公建项目空调系统控制策略案例

何毅晖， 林拥军， 王丹骏

（1.杭州高新技术产业开发总公司，浙江杭州 310053；2.杭州源牌环境科技有限公司，浙江杭州 310030）

随着社会经济的不断发展，目前我国出现了越来越多的大型综合类公建项目。项目建设者从建筑工程的全寿命周期成本角度考虑，往往需要给这类大型公建项目设置一个集中的能源中心来给整个项目进行供冷和供热。这个过程，一方面建设项目在满足全寿命周期成本角度考虑的同时，另一方面也使得整个项目的空调系统变得异常庞大、复杂。因此，这类空调系统将需要投入相当多专业的空调技术人员来操作和维护。而在实际操作中，这显然是很难做到的。自控技术这一课题正是为了解决上述矛盾问题而产生，并在近几年得到了蓬勃的发展。自控技术越来越多地应用到空调系统的控制当中，为大型综合类公建项目的节能提供了切实有效的保障。本文通过一个实际应用的案例，来剖析复杂空调系统控制的解决方案。

1 项目概况

某跨国公司在华研发中心项目，总建筑面积有十万多平方米，包括生产大楼A、B（各为20层）、生产实验楼（3层）和食堂（2层）四个单体，设集中冷热源能源中心。

项目夏季总冷负荷为15 560kW，设计采用3台常规离心制冷主机和1台冷凝热回收离心制冷主机供冷；因在生产大楼内的19个IT机房需常年供冷，故冬季总热负荷为9170kW，冷负荷约为3500kW，设计采用热回收机组进行同时供冷和供热满足负荷需求，当热量不足时用真空锅炉补充。同时，系统考虑了在冬季利用冷却塔结合板式换热器免费供冷以及热回收机组冷凝热回收的空调节能技术，系统的工艺原理较之常规中央空调系统更为复杂。基于高效、节能、可靠等楼宇建设目标，该能源系统需要配置一整套绿色低碳、功能完善、安全可靠、管理便捷的中央空调能源管理系统。

2 主要设备参数

表1 主要设备参数表

3 冷热源系统流程控制策略

3.1 空调系统各区域全年需求概况

见表2。

3.2 不同负荷条件下空调系统的运行模式

根据现代智能建筑绿色低碳、节能高效的要求，该系统采用供冷板式热交换器和冷却塔及冷却水循环泵设计一套“免费供冷系统”。在部分过渡季和冬季通过各供冷、供热设备间的自动切换及冷热量交换来满足主楼内区的空调要求。

表2 空调系统各区域全年需求概况

据此，根据对全年负荷变化情况的预测（通过供回水温度和流量计算确定）和对室外湿球温度的监测，对现实可能出现的情况设计以下运行模式。

3.2.1 运行模式1控制策略

根据表3，该模式下所有区域的负荷需求均由3台常规离心式冷水机组（CH-B1-1～3）和1台热回收离心式冷水机组（CH-B1-4）满足。

3.2.1.1 主机开关机控制

（1）开机顺序。1）初定主机台数和开启机组编号：自动初定开启一台或人为操作，优先开启常规离心式定值（参考值98%），且供水温度T≥设定值+设定差→加机；电流百分比≤设定值（参考值：3台同类型主机运行为70%；2台同类型主机运行为55%），且回水温度T≤设定值－设定差→减机。

表3 不同负荷条件下的运行模式

3.2.1.3 冷水一次泵控制

（1）台数控制。冷水一次泵与离心机台数一致。

（2）变频控制。根据供回水总管间平衡管上的流量传感器（测冷水机组及运行时间较少的机组；2）相应电动阀门开启和关闭（其中冷却水阀门全开）；3）启动冷却塔风机（全部）；4）启动一台（或与主机台数对应）冷水一次泵及冷却水泵；5）启动冷水机组：前一套系统运行至少5min后才能开启下一套主机系统。

（2）关机顺序。前一套主机系统停止后延时至少3min，待稳定后才能停止下一台。

3.2.1.2 主机加减机控制

机组制冷量组合原则：1）保证冷水机在高效运行区60%～100%负载范围运行；2）一般供冷条件下优先在夏季开启离心机组；3）在同时使用冷源和热源时或负荷较小时优先使用热回收离心机组。

主机加减机控制：根据建筑实际负荷，并与设计负荷比较，自动求出需开启/减少的主机台数，同时通过测量供/回水温度和机组运行电流百分比P，自动修正主机的运行台数，达到最佳节能目的。电流百分比≥设量流量）和温度传感器（确定流向）调节一次水泵变频，使平衡管内流量趋向于零。

（3）最小频率限制。冷水流量不能低于蒸发器最小流量要求。为满足制冷剂蒸发器对冷水最小流量的要求，根据主机厂家提供的参数确定最小频率。

（4）变频幅度限制。（适用于所有）水泵变频使主机的流量变化率不超过15%/min。

3.2.1.4 冷水二次泵变频控制

（1）根据末端最不利压差ΔP和供回水温差ΔT控制系统二次泵变频，根据ΔP、ΔT的综合差（α×ΔP+β×ΔT）（其中α、β为权重系数，根据大量实际项目经验通过软件计算得出，α+β=1）与设定值比较，变频调节系统循环泵。当实测值＞设定值时，降低水泵频率；反之，则提高水泵频率。

（2）台数控制：当水泵运行频率≤最低频率时，停一台泵，最低频率设定为25Hz（可调）；当运行水泵频率都达到45Hz时，增开一台水泵。

3.2.1.5 冷却水旁通阀和冷却塔风机控制

（1）此工况下关闭冷却水旁通阀。

（2）根据室外湿球温度、冷却塔性能和制冷主机性能，计算最佳冷却塔出水温度。

（3）当系统有主机开启运行时，预开启所有高速风机运行，根据实际冷却塔出水温度与设定值比较，进行冷却塔风机控制：1）减风机程序：当冷却水回水温度低于设定温度0.5℃（可调）以上时，每隔5min（可设）后，将高速运行的1组冷却塔风机变为低速运行；当回水温度继续降低，第2组冷却塔的风机变为低速运行；当所有冷却塔都转为低速后，水温继续降低，可一组一组的关闭冷却塔风机，直至所有冷却塔风机均停止运行，冷却水处于自然冷却状态。2）增风机程序：当冷却水回水温度高于设定温度0.5℃（可调）以上时，每隔5min（可设）后，开启1组冷却塔的风机低速运行；当回水温度继续上升，再开启1组冷却塔的风机低速运行；当所有冷却塔都为低速运行后，水温继续升高时，可一组一组的打开冷却塔风机高速档运行，直至所有的风机均投入高速运行。

当冬季IT机房需启动离心式冷水机组制冷时，如冷却水温过低冷却水旁通阀自动将部分冷却水流直接短路形成回流。

3.2.1.6 冷却水泵变频控制

（1）根据主机冷却水最小流量要求设定水泵最小运行频率；

（2）保证主机在较高COP运行效率下，控制水泵变频；

（3）根据制冷主机性能和冷却水泵性能，以及最佳冷却塔出水温度，计算最佳冷却水供回水温差。

3.2.2 运行模式2控制策略

根据表3，设备机房的冷负荷由热回收机组提供，热负荷由热回收机组的回收热量来满足，若热回收量有富余，则多余热量由冷却塔承担，无常规冷负荷。

3.2.2.1 启、停控制

开机顺序：先执行相应电动蝶阀开启和关闭；同时启动1台冷水一次泵和1台热回收冷却水初级泵；延时1min启动热回收机组；热回收主机蒸发器侧出口温度设定为6℃（可调）；冷凝热回收器侧出口温度设定为43℃。

关机控制：首先停止热回收机组；延时1min后停止冷水泵；延时2min后停止冷却水泵；最后关该主机系统对应的电动蝶阀，切换至其他模式。

3.2.2.2 热回收主机冷热平衡控制

以控制热回收主机冷量输出满足冷负荷需求为基础，当实际输出热量大于热负荷需求时，热回收冷凝器的出水温度会高于43℃（可设），即开启对应的冷却水泵，通过调节冷却水泵运行频率（若实测温度大于设定值，增加水泵频率；反之减小）或调节冷却水总管上的旁通电动调节阀的开度和冷却塔风机的开启数量，确保使热回收冷凝器的水温度不高于43℃。

3.2.2.3 供热管路分集水器阀门切换控制

该模式下，热负荷全部由热回收机组承担。分集水器上，锅炉供热的阀门全部关闭，而热回收机组供热的阀门根据生产大楼、生产实验楼、食堂各末端需求，有热负荷时开启，否则关闭。

3.2.2.4 热回收冷却水初级泵变频控制

根据末端最不利压差与设定值的比较调节热回收冷却水初级泵变频，使最不利压差稳定在设定值，满足系统供水需要；最不利压差值的设定根据各个末端设备电动调节阀的阀位开度自动调整。

冷水流量不能低于冷凝器中冷却水最小流量要求设定水泵最低运行频率。当水泵以最小频率运行时，分集水器供回水压差ΔP2大于设定值或供热总流量小于热回收主机最小流量时，由电动调节阀进行调节控制。

3.2.3 运行模式3控制策略

根据表3中，当无常规冷负荷和热负荷，并且设备机房温度未达到上限值时，启用该运行模式，设备机房的冷负荷由冷却塔免费供冷提供。

其中，冷水一、二次泵控制同运行模式1（3.2.1.3节及3.2.1.4节）。

3.2.3.1 启停控制

开启顺序：首先自动设定免费供冷板换（HX-1）二次侧出口温度为10℃（可调），待相应电动阀门开关状态切换完成后，启动冷却塔风机，同时启动1台冷水一次泵和1台冷却水泵。

停止顺序：停止冷却塔免费供冷，根据冷却水温度自动判断调整冷却塔运行台数，延时1min后停止冷却水泵；延时2min后停止冷水泵。

3.2.3.2 冷却水控制

冷却水温度设定值一般不低于10℃（可调），必要时打开冷却水旁通调节阀进行调节。当冷却水旁通调节阀控制关到位时，用冷却塔风机运行的高、低速档和关闭风机运行数量来控制冷却塔出水总管温度，其控制逻辑同3.2.1.5。

3.2.3.3 HX-1板换一次侧水泵变频控制

根据板换二次侧出水温度控制板换一次侧水泵变频，当实测值＞设定值时，提高水泵频率；反之，则降低水泵频率。水泵最低工作频率25Hz（可调）以上。

3.2.4 运行模式4控制策略

根据表3，该运行模式为以运行模式2的基础，即设备机房的冷负荷由热回收机组提供，部分热负荷由热回收机组的回收热量满足，且无常规冷负荷，而当热回收机组提供的热量不能满足供热负荷需求时，采用真空锅炉作为热源补充，因此，该运行模式的较运行模式2增加的内容主要是：真空锅炉的控制。

3.2.4.1 真空锅炉启停控制

开机顺序：设定真空锅炉出口温度为60℃，根据计算负荷确定需要开启的机组台数，同时以保证各台机组运行时间相当为原则，确定开启锅炉系统的编号；待相应电动阀门开关切换完成后；启动热水一次泵（与锅炉台数对应）后延时1min再启动真空锅炉；前一套锅炉系统运行后延时至少5min后才开下一套系统。

关机顺序：当真空锅炉计算所需台数小于当前运行台数时，逐台停真空锅炉。

3.2.4.2 加减机控制

加机条件：实际负荷≥当前供应热量，且供水温度T≤设定值-设定差。

减机条件：n台锅炉运行时实际负荷≤n-1台锅炉供热总容量，且回水温度T≥设定值+设定差。

3.2.5 运行模式5控制策略

根据表3，该运行模式为在运行模式2的基础上，当热回收机组提供的冷量不能满足供冷负荷需求时，采用常规冷水机组为冷源补充的一种运行情况。

因此，该运行模式的控制策略为在运行模式2的基础上，加入以下内容：常规制冷主机开关机控制、冷水一次泵控制、二次泵变频控制、冷却水旁通阀和冷却塔风机控制、冷却水泵变频控制。

3.2.6 工艺用冷却水系统控制策略

系统默认采用冷却塔的回水作为工艺冷却水系统的供水，同时监测冷却水的供水温度，设定值24℃（可调）。根据板换、阀门、水泵状态切换冷却水系统控制。

（1）板式换热器不启用，工艺冷却水阀门关闭，步入式温箱冷水泵不启用：

比较实际供水温度和设定值，当实际供水温度大于设定值时：若有制冷主机处于运行状态，热回收机组处于常规工况（通过主机运行状态反馈），启用板式换热器，用冷冻水给冷却水降温，满足工艺冷却水水温要求：

（2）板式换热器启用，开启工艺冷却水阀门，同时开启一台冷水泵：

若无制冷主机处于开启状态，或热回收机组处于热回收工况（通过主机运行状态反馈），工艺冷却水的供水温度通过冷却水控制维持。

（3）板式换热器不启用，工艺冷却水阀门关闭，步入式温箱冷水泵不启用：

冷却水温度设定值一般不高于24℃（可调），必要时打开冷却水旁通调节阀进行调节。当冷却水旁通调节阀控制关到位时，用冷却塔风机运行的高、低速档和关闭风机运行数量来控制冷却塔出水总管的温度，控制逻辑同3.2.1.5节。

4 结语

该工程一大负荷特点，即在过渡季和冬季依然需要供冷，而在此期间若无热负荷需求时（在夜间或非工作日），通过供冷板式热交换器和冷却塔及冷却水循环泵组合成一套“免费供冷系统”。即当室外湿球温度低于7℃（可根据需求调节此数值）时，此时冷却水的供水温度满足IT机房供冷要求时，可采用冷却塔免费供冷系统以更低的能耗实现供冷。如在此期间有热负荷需求时（在工作日），系统优先开启冷凝热回收机组，其蒸发器为需要供冷的区域提供冷水，其冷凝器为需要供热的区域提供热水。只有在热回收机组不能满足制冷负荷的时候，改由冷水机组提供冷量，如在此时供热量不足时可增加锅炉补充供热。

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[1]柴慧娟.高层建筑空调设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1995.

[2]蒋传遐.空调定水量系统改为变水量系统的可行性研究[D].长沙：湖南大学，2000.

[3]陈在康，丁力行.空调过程设计与建筑节能[M].北京：中国电力出版社，2004.

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