最不利末端）的电动两通调节阀的阀门开度最大，即冷水供水温度使最不利末端的供冷能力刚好满足空调区需要。

同样的，在部分负荷工况下，空调房间冷负荷小于设计工况，各末端设备的电动两通调节阀的阀门开度减小。阀门开度的减小意味着循环水泵的扬程大于需要，有一部分水泵做功在冷水输配过程中转化为内能，造成浪费。而且，压差传感器的设置位置约靠近循环水泵，浪费越大[5]。然而，通过及时降低循环水泵变频控制的压差设定值，可以在保证空调系统供冷能力相同的情况下有效较低循环水泵能耗，从而提高冷水系统的整体运行效率。与供水温度重置的控制策略相似，压差设定值的重置策略是使最不利环路（需要最大扬程）的末端电动两通阀调节阀全开。

然而，在部分负荷工况下，重置（升高）供水温度设定值虽然可以提高冷水机组的制冷效率，但也会同时降低末端空调设备的供冷能力。即在供冷量不变的情况下，系统水流量有所上升，压差设定值提高，水泵能耗增加。这就带来一个问题，即当末端电动两通调节阀开度减小时，控制系统是应该重置供水温度还是重置压差设定值。

根据参考文献[4]，在一级泵冷水系统中，升高供水温度降低的冷水机组能耗大于循环水泵因此而增加的能耗，即使是在输送能耗相对较高的系统中。所以在部分负荷工况下可以优先对供水温度设定值进行重设。在此基础上，再辅以循环水泵压差设定值重设，可以将节能效果最大化，具体控制策略如图1。

图1 横坐标表示了冷水系统重设范围。控制系统采用“剪切与回应”逻辑对供水温度和循环水泵压差设定值进行重置。当系统重置度为0 时，供水温度和循环水泵压差值为初始设定值（TSP0，P SP0），即设计供水温度和设计压差值。随着冷负荷减小，控制系统根据“剪切与回应”逻辑先调高冷水供水温度，直到R-i≤0，或供水温度设定值达到最大（TSPmax）。其中供水温度最大值可以设定为比末端空气处理设备最低出风温度高2℃，以保证末端设备的除湿能力。若供水温度设定值达到最大（TSPmax）时，R-i仍然大于0，则控制系统开始调低循环水泵压差设定值，直到R-i≤0，或循环水泵设定值达到最小（△PSPmin），即重置度100。在这种控制方法的实际执行过程中，很少会出现循环水泵压差设定值重置程度较高的工况，原因在于冷水温度的重置对于空调系统制冷量的调节已经非常显著。

需要强调的是，“剪切与回应”控制逻辑在冷水系统中的应用前提是各末端阀门为开度可调型的电动两通调节阀，且阀门开度可上传至控制系统。这对于国内风机盘管普遍采用开关型电动两通阀的情况，会造成一次成本的升高。

3“.剪切与回应”设定值重置控制逻辑的设计案例

本段将结合设计案例对“剪切与回应”控制逻辑的实施进行进一步阐述。该案例为包括冷源和末端空调在内的一级泵变流量冷水系统。每个末端空调冷水盘管均配备电动两通调节阀，且具备阀门开度反馈功能。控制系统根据末端电动两通调节阀开度通过“剪切与回应”控制逻辑对冷水机组的供水温度进行重置。相关控制参数的设定情况如表-1

控制过程描述如下：

控制系统确认冷水机组启动15分钟后开始重置供水温度设定值，每隔10分钟重置一次，每次调高0.5℃。随着供水温度升高，末端空调设备为了保证空调区供冷量满足需求增大电动两通调节阀开度。在空调区负荷和冷水供水温度的变化之下，若有两个以上末端电动两通调节阀开度大于95，系统开始降低供水温度作为“回应”。降低值为-1*（R-i）。具体案例如下：

冷水机组在8：45启动。供水温度设定值SP0为 7℃。15分钟的延迟后，即9：00，冷水供水温度重置开始。控制系统收到1 个“需求”（R=1），由于R-i<0，无需“回应”，“剪切”供水温度到7.5℃;9：10，控制系统收到2个“需求”（R=2），由于R-i=0，無需“回应”，“剪切”供水温度到8.0℃;9：20，控制系统收到2 个“需求”（R=2），由于R-i=0，无需“回应”，“剪切”供水温度到8.5℃;9：30，控制系统收到3 个“需求”（R=3），由于R-i=1>0，回应量SPres为-1℃，重置供水温度净值为-1+0.5=-0.5℃，供水温度变为8℃;9：40，控制系统收到4 个“需求”（R=4），由于R-i=2，回应量SPres为-1*（4-2）=-2℃，重置供水温度净值-2+0.5=-1.5℃，由于供水温度最低设定值为7℃，供水温度变为7℃;

根据以上描述可以看出，控制逻辑具有调高供水温度至上限（最为节能）的趋势，但“回应”动作可以保证当末端空调设备供冷量不足时水温可以迅速进行调节到位。

4.    结束语

参考国外标准，ASHRAE standard90.1对冷水系统的供水温度和压差设定值的重置功能有明确要求。但国内新建项目目前普遍仍然采用恒定压差设定值的控制方法对循环水泵进行变频控制，且供水温度重置的控制方法也无法准确体现各末端空调区的实际供冷需求。导致新建冷水系统仍具有较大的节能空间。而本文介绍的遵循“剪切与回应”控制逻辑对冷水供水温度和循环水泵控制压差进行重置的控制方法，可以在保证冷源供冷能力满足末端需求的同时有效降低冷水系统能耗，提高系统整体效率。该控制方法会虽然会导致被调参数周期性波动，但其波动过程相对缓慢而温和，不会对系统造成干扰，较传统PID控制逻辑更容易使系统达到协调的运行状态。

参考文献：

[1]   StevenT.Taylor，ResettingSetpointsUsingTrim&RespondLogic，ASHRAE JOUNAL.

[2]   Taylor，S.Increasing efficiency with VAV system VAV system static pressure static pressure setpoint reset，ASHRAE Journal49（6）：24-32，2007.

[3]   ANSI/ASHRAE/IES Standard90.1-2013，Energy Conservation in New Buildings Except Low-Rise Residential Buildings.

[4]   Steven T.Taylor，P.E.，Optimizing Design&Control Of Chilled Water Plants Part5：Optimized Control Sequences，ASHRAE Journal，June2012.

[5]   黄皓明，董宝春，史杰，变流量系统中的几种控制方法，能源技术1005-7439{2008}04-0236-04.