冷水机组冷却侧的节能控制

于振坤，任立娥

（1.山东新力拓节能服务科技有限公司，山东青岛266109；2.乐金空调（山东）有限公司，山东青岛266109）

冷水机组冷却侧的节能控制

于振坤1，任立娥2

（1.山东新力拓节能服务科技有限公司，山东青岛266109；2.乐金空调（山东）有限公司，山东青岛266109）

主要介绍了中央空调的冷却水泵及冷却塔风机的几种节能控制方式及具体控制方法，结合项目情况选择合适的控制方式可达到最佳节能效果。

冷却水泵；冷却塔风扇；变频；节能

0 引言

中央空调系统一般根据系统全年运行的最大负荷为参考依据进行选型设计，而中央空调的实际负荷与季节、气温、人员变化、设备负荷率等很多因素有关，在一年中大部分的实际负荷在70%以下，满载运行的时间甚至只有几天。常见的中央空调系统中冷水机组的负荷率可以根据负荷变化自动进行调节，但与之配套的冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等附属设备都不能自动调节，几乎长期都在100%的负荷下运行，这就造成了很大的能源浪费。

近些年来随着变频技术的日益成熟，通过计算用户侧冷冻水水温、流量等参数对冷冻水泵进行变频控制，冷冻水侧的能源浪费情况有了很大的改观。但冷却水系统由于与冷水机组冷凝器的运行状态关联密切，大多仅能通过冷水机组自身的控制器实现简单的联动控制，导致系统冷却侧的负荷不能跟随系统的负荷进行调节，造成能源的浪费。本文就该问题提出具体节能解决方案，以供参考。

1 常见冷却水系统组成

常见的冷却水系统一般采用如图1、图2所示的连接方式。冷水机组运行时，冷却水将冷凝器的热量输送到冷却塔去散热，再返回冷凝器进行热交换。整个冷却水系统由配套的冷却水泵来提供循环流量，从而保证冷水机组的正常高效运行[1]。

2 常见冷却水系统的控制方式

空调系统中，冷水机组处于低负荷状态时，为保证机组的正常运行需要对冷却水温度进行调整，通常采用冷却水泵定/变频控制，结合冷却塔风扇台数控制或变频控制的方法进行控制。

2.1 冷却水泵定频控制，冷却塔风扇启停台数控制

通过实时检测机组冷却水入口温度，并与设定值进行比较，采用步进控制的方法来控制运行的冷却风扇的台数，使冷却水入口温度接近设定值，具体控制方法如图3所示（四台风扇为例）。

2.2 冷却水泵定频控制，冷却塔风扇变频控制

冷却塔风机安装合适规格的变频器，实时检测机组冷却水入口温度，并与设定的冷却水入口温度值进行比较，通过PID控制实时调节变频器频率来调节冷却塔风机的转速，使机组冷却水入口温度实测值趋近于设定值[2]。

当机组冷却水入水实测温度高于设定值时，通过变频器提高冷却塔风机转速，增大冷却塔换热量，直到实测温度降至设定值；当机组冷却水入水实测温度低于设定值时，通过变频器降低冷却塔风机转速，减小冷却塔换热量，直到实测温度回升到设定值[3]。

2.3 冷却水泵及冷却塔风扇变频控制

2.3.1 冷却水泵的变频控制

冷却水泵的变频控制，首先要确定冷却水泵的最小工作频率。要保证水泵在最小频率运行时能够满足冷却水系统的管损设计要求，同时还要满足制冷机组对冷凝器冷却水最小流量的限制要求。

如果冷却水进出水温差比设计的冷

凝器换热温差大，说明冷水机组的实际负荷在变大，压缩机的电流也在变大，机组需要更多的冷却水量来带走冷水侧热交换来的热量，此时可通过提高冷却泵的转速来加大冷却水的循环流量；如果温差在减小，说明冷水机组的实际负荷在变小，压缩机的电流也同时在变小，此时可以降低冷却泵的转速来减小冷却水的流量，既能保证机组的高效稳定运行，又减小了冷却水泵自身的能量消耗。因此，冷却水泵的转速调节可以根据冷却水的进出水的温差或压缩机电流反应的实际负载率来控制。

（1）冷却水进出水温差控制法

设定变频器最小频率，设定冷却水进出水温差值，设定冷却水出书温度值。实时检测冷却水进、水温度及温差，在冷却水出水温度低于设定值时，按冷却水进、出水温差控制冷却泵频率，即当冷却水进出水温差高于设定值时，PID控制变频器频率自动增加；当冷却水进出水温差低于设定值时，PID控制变频器频率自动减小。若冷却水出水温度高于设定值，则优先控制频率自动增加。

（2）机组负载率跟随控制法

冷水机组运行时，压缩机电流的大小直接反应了系统负荷的大小，同时反应的也是冷却水需要带走的热量的多少。因此可以根据压缩机的负荷情况来调整冷却水的流量，使其能够相互匹配并达到节能的目的。锁定冷却水泵运行的下限频率，取机组压缩机实际运行电流占额定运行电流的比值为机组负载率，并结合冷却水出水温度信号来调节冷却水泵的频率。

1）当机组负载率低于40%（可设定）时，冷却水泵以最小流量运行；

2）当机组负载率在40%～60%（可设定）之间时，冷却水泵在额定流量的60%～80%（可设定）之间运行；

3）当机组负载率在60%～80%（可设定）之间时，冷却水泵在额定流量的80%～100%（可设定）之间运行；

4）当机组负载率高于80%（可设定）时，冷却水泵以额定流量运行；

通过实际流量与目标流量的比较，PID控制冷却水泵的频率。

同时当冷却水出水温度高于设定值时，频率优先无极上调，当冷却水出水温度低于设定值时，则按负载率变化进行调节。

综上所述，虽然目前温差控制法是当前行业中应用比较多的控制方法，但温度信号在传递过程中通常存在一定的迟滞，所以通过机组负载率调节冷却水泵频率可以比前者更及时也更节能。

2.3.2 冷却塔风机的变频控制

冷却塔的基本原理是利用水在和空气接触过程中的蒸发作用将水中来自冷凝器的热量交换出去。在热量交换的过程中，除了因水温度和空气干球温度的差值而进行的显热交换过程外，还包括水分子向不饱和空气中蒸发而进行的潜热交换。一旦空气的相对湿度过大，空气由不饱和状态达到饱和状态，水分子的蒸发就会处于一种动平衡状态，潜热交换就会终止，水温的下降就会越困难。因此空气湿球温度的高低决定了冷却塔的散热能力，即空气湿球温度比冷却塔的出水温度低的越多，冷却塔的冷却效果就会越好，反之越差。

因此，冷却塔风机的变频控制除了2.2节提到的根据机组冷却水入水温度进行控制的方法外（只考虑显热交换），为了进一步提高冷却塔的冷却效率，可以以冷却塔出水温度与环境湿球温度的差值做为控制对象，通过PID控制方式（将变频范围进行控制，限制调节变频步幅，增加退出/进入变频调节限制逻辑）实现冷却塔风机的变频调节，在可靠性的基础上实现节能要求。

通过实时检测并计算室外环境湿球温度和机组冷却水入水温度（接近冷却塔出水温度）的差值，以冷却塔的设计接近温度τ=（机组冷却水入水温度-环境湿球温度）为其控制目标，自动调节风扇转速。结合冷却塔的实际换热效果，可将风扇转速调节范围设为70%～100%，风扇变频器固化频率上限为50Hz，下限为30Hz。

2.4 冷却水旁通控制

在机组仍需要运行制冷工况，但环境温度已经很低的情况下，即使冷却塔不开，冷却水温可能还会低于20℃，这种情况下如果冷却水泵为变频控制，可降低冷却泵频率来减少冷却水流量，来使机组冷凝器冷凝压力不会过低；但如果冷却水泵为非变频泵或变频泵已降至最低频率，但冷却水温仍然过低的情况下就需要开启冷却水旁通阀，使部分冷却水直接从冷凝器出水口回流至冷凝器入水口，而不经过冷却塔，来保证冷凝温度的稳定。

通常可以以机组冷却水入水温度做为控制对象，通过PID控制方式调节旁通开度，来调节冷却水的温度，保证机组在冬季或过渡季节的正常运行。

3 工程实践

青岛某金融中心写字楼，建筑面积约4.2万m2，原系统采用冷却水泵定频及冷却塔风机启停控制，整体能效较差，制冷成本及每年的维护保养费用均很高。该项目于2015年进行了改造，配套的冷却水泵、冷却塔风扇等设备改为变频控制。

冷却水循环系统采用2台45kW变频水泵（1用1备），水泵的运行频率范围对应机组实际负荷率范围，并根据主机能量位确定目标流量，对冷却水泵的频率进行PID调节；冷却塔采用了2台30kW闭式冷却塔，冷却塔台数的控制受主机机头运行数量影响，而冷却塔风机的频率则根据环境湿球温度与冷却塔出水温度的差值和设定的目标值进行PID调节。并实时结合环境湿度和冷却水入口温度对目标值进行修正，确保冷却塔风机高效节能运行。

该项目通过2015年整个制冷季的运行，充分验证了整套控制方案的稳定性和可靠性，改造后每年可节省80余万元制冷运行费用，其节能效果非常明显。

4 结语

（1）结合冷水机组的使用情况，通过冷却水泵及冷却塔的变频控制，可使冷水机组冷却侧有明显的节能效果。

（2）冷水机组冷却侧的节能控制方法有多种，需结合项目实际情况选择合适的控制方案并通过多次现场的调试、分析、调整才能达到最好的节能效果。

[1]梁春生，智勇.中央空调变流控制节能技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2]徐尚志.基于PLC控制的空调冷却塔循环水泵的变频节能研究[D].广州：华南理工大学，2014.

[3]苏丹，变频器在中央空调循环水冷却塔中的节能应用方案[J].经营管理者，2013，（28）:382-382.

Energy Saving Control for the Cooling Side of Chillers

YU Zhen-kun1，REN Li-e2

（1.Xinlituo Energy-saving(Shandong)Co.,Ltd,Qingdao 266109，China；2.LG Air-conditioning(Shandong)Co.,Ltd,Qingdao 266109，China）

This paper mainly introduces several energy-saving control mode and the specific control method of the cooling water pump and cooling tower fan,combined with the project situation to choose the appropriate control mode can achieve the best energy saving effect.

cooling water pump；cooling tower fans；variable frequency；energy saving

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.020

TU831

B

2095-3429（2016）04-0083-03

2016-04-11

修回日期：2016-06-20

于振坤（1982-），男，山东青岛人，学士，助理工程师，主要从事中央空调节能控制系统的开发工作。