水冷中央空调节能控制及运行策略研究

2022-05-17王瑾烽郑丽军

科技创新与应用 2022年13期

王瑾烽，郑丽军

（1.浙江建设职业技术学院，浙江杭州 311231；2.浙江中天智汇安装工程有限公司，浙江杭州 310015）

随着全球变暖等问题的加剧，世界各国都在转变传统的生产方式，走“绿色、低碳、循环”的发展道路[1]。2021年4月在“中美领导人气候峰会”上中国政府向全世界作出了“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的庄严承诺，同年11月，住房和城乡建设部发布了国家标准GB55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》。建筑碳排放计算作为强制要求，对精细化、集约化利用建筑能源做出了可操作性部署。

建筑耗能、工业耗能和交通耗能是我国三大“耗能大户”。建筑能耗80%以上是由建筑物中的机电设备、照明运行产生的，其中采暖、空调能耗约占60%~70%[2]。公共建筑中大多采用水冷中央空调系统，水冷空调主要包含冷水机组、冷冻水、冷却水和冷却塔等系统。冷水机组完成制冷剂在低温低压气体、高温高压气体、常温高压液体、低温低压液体4个状态的重复循环。高温高压气体冷凝为常温高压液体的过程中释放的热量由冷却水循环带出在冷却塔散发；低温低压液体气化为低温低压气体时吸收热量将冷冻水制冷；冷冻水流经风机盘管，在盘管与空气热交换使空气降温送至各冷源用户。

中央空调系统原理并不复杂，是成熟的系统，但中央空调系统的供冷（热）、供水、供气以及辅助的监测与控制、净化、处理等设备分布在公共建筑的各个角落，要让数以千计的设备稳定工作，保证系统在低能耗运行并非易事。空调耗电中，制冷机房系统（含制冷机、水泵及冷却塔）耗电量又占空调总耗电量的85%左右[3]。因此，制冷机房的节能是中央空调系统节能的核心。

1 中央空调系统运行能效现状

我国的家用空调有成熟的评价体系，每台空调都贴有“中国能效标识”，注明能效等级。但中央空调系统的能效评价基本属于盲区。中央空调的系统能效差距非常大，社会平均水平3.2左右，中央空调综合能效（COP）分布如图1所示。综合能效是反应制冷时空调电能转化制冷量效率的一个重要指标。

图1 中央空调系统能效比（COP）分布图

由于空调系统设备种类多、布置分散、管道连接多，设备间耦合性强，存在时滞性、非线形、时变性和不确定性等因素，空调系统高能耗运行问题一直没有很好地解决[4]。造成我国公共建筑中央空调系统综合能效不高的原因是多方面的，主要表现如下。

1.1 中央空调高能效责任主体不明

中央空调的建设与使用被分割成设计、安装与运维3大环节。该体系可以保证空调安全稳定运行，但没有一个环节对能效负责。空调能效没有明确的责任主体。

中央空调系统是按照建筑最大需求冷量即最高气温的最高冷负荷设计的，为了保证可靠性，设计还会考虑10%~20%的余量。实际上系统在最大负荷运行的时间不到10%[5]。施工单位有机电安装工程经验，但一般不是空调业内人士，调试与运行也不在合同范围内。因此，施工单位大多按图施工，不会对空调系统提出优化。使用单位关心空调的舒适度，运维企业关注设备的故障率。中央空调高能耗的成本变相转嫁给消费者。

1.2 中央空调高能效评价体系缺失

中央空调全生命周期中，有设计、施工和验收规范。由于中央空调是集成系统，除了各个厂家的单体设备外，还有大量的介质管道。因此，缺乏统一的评定标准，目前还没有中央空调高效机房工程评定的国家标准。地方质监站对中央空调验收的时候，主要对设计方案、安装工艺和功能进行验收，考核系统运行效率没有依据。

1.3 用户不节能行为约束机制空白

末端调节对能耗的影响很大，室内舒适度与温度、湿度、空气流速等相关。过冷的温度、过高的风速、门窗不关等都造成较大的能耗浪费。国家倡导节约、反对浪费，但对个体的不节能行为并没有约束机制。

2 大型水冷空调的节能分析

2.1 空调负荷的计算

空调负荷计算是空调系统设计的依据。随着计算机技术的深入应用，负荷计算从最初的计算稳定负荷发展到动态负荷计算。无论负荷计算怎么演变，其本质是“得热量和冷负荷”的关系。空调动态负荷影响因素较多，有外墙及屋顶瞬变传热、玻璃窗瞬变传热、玻璃窗日照得热、设备散热、照明散热、人体散热、食物散热、新风的显热和潜热等多个变量[6]。随着《建筑节能与可再生能源利用通用规范》的实施，对建筑空调负荷的计算必须考虑动态负荷。由于负荷计算的复杂性，工程技术人员一般都用专业计算软件，国内常用的建筑能耗分析软件有鸿业暖通空调、天正软件暖通系统等。通过软件模拟，可以估算日负荷和年负荷。年动态负荷不仅用来确定空调系统的设计方案、优化控制方式，还促进建筑围护结构优化、改善门窗结构等。

设计负荷与实时运行负荷是不匹配的。在不同的季节、时间、人流、光照条件、朝向、建筑围护结构、地理条件、室内设备下，其冷热负荷在同一建筑体内相差达1~10倍，而且是随时变化的，如图2所示。

图2 空调的实际负荷变化曲线图

2.2 冷水机组的节能分析

冷水机组是中央空调系统的核心，风冷式冷水机组单机容量小，受气象条件的影响较大，使用寿命短。虽无冷却塔和冷却水循环泵，但总耗电量与水冷式相当。因此，水冷式冷水机组的应用场景更广。

冷水水机组的工作过程就是不同介质之间的热交换过程，第1个是制冷剂在蒸发器里与冷冻水的热交换，第2个是制冷剂在冷凝器热里与冷却水的热交换。此外，还有2个次生热交换，冷冻水在风机盘管中热交换是中央空调的最终输出，冷却水在冷却塔中热交换是辅助制冷剂的状态循环，从而间接保证了冷水机组的工作循环。冷却水、冷冻水的温度都影响冷水机组的能效。冷却水进水温度升高，冷水机组效率减小；冷冻水供水温度升高，冷水机组效率增大[7]。

中央空调系统一般采用3～5台同铭牌的冷水机组集群控制，根据季节、时段进行不同的控制策略，把空调制冷季节分为低负荷过渡季节（4、5、10、11月）、中负荷季节（6、9月）和高负荷季节（7、8月）三档，系统运行在不同强度。在每种策略下根据实时负荷，自动调整运行强度，调整冷水机组的运行台数。在低负荷时段减少主机开机台数，主机负荷率控制在55%~85%区间，使冷量和冷冻水流量双平衡。即节约冷水机组运行能耗，又节约配套的水泵、冷却塔的电耗，达到中央空调系统低能耗运行[8]。

2.3 冷冻水泵的节能分析

冷冻水在蒸发器降温后，由冷却泵抽出经分水器流至各支管，分水器各支路安装电动调节阀，通过合理压差控制，保证该路的所有末端设备冷冻水循环。冷冻水在末端设备完成热交换后回到集水器，再回流到蒸发器完成冷冻水1个循环。在末端风机盘管内，空气与冷冻水管热交换降温后，供给各楼层。

冷冻水的流量反应用户侧负荷需求，流量与转速成正比。因此，冷冻泵的转速要随着负荷的变化不断调整，水泵改变转速来调整管道流量是最佳流量调整方式，而改变水泵转速最节能的方式是水泵电动机的变频调速。冷冻水一次泵的变频调速常规有温差控制和压差控制2种。温差控制适用于房间小、功能单一的场所；大多数场所采用供水管和回水管之间的压差信号进行变频调速控制[9]。

根据冷冻水供水和回水的温度、流量、压差等参数，通过动态水力平衡控制模型，调整支路流量，使冷量和冷冻水流量同时实现平衡。并推测出系统下一时段冷量需求，提前进行供水流量调节，使空调系统的冷量供需达到新的平衡。

2.4 冷却水泵和冷却水塔的节能分析

制冷剂从气体凝结为液体时释放的热量由冷却水带出，冷却水虽不直接参与室内热交换，但保证了制冷剂的循环。冷凝器出来的热水经冷却泵抽出，由冷却水管道输送到冷却水塔，在冷却水塔内释放热量降温后回到冷凝器。

冷却水循环的能耗包括冷却水水泵电动机的能耗和冷却塔风机电动机的能耗。调节冷却水的流量以及进出水的温差可满足主机的冷凝要求，降低冷却水进水温度能减少冷却泵和冷水主机的能耗。

冷却水高温回水的散热在冷却塔完成，大型冷却塔为提高降温效果大多采用机械通风湿式冷却塔，高温冷却水从塔顶撒播到填料层，冷却塔风机把低温空气从塔底抽向塔顶，水与空气的热交换以及水的蒸发都使冷却水降温。冷却水的进水温度、流量、冷却塔的风量以及空气的湿球温度等都会影响冷却塔的降温效果。

冷却水温度高低影响空调水冷机组的能耗。冷却水温度越低，水冷主机效率越高。但要使冷却水出水温度进一步降低，冷却水泵与冷却塔都会增加能耗。所以冷却水温度与主机能耗正相关，与冷却塔风机和冷却水水泵能耗负相关。冷却水系统节能控制，就是根据负荷动态精准调整冷却水泵的工作频率，同时把冷却塔的冷却能力最大化，把冷却水回水温度尽可能降低，从而降低主机能耗。

2.5 水冷空调的运行策略

中央空调系统的运行应采用集中控制平台，避免手动模式运行带来的不确定性。

（1）主机应根据末端回水温度，确定主机开机负荷。根据负荷情况，确定主机开机台数。通过合理压差控制，实现系统的水力平衡，保证回水温度的稳定。通过采集分水器和集水器上各支路水温、压力、温差、压差等信号计算出各支路的负荷需求，实时调整各支路的调节阀，使各分区的流量需求与负荷需求匹配，保证了各区域中央空调运行效果。

（2）冷冻泵开启多台水泵联合变频，电机运行频率25~40 Hz，水泵变流量运行。每路供回水均独立控制，通过控制合理的压差，保证冷冻水末端设备。根据负荷情况决定开启水泵台数，根据主机和末端的循环量需求调整冷冻水循环，使其扬程和流量达在最佳匹配参数范围内运行。

（3）冷却泵开启多台水泵联合变频，电机运行频率25~40 Hz，水泵变流量运行。通过控制水泵频率控制合理的压差，保证冷却水可以送到塔盘，且没有压头损失。实时跟踪机组负荷变化和冷凝温度，根据冷却塔的冷却效果调整冷却水循环，使其扬程和流量在最佳匹配参数范围内运行。

（4）冷却塔所有风机按同一个频率变频运行，运行频率在25~40 Hz区间。常年开启全部冷却塔风机，利用多台塔的散热面积提高冷却效果。风机在近湿球温度运行，让冷却塔出水温度逼近环境湿球温度。通过布水优化，让所有填料上都形成水膜，提高散热效率。根据环境温湿度、进出水温度寻找冷却塔的最佳运行工况。