冷冻水系统变流量控制策略的节能研究

穆再排尔·安外尔+殷亮+陆雪莲+刘笑+陈茜

【摘 要】随着建筑物数量的增加，建筑能耗也在上升，空调系统作为建筑物的基础设施，确保了人们的日常舒适度。 但空调系统带来的能源问题也很明显。 鉴于这种情况，考虑到中国建设资源节约型和环保型空调系统，节能设计非常重要。因此在建筑物的空调冷却系统中控制冷冻水的分配是实现节能上的一种最佳研究点。而在过去，由于那些过时的设计和操作实践的应用，使得大量能源被浪費。 因此，本文对空调系统中冷冻水系统的变流量控制和节能方面进行展开和讨论。

【关键词】冷冻水；变流量；节能

【Abstract】With the increase in the number of buildings， building energy consumption is also rising， air conditioning system as a building infrastructure， to ensure that people's daily comfort. But the air conditioning system to bring the energy problem is also very obvious. In view of this situation， taking into account China's construction of resource-saving and environmentally friendly air-conditioning system， energy-saving design is very important. Therefore， in the building air conditioning cooling system to control the distribution of chilled water is to achieve energy saving on a best point of study. In the past， due to the application of obsolete design and operational practices， a lot of energy was wasted. Therefore， this paper discusses the variable flow control and energy saving of chilled water system in air conditioning system.

【Key words】Chilled water； Variable flow； Energy saving

随着社会经济的发展，中央空调在宾馆、办公大楼、商业中心、学校及其它建筑中已得到广泛的应用。空调系统的耗电量在整个建筑物总能耗中约占40%以上，是实现建筑节能降耗的关键。在中央空调系统设计中，通常根据最大负荷选择冷水机组，但对大多数建筑物而言，空调系统负荷将随着环境温度和建筑物使用变化而变化。有学者实际测试了香港的一些酒店，结果显示，空调系统运行大于50%的负荷时间只占总运行时间的33%；另以北京地区夏季负荷为例：在5～9月份内空调共运行2880h，1个空调季节中建筑物配用的冷水机组98%的时间负荷率在70%以下。在这种情况下很容易出现中央空调冷水机组大部分时间都处于部分负荷运行的状态，而在这种状态下的节能研究一直在处于该一领域中的热门话题。丁云飞[1]提出了关于冷水机组在部分负荷工况下提高其性能参数的措施和方法，同时通过优化冷水机组制冷系统提出了冷水机组部分负荷下的节能优化策略；另外一方面2015年Thomas Hartman[2]针对中央空调系统本身，从冷却水和冷冻水的调节控制策略入手，提出了一些有效的优化运行方法。目前，人们已经逐渐开始认同通过对冷却水和冷冻水流量调节控制实现空调系统节能。然而，在此过程中研究的重点主要集中在冷冻水变流量的控制方法和控制策略之上，而缺少有关变冷冻水流量对冷水机组性能的影响规律方面的研究，恰恰这又是优化控制方法和策略的关键。

目前，变频技术在市场上广受欢迎，蓬勃发展。因此它在市场上的这种发展和应用在提高变流量空调冷冻水系统的节能效果方面也是起到了非常显著的作用。 变流量系统作为其中之一，是实现空调系统进一步节能的重要指标。 然而，空调水系统中对于变流量系统的应用和节能指标还未成熟，仍处于一个发展阶段，而各项指标也都需要进一步的理论研究。

1 冷冻水系统的变流量控制方法与分析

1.1 定压差控制法

定压差控制法可分为供回水干管定压差控制。在部分负荷运行状态下室内温度传感器始终可以做到对室内温度的变化的感受，从而对二通阀开度大小进行调节，而当室内温度达到一定值时，便会自动减少水量和进入的冷量。

末端定压差控制是保证末端最不利环路设备的压差，这可以保证阀门的恒定压力过程可以自我调节，并可以继续调节流量进行重新分配。末端定压差控制法压差设定值的选取对于保证空调系统的正常运行而言是极其重要的，因此一般是设计工况下最不利环路的压差值，主要是确保空调系统能在任何情况下运行。

空调一次泵系统和二次泵系统作为常见的冷冻水变水量系统，两者都涉及冷冻水供回水压差设定值的问题，而两者不一样的是，在一次泵系统中，调节分集水器间的旁通阀开度时常用压差设定值来调节，在二次泵系统中，则常用压差设定值控制二次冷冻泵的运行频率。

在平常的施工过程中，往往很容易出现压差设定值的作用被施工单位或相关调试人员所忽视的情况，如果设置不适当，压差控制系统或压差旁通阀就没什么作用了。从水力工况的角度来分析，若压差设定值偏低，使得旁通阀容易打开，就会造成流经末端的冷冻水流量较少，末端设备供冷不足，造成室内环境温湿度无法保证，而若压差设定值偏大，对于一次泵系统而言，旁通阀门旁通流量偏小[3、4]，影响冷水机组正常所需运行台数的调节，增加空调系统冷水系统的电耗；对于二次泵系统，二次泵接近额定转速而达不到节能目的。endprint

1.2 流量控制法

流量控制法是一种通过监测用户末端的实际冷冻水水量从而调节冷冻水泵的流量的控制方法，从理论上而言这种方式是可以正常运行的，但实际运行时，就很难做好并达到不同支路之间压差要求，其主要原因就在于实际运行中空调系统对冷冻水与水压都存在着一定的要求。

目前的冷冻水系统中往往存在由于水泵选型过大问题而出现“大马拉小车”的现象。这就使得泵的效率只有40%-50%左右，直接造成功率偏大，浪费大量的水泵能量的这么一个结果。

在此同时，水泵选型过大还会造成空调机组电动调节阀调节温度时在很小的行程上工作以及末端空调机组电动调节阀两端压降过大等一系列的状况，使得水泵的能量都浪费在阀门的压降上，同时对末端设备的控制精度也会造成影响。此外若系统水力平衡没做好也会在造成末端水力不足，因此不能把水泵功率不够归结于空调末端水量不足。

因此目前有两种方法可以减少能量的浪费。其中一个是直接更换水泵，而另一种方法则是使用变频水泵，通过利用其变频来达到减少能量浪费的目的。冷冻泵的动力消耗与流量的三次方成正比，比如当冷冻水流量为额定流量70%时，泵的能源消耗为70%的三次方35%。泵的动力消耗可以减少65%。冷冻水侧为了避免出现旁通流量产生的能量损失，宜采用变流量控制系统，即采用变频器控制冷冻水流量，使冷冻水流量随系统变化，并且可以更好地保证系统压差。

采用变频转速控制可以很好地减少能源的消耗，因此这种控制方法对于空调系统常出现在部分负荷情况下运行的情况而言是一种最佳控制手段，通过变频转速控制可以减少60%-75%的能源消耗。一般来说变流量系统的压差旁通阀只要保证冷冻机组蒸发器冷冻水最低流量就可以了，因此不需要很大口径的阀门。

1.3 温差控制法

温差控制法是一种将通过供回水干管的供回水温差作为控制器的采样输入信号，控制器再将该信号与系统设计的数值进行比較，根据输出信号控制冷冻水泵的转速，保证正常温度供应的控制方法。而冷冻水在流动过程中往往很容易就受到外界环境温度的影响，因此需要经过一个循环之后才能够反映出温度变化，存在滞后性[5]。具体设计思路见图1。

冷冻水供水温度的优化控制是用来优化冷水机组和冷冻水分配系统的运行，因此它不仅仅满足建筑所需要的冷负荷，同时也能够很好地实现制冷水机组和冷冻水泵能耗的最小。

一般来说空调末端系统的传热效果跟冷冻水的供水温度有着紧密的关系，其温度越高，传热效果会更差。因此需要更多的冷冻水量，冷冻水泵能耗将增加。相应地当冷冻水供水温度降低时，末端的传热效果就会有所改善，因此需要较少的冷冻水量，但是此时又会引出一个问题，也就是随着冷冻水量的减少，制冷水机组蒸发温度及蒸发压力也会降低，这样就使得制冷压缩机的能耗增加，因此合理的优化方法就应该使冷水机组和冷冻泵的总能耗最小。

在设计负荷时冷冻水温度应该在设计温度7℃，而冷机运行多数情况是在部分负荷。因此在部分负荷时冷冻水供水温度不一定要在设计温度，可以通过系统再设定适当提高冷冻水供水温度到7-9℃，通常情况下可以节电5%-10%。在实际施工运行过程中，应根据具体项目所对应的设备具体性能参数，建立好与之相应的冷水机组及冷冻水泵的能耗模型，并通过求取其能耗的最小值，来得到冷冻水供水温度优化设定值。

2 总结

在建筑物的空调冷却系统中控制冷冻水的分配是实现节能上的一种最佳研究点。而在过去，由于那些过时的设计和操作实践的应用，使得大量能源被浪费。因此在本文中对冷冻水的流量分配方法进行了具体讨论，通过分别对定压差法、流量控制法和温差控制法的具体分析，最终发现其中的定压差控制法存在着比较大的缺陷，并不能很好的达到节能的目的，而流量控制法和温差控制法则可以比较好的达到我们所希望的节能的目的。而我国在这方面现有的技术还不够成熟，需要加大力度研究并通过大量实验操作才能使其投入实际空调系统中进行操作和运行，并通过实践使其得到优化。

【参考文献】

[1]丁云飞.部分负荷性能对冷水机组运行能耗的影响评价[J].节能，2000（01）：3-5+2.

[2]Thomas Hartman， P.E； Strategies for Design and Control of Low Energy Chilled Water Distribution Systems；Heating/Piping/Air Conditioning；July 13，2015

[3]高亚锋，李百战，陈玉远，刘晓庆，金振星.一次泵空调冷水系统的水力特性与节能分析[J].土木建筑与环境工程，2010（06）：100-104.

[4]刘金平，邹伟，刘雪峰.采用旁通阀定压差控制的冷水泵功耗特性试验研究[J].土木建筑与环境工程，2010（06）：80-85.

[5]刘金平，唐娟.中央空调系统变水温调节可适用性研究[J].建筑科学，2011（02）：78-82.

[责任编辑：朱丽娜]endprint