中央空调循环变水量控制方案设计

摘要：简要分析了中央空调的构成及其制冷原理，以中央空调水循环系统为研究对象，针对冷冻水循环系统和冷却水循环系统，设计了中央空调循环变水量控制方案，为相关自控设计人员提供参考。

关键词：楼宇自动化;中央空调;水循环系统;变水量控制

0 引言

随着现代建筑设计日趋复杂，中央空调系统作为现代楼宇控制系统中尤为重要的一部分，在给人们的生活带来便利的同时，其能耗也占到楼宇能耗的一半，因此如何降低中央空调能耗成为了人们广泛关注的话题，本文将重点研究如何利用变流量控制模式降低中央空调循环水系统的能耗。

1 中央空调系统的构成

中央空调系统一般主要由冷水机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、盘管风机、冷却塔及其相应控制系统组成[1]。其中冷水机组可以看作是整个系统的“心脏”，它主要由蒸发器、节流装置和压缩机等装置组成，是系统中最主要的制冷源[2]。冷冻水循环系统负责将常温水与制冷剂进行热交换，并将冷冻水送入风机盘管以产生低温空气[3]。冷却水系统则负责将冷冻水送入冷却塔进行冷却处理，以得到常温水并提供给系统做循环使用[4]。而盘管风机的作用是根据建筑内使用需求，通过风机向空调区域传输冷风量并保证室内温湿度恒定[5]。

2 中央空调循环水系统分析

冷冻水循环系统和冷却水循环系统共同构成了中央空调循环水系统，该系统以水为媒介完成热量的交换与传递。制冷剂在冷冻水循环系统完成热量的吸收，在冷却水循环系统中又将热量通过冷凝器和冷却塔传递出去。循环水系统具备两个特征：一是复杂性;二是时延性。

3 中央空调循环变水量控制方案设计

3.1    变水量控制基本原理

水系统运行时涉及热量的交换与传递，该过程可用物理学公式表示：

式中，Q为循环水系统负荷;C为常数值，表示水的比热容;W为冷水流量;Δt为供回水温差。

Q值通常是一个变量。为了保证式（1）的成立，系统常通过调整W或Δt的值使之与负荷相匹配，而所谓变水量控制即保持供回水温差Δt不变，通过调节W的值来满足实际负荷的变化需求。为实现变水量控制，就需要改变水泵电动机的转速，典型的三相异步电机的转速n往往可以由式（2）计算得到：

式中，n为电机转速;f为电源频率;p为电动机定子绕组磁极对数;s为电动机转差率。一般来说，中央空调水系统往往采用离心泵作为输送动力，离心泵的各项参数需满足以下特性：

式中，P為水泵机轴输出功率;Q为水泵液体流量;H为水泵扬程;n为水泵转速;K1～K5为常数系数。

从式（3）可以看出，若保持水泵机轴输出功率P不变，对Q进行调节，水泵扬程H的值将会发生变化，Q越小，H越大，但在实际工作环境下，扬程H是一个基本不变的值，因此Q若变小，将会产生扬程富余的情况。我们对式（3）做进一步变形和换算可得式（4），根据式（4）可知，水泵机轴输出功率P同时也与n3呈正相关，因此，只要降低水泵转速，就可以相应调节Q，使之减小，从而可以对H进行自由调节。在Q为定值的情况下，P与n2呈正比，因此在供水流量一定的前提下，n越低，功耗P也就越小。

综上所述，我们可以通过变频器调整电源频率，改变水泵转速，最终调节循环水流量以匹配负荷，降低转速的同时，系统能耗同样也会得到降低。

3.2    冷冻水变水量控制方案设计

在冷冻水循环系统中，供水温度通常为7 ℃，回水温度为12 ℃，从式（1）可以看出，若供水温度恒定在7 ℃，那么回水温度与供水温度之间的温度差就代表了此时空调的负荷大小，冷冻水变水量控制方案的设计就是以此为基础，保证供水温度恒定，并设定回水温度为12 ℃，通过温度传感器检测回水实时温度，比较回水温度与设定值的大小，判断房间内负荷是否需要调整。若实际回水温度大于设定值，则表示中央空调系统负荷增大，此时应增加冷冻水泵转速;若实际回水温度小于设定值，则表示中央空调系统负荷减小，此时应降低冷冻水泵转速，控制过程如图1所示。此外，需要注意的是，水冷机组通常对冷冻水流量有一定要求，不能低于额定的下限阈值，否则会导致机组控制系统保护停机，因此我们需要设置变频器的下限频率，确保电源频率始终在下限频率之上。本方案中冷冻水泵的变频控制系统设计如图2所示。

3.3    冷却水变水量控制方案设计

冷却水变水量控制方案一般可以分为两种：一种是定温差控制方案，另一种是冷凝温度控制方案，我们一般根据冷却水泵与冷水机组功率比值选定合适的控制方案。本文所讨论的重点是冷凝温度控制方案，冷却水变频控制方案与冷冻水变频控制方案类似。若冷却水出水温度高于设定值，此时应当增大电源频率，提高冷却水泵转速以增大冷却水流量，反之，若冷却水出水温度低于设定值，则应当通过变频器降低电源频率，减小冷却水流量直至冷却水出水温度恢复设定值，一般设定值为37 ℃，冷却水变频控制系统设计如图3所示。

4 结语

本文以降低中央空调循环水系统的能耗为目标，介绍了中央空调循环水系统的基本特征，并以此为基础分析了变水量控制基本原理。针对循环水系统中的两个子系统——冷冻水循环系统、冷却水循环系统，分别制定了其变水量控制方案，期望本文的研究内容可以对相关自控设计人员起到借鉴作用，并促进楼宇自动化的可持续发展。

[参考文献]

[1] 冯国良.中央空调循环水泵变频控制与节能分析[J].科技经济导刊，2019，27（18）：39.

[2] 倪晓晨.中央空调水系统节能的优化研究[D].西安：西安工程大学，2019.

[3] 冯东磊.中央空调循环水电子除垢技术研究与开发[D].石家庄：河北科技大学，2019.

[4] 张东来.中央空调循环水系统节能技术探讨[J].住宅与房地产，2018（28）：73.

[5] 秦冲.一种基于PLC和变频器的中央空调循环水节能控制系统设计[J].现代制造技术与装备，2018（3）：167-169.

收稿日期：2020-02-04

作者简介：吴霄阳（1989—），男，北京人，研究方向：楼宇自控（弱电控制编程）。