中央空调冷却水系统节能控制策略

朱光勇

摘 要：冷却水系统是中央空调系统中的主要耗能设备，对其节能控制策略展开探讨具有十分重要的意义。分析了中央空调冷却水系统的组成和作用，介绍了冷却水系统的节能控制策略，并结合仿真实验验证了该策略的节能控制效果。

关键词：中央空调；冷却水系统；节能控制；仿真实验

中图分类号：TU831.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.051

随着生活水平的日益提高，人们对建筑的使用性能提出了更高的要求，而中央空调能够调节室内温度及湿度、改善室内环境，在建筑中得到广泛的应用。但是，在建筑体系中，中央空调系统是能耗大户，其能耗占据建筑总能耗的40%～70%.因此，中央空调系统节能问题成为了建筑节能的重点，其中，冷却水系统的节能是重中之重。

1 冷却水系统的组成和作用

如图1所示，冷却泵、冷却水管道、冷却水塔及冷凝器等设备共同组成中央空调冷却水系统。冷却水泵主要为冷却水提供动力；冷却塔是冷却水散热的场所，是冷却水系统的主要耗能设备，因此也是节能研究的重点。

中央空调冷机的能效受冷却水系统运行参数的影响十分明显，冷却水泵变频调速可以达到冷却水泵节能的目的，进而调节冷却水流量。然而，冷却水流量并不是越小越好，如果冷却水流量过低，必将影响到中央空调冷机的散热效果，进而势必影响到冷冻机组的能效，致使中央空调冷冻机组能耗上升。

冷却塔的节能主要通过对冷却塔风扇变频或改变冷却塔运行台数实现，冷却塔的冷却效果与冷却水的流量、室外空气的温湿度有密切的关系。在冷却水流量一致的情况下，冷却塔冷却效果的不同会导致冷却水出水温度的不同，最终也会影响冷冻机组的能效。因此，应该考虑在某一冷机负荷和湿球温度下，冷却水泵和冷却塔风机应该在多大的频率下运行，才使冷却水泵、冷却塔风机与冷机的总能耗最低。

2 冷却水系统节能控制目标及调节的量

冷冻机组的热量主要由冷却水系统带走，所以冷却水系统对冷冻机组能效影响明显。而中央空调系统其他部分能效受冷却水系统的影响非常微小，因此，冷却水系统的调节应该考虑冷却水系统与冷机的能耗，其控制目标是实现冷却水泵和冷却塔能耗值和最小，PCOP最大。PCOP按下式计算：

（1）

式（1）中：PCOP为能效比；Q为冷机的制冷量；PL为冷却塔的输入功率；PB为冷却水水泵的输入功率。

由于冷却水系统不存在水力平衡问题，使用阀门调节能达到的流量改变效果，完全可以用调节冷却水泵来替代，如果关小阀门，反而会造成能耗增加。因此，冷却塔风机和冷却水泵频率或转速是能够有效调节的量。

3 冷却水系统节能控制策略

中央空调冷却水系统受室外温度、湿度和自身运行工况的共同影响，系统复杂。我们首先确定分析方法，就是在不同的室外气象条件下分析比较各个风机、水泵的运行頻率，确定水泵、风机在何种频率时整个系统节能效果最优。

先假定一个冷却塔进口水温Tcw，按流程计算，可以得到一个冷却塔出口水温Tcw1，前面和后面2个冷却塔出口水温值大小相等，则计算过程完成，可得到冷冻机组、水泵、风机的能耗与它们的能耗之和。由于冷却水管路上的阀门不发生位置和大小的变化，冷却水管的阻力特性相应地也不会发生改变，因此水泵功率与频率为三次方的关系，相应的风机功率与风机频率也为三次方关系。因此，可以通过现场测量得到风机和水泵的频率，函数Wpump=f5（Ppump）与Wfan=f6（Pfan）的形式就能被确定下来。

冷却塔出水温度Tout为：

Tout=f3（Ppump，Pfan，Twb，Tin）. （2）

冷却水系统的冷却塔实际上就是一个换热器，换热效率Et与风的流量、冷却水的流量都有关，获得换热的效率就能够根据室外湿球温度、冷却水进口温度来计算并得出冷却塔出水温度。因此，问题转变成如何获得换热效率。换热效率Et的表达式如下：

（3）

Et=Et（Ppump，Pfan）. （4）

在式（3）（4）中，Tin，Tout，Twb，Ppump和Pfan都很容易在现场测量，根据这些我们可以计算出冷却塔的换热效率Et.

4 冷却水系统仿真实验

4.1 离散事件的基本要素

离散事件的要素包括实体、属性、事件、活动和进程等。冷却水系统是复杂、随机、离散型的系统，比如影响冷却塔出水温度室外温度和湿球温度都具有随机性，冷却塔的风机和冷却水泵的频率都能够按照设定的规则运转，它们之间构成一种动态关系。室外温度、湿球温度与冷却塔风机、冷却水泵的频

率有着对应关系，冷却水系统满足动态平衡。这种关系的最优状态是既满足冷机要求，又达到PCOP最大。

4.2 冷却水系统模型的搭建与运行

在Anylogic软件上建立冷却水系统模型，模型中包括冷却水泵、冷却塔风机，还有室外湿球温度、冷却塔的进水温度、冷却塔风机频率和冷却水泵频率等。

在某时刻给定的冷却塔进水温度、室外的湿球温度是确定的，然后控制器就会根据该室外湿球温度、冷却塔进水温度的状况来控制冷却塔风机的频率和冷却水泵的频率，采用不同的控制信号使冷却塔出水温度达到预定的值。当然，得到冷却塔出水温度预定值的方法有很多种，比如可加大冷却塔风机的频率，更多地带走冷却水中的热量。通过最终的数据分析，从众多方法中分析找出既满足冷机负荷要求，又使冷却水系统和冷机能耗最小的控制方法。

5 实验数据分析及控制效果对比

为了验证控制策略的控制、节能效果，在现场采集大量室外湿球温度、冷却塔进水温度、冷却塔出水温度以及对应情况下冷却塔风机频率和冷却水泵频率的数据。把现场采集到的数据在Anylogic冷却水系统模型中进行仿真模拟运行，在节能控制系统调试、仿真工作完成后，对在某室外湿球温度、冷却塔进水温度下，采用模拟得到的最佳冷却水泵频率和冷却塔风机频率的数据进行分析。最后对模拟运行状态与传统粗放控制方法进行对比，分析、比较控制效果及能耗比变化，验证节能控制结果。仿真结果曲线如图2所示。

通过对仿真得到的数据进行分析可知，冷却水系统采用Anylogic软件仿真，根据仿真数据得出最佳的冷却水泵、冷却塔运行工况去控制冷却水变流量的控制策略，控制效果优良、节能效果明显。

6 结束语

综上所述，冷却水系统是中央空调系统中的重要组成部分，其能耗占据中央空调总能耗的15%～20%.因此，冷却水系统的节能是中央空调系统节能的重要问题，同时也是建筑节能的重点。本文对中央空调冷却水系统节能控制策略进行了介绍，经验证，该节能控制策略效果显著，对中央空调冷却水系统节能设计具有一定的参考价值。

参考文献

[1]彭彦平，任庆昌，闫秀英.中央空调冷却水系统双机变频节能控制研究[J].控制工程，2015（06）.

[2]王日英，罗文广，吴小娜，等.中央空调冷却水系统节能优化控制研究[J].计算机测量与控制，2014（11）.

〔编辑：刘晓芳〕