空调水系统变频节能技术工程应用与分析
2019-11-29王东东马世云
王东东 马世云
中国市政工程西北设计研究院有限公司 甘肃兰州 730000
空调系统在建筑房屋应用期间发挥着非常重要的作用，依托该系统可以对建筑室内空气温湿度、气流速度、洁净度加以调节，以此使得室内空气质量、温湿度符合用户的要求及国家相关标准。现阶段，我国面临着不可再生能源数量减少、环境污染严峻化等问题，需要建筑工程设计人员对于绿色建筑的相关理念加强学习与研究，充分认识到建筑工程空调系统运行中的巨大耗能问题的危害，以转变固有的设计思路与方法，从降耗环保角度入手，进行空调系统的优化设计，以期经过优化处理的空调水系统能耗量大大减少，从而提升空调系统应用经济性以及确保空调系统能源消耗量能够降低。
1 工程概述
某项目为商用写字楼建筑中央空调系统，系统中制冷主机采用溴化锂吸收式系统，设备机房位于地下1 层，该商业写字楼项目中央空调水系统结构如图2 所示，在水系统中，分别配置了2 台冷冻水水泵与4 台冷却水水泵，改造前水泵均为定频运行，运行时转速不变，存在启动电流大、振动和损耗大等问题，由于定频水泵在启动时频率直接升至工作频率，启动电流会超过水泵电机额定电流，易发生水锤现象，运行过程中，电机噪声大，外壳温度高。
2 水系统控制原理和方法
中央空调水系统变频主要以水系统的控制为主，通过水泵的冷却以及冷冻实现变频，从而达到中央空调节能的目的。针对水泵的变频改造，一般从水系统的改造入手，以变流量的方式调节空调系统负荷。水系统主要由冷水机组构成，在流量的调节下保持机组的正常运转，由蒸发器改变水系统换热系数，结合冷水量的调节实现变频。水系统的控制改造对冷水机组的功率影响较大，因此对空调水系统进行改造具有重要意义，合理的变频控制技术更能促进中央空调控制系统的发展。水系统控制主要以空调系统正在运行的部分负荷为核心，通过水流量的减小保持现有空调负荷，以达到降低水系统能耗的目的。由水系统控制原理可得出水泵输出功率与转速之间成正比，并且水泵功率随水流量的减小呈下降趋势[1]。
3 空调水系统变频节能技术工程应用要点
3.1 空调水系统变频节能
涉及冷冻水及冷却水系统节能，优化后的水系统结构如图1 所示，冷却水泵用于将系统冷凝侧热量排至冷却塔进行耗散，而冷冻水泵则将低温水送至室内侧末端，吸收室内侧热量，达到制冷目的。在冷冻水和冷却水泵前后均布置温度传感器检测泵前水系统温度，系统内冷却水及冷冻水泵均采用无级变频型水泵。
图1 水系统变频节能优化结构
中央空调水系统变频节能改造应该结合变频节能控制原理，从水系统角度入手，实现中央空调的变频节能功能。变频节能一般通过冷却水和冷冻水系统的控制达到目的，对水泵、管道以及冷却塔进行控制，从而实现温度的合理把控。变频节能控制结构如图1 所示。如图1 可知，整个系统结构中存在三个温度变送器，分别调节冷却塔、冷水泵和冷凝器与蒸发器，严格控制着冷却进出口的温度，并随时启动PLC 响应水泵，从而达到控制电机转速的目的，以此间接地实现水系统水流量的控制。变频器运行过程中，还可以设置一定的阀值，避免制冷主机和电机过度运转出现故障。在实际的应用中，水系统的冷却水受外界因素的影响较大，因此在面对温差的变化时，变频器频率也随之发生变化，当温差升高时，空调电机转速和水流量也逐渐加快、加大，相反，温差逐渐降低时，变频器频率则随之下降，电机转速不断变慢，水流量不断减小。
3.2 改造方案
考虑到该空调水系统中水泵及冷却塔数量配置，存在多种改造方案组合，理论上讲，对各水泵均配置1 台变频驱动模块可达到最优控制效果，同时也会造成系统初投资的增加，因此在系统改造方案中，充分衡量经济效益、节能效益及运维的安全可靠性等因素，确定最终系统节能改造方案为：对2 台冷冻水水泵各配置1 台变频驱动模块，而对每2 台冷却水泵配置1 台变频驱动模块，冷却塔风机配置1 台变频驱动模块进行统一控制[2]。其中各变频驱动模块的配置均考虑各功能件（水泵、风机）的运行转速及耗功性能，实现较好匹配。
在变频驱动控制方面，通过冷冻水进出水温差控制冷冻水泵转速，实现流量控制，并设置系统最小流量限制，以确保系统运行稳定性，而冷却水流量控制主要受冷却水温度的影响，并通过冷却塔风机的联动控制实现水系统主要运行部件间的协调性，配置冗余备用系统，可根据实际运行状况及环境温度条件进行变频运行及定频运行状态的切换。
中央空调专家系统对控制系统的信息传输量大大增加，且要求系统内各类机电设备、电气控制装置、和传感器等要实现互联互通，因此随着计算机网络技术和人工智能的发展，它将不断处在完善和发展当中。首先通讯协议更加开放，从MODBUS 协议、LonTalk协议、点对点（PTP）协议到兼容各方的BACnet 开放式通讯协议。其次，控制系统信息的传输方式上也由RS-485 总线、CAN 总线、LonWork 总线的有线传输方式，发展到采用各种低功耗广域无线物联网通信技术，近距离的物联网通信有蓝牙和ZigBee 等通信协议，该技术应用于空调机组的无线房间控制器，远距离基于物联网通信的低功耗广域网（LPWAN）协议，如NB-IoT、LoRa、SigFox 以及RPMA 等，在中央空调节能自控系统中也在不断的发展和应用当中，使得大楼内部或楼宇之间的无线通讯变得更加便利。2019 年是5G 技术商用元年，5G 的技术除了应用于高清交互类的应用场景外，其低功耗、高可靠、低时延的特性将会广泛应用于传感、遥测以及远程控制，因此5G 技术应用于大型公共机构的中央空调节能控制系统也是未来可期[3]。
4 结语
为优化建筑系统整体耗能水平，需从空调水系统节能入手，在各个部分负荷点通过电机频率的无级调节，适当降低水泵频率，在不影响空调系统整体负荷及运行稳定性的前提下，降低水泵耗功，从而实现性能提升的目的。
