基于末端定温差控制的空调系统节能性研究

杜芳会，梁栋栋，李飞龙

(广东艾科技术股份有限公司，广东 佛山528000)

一次泵变流量集中空调系统的节能性已有较多的研究[1-2]，多是以水系统的合理控制为出发点，研究如何实现水系统的动态平衡，文献[3]论述了PID调节技术和定压差技术，为了保证各个末端的水力平衡，末端串联定流量阀来消耗由于动态调节多余的压差，从而产生能量的浪费。空调末端的负荷是动态变化的，负荷的变化对应的是水系统供冷量的变化以及末端需求风量的变化，然而风机的功耗经常被忽略。一次泵变流量系统主要解决了水系统运行过程中大流量小温差的问题，实现水系统的输送节能。文章提出一种装置，基于空调末端设备表面换热器定温差控制策略，该设备的实施保证了末端室内热舒适的同时，实现末端的定温差运行。文章从实际项目出发，对末端风机盘管定温差技术的节能性进行了研究。

1 末端定温差控制技术

1.1 系统简介

该控制装置通过设定房间温度和冷冻水供回水温差，控制器同时对送风量和冷冻水流量进行连续调节，经调节后，空调房间温度能快速达到稳定值，并且风机盘管的冷冻水进、出水温差达到设定值，即在满足室内舒适性的前提下，可保证末端冷冻水供回水温差，克服“大流量小温差”的问题。风机盘管控制器安装示意图如图1。

图1 风机盘管控制器安装示意图

1.2 理论机理

文献[4]通过系统仿真和将实验室实验相结合的方式，对表冷器的换热特性进行了研究，研究了冷冻水流量和送风量对风机盘管的换热性能和冷冻水出水温度的影响，得到了换热量、冷冻水出水温度与冷冻水流量、送风量的关系如下：

表冷器的回水温度随着冷冻水流量的增加呈饱和特征，冷冻水流量变化对表冷器的回水温度影响不大，即冷冻水调节范围具有较大的空间。

在大风量范围内(30%-100%)，风量对出水温度的影响并不显著；风量在10%-30%范围内变化时，对冷冻水出水温度变化影响比较大。

在低风量时，冷冻水流量的变化对表冷器的换热量影响甚微。在实际的运行过程中，如果通过表冷器的风量过低，调节冷冻水的流量并不能有效地改变表冷器的换热量，这会导致表冷器的出力不足。这也说明在低负荷时，如果风量降低，冷冻水流量也可大幅度减少，从而减少输送能耗。

冷冻水流量在小流量区间(相对流量0.1-0.4)内的增减对换热量的影响较大。

根据上述结论可以将影响风机盘管换热量的水量和风量在一定调节范围内进行解耦控制。

1.3 控制原理

该末端控制系统，通过设定供回水温差与房间温度，结合对供、回水温度的实时监测，实现末端的按需调节风量和水量。通过对风机盘管送风量和水流量同步连续调节[5]，避免风机盘管供回水温差过低；减少风机的运行能耗，减少空调系统的输送能耗，整体提升空调系统运行能效。其控制原理如图2。

图2 基于定温差的末端风水联动调节控制原理图

2 工程案例

2.1 项目概况

该项目是华南地区某大型商业项目，总建筑面积为34635.59m2，空调系统由独立的冷源系统提供7/12℃冷水供冷，末端采用风机盘管+新风系统形式。地上一层主要为餐饮，二、三层主要为商铺。

冷源机房配置见表1。

表1

2.2 建筑能耗模拟分析

根据DEST对建筑全年的逐时负荷模拟结果，建筑负荷额定负荷信息见表2、表3。

表2 地上三层商业面积、负荷表

表3 全年负荷分布区间统计表

从表3可以得到，系统大多数时间运行在部分负荷工况下，超过68%时间的平均负荷率约为20%-50%，近30%时间的负荷率为50%-80%。超过80%负荷的时间仅占1.75%。

3 节能效益分析

末端风机盘管的调节控制对能耗的影响主要有三方面，第一方面是通过冷水流量的降低，减少输送能耗；第二方面是降低末端设备的送风能耗，也就是降低风机盘管的风机电耗；第三方面是提高了冷冻回水温度带来的主机效率的提高。

本次对比分析选择方案1(普通三速风机盘管+电动两通阀)与性价比较高的方案2(直流无刷风机盘管+浮点阀+定温差风盘控制器)进行节能性对比。

3.1 控制方案（见表4）

表4 末端设备控制方案

方案1控制模式如下：

(1)末端采用定风量、水阀通断控温模式；

(2)水泵与主机一对一工频运行，主机台数调节；

(3)冷水主机出水温度为7℃；

方案2控制模式如下：

(1)末端采用定温差控制的风水联动调节模式；

(2)水泵与主机一对一工变频运行，主机台数调节；

(3)冷水主机出水温度为7℃-12℃；

3.2 传统方案能耗分析

根据DEST能耗模拟结果，常规控制模式下，该商场空调系统年能耗为252.69万kWh，各子系统年能耗值统计见表5。

表5 常规模式下全年能耗统计表

3.3 能耗对比

常规方案水系统的水力平衡工况按照较为理想的平均4℃温差，与末端定温差控制的5℃温差进行对比，相应部分的能耗对比如表6。

表6 定温差模式下全年能耗统计与传统模式对比表

方案1与方案2保持冷冻水出水温度一致，通过末端风水联控技术实现回水温度恒定，增加水泵的变频变压差控制，与常规的定压差控制模式相比，可使主机节能6.44%，冷冻水泵能耗节能30.60%，冷却水泵节能31.11%，冷却塔节能24.92%，末端节能62.63%，可使中央空调系统节能率达到23.30%，年节能量588778.64kWh，产生节能效益588778.64元(电价1元/kWh)。

4 结束语

文章介绍了一种基于定温差控制的风机盘管控制器，结合表冷器的传热特性，论述了该控制器的控制机理。结合实际项目，通过建筑能耗模拟软件对项目的负荷特性进行了分析，结果表明，全年的负荷分布中，负荷率在50%-80%区间的运行时长仅占全年空调运行的30%左右，空调系统的配置大多数是按最大负荷进行配置。

对常规方案和末端定温差方案的运行能耗进行了对比分析。分析结果表明，在仍保持主机出水温度为7℃，只通过末端冷冻水定温差调节以及水泵的变流量调节技术，空调末端采用定温差控制方案比传统方案系统节能量为588778.64kWh/a，系统节能率23.3%，末端节能量为303308.41kWh，末端节能率为62.63%；冷冻水输送能耗节能量为81154.23kWh，冷水输送节能率为30.6%。按照商业电价1元/kWh计算，全年的系统节能收益为588778.64元。