自动控制在暖通空调冷冻水系统中的应用及节能分析

黄骑松，高理福，杨 彪，何晓英（.西南科技大学 土木工程与建筑学院， 四川 绵阳 600；.中国中铁二局，贵州 贵阳 550000）

随着科学技术的不断发展，自动控制技术也在飞速革新，且被应用到了各行各业中，其中在暖通空调系统中的应用也取得了相当大的成果[1-2]。针对此次着重研究的空调冷冻水系统，利用自动控制与冷冻水系统的冷冻水泵优化配置相结合来达到节能的目的。将自动控制系统应用到暖通空调系统中，能够更好地体现出暖通空调系统的作用[3]。本文对冷冻水系统中冷冻水泵两种不同的自动控制方式—对 1 台大流量冷冻水泵的自动控制；对 2 台小流量并联冷冻水泵的自动控制[4-6]—进行研究。

1 自动控制技术在暖通空调系统中的应用

通过装在离泵最远端用户管段上的压差传感器，获得水泵变频控制器的输入信号。当该系统由于负荷的变化，引起管路阀门自动变化从而导致压差的改变，当压差传感器将压差 Δp传输给控制器，控制器将会以此输入信号与预先设定值进行比较，并且按照预先设定的控制算法计算出偏差，并产生输出信号，以此来调节冷冻水泵的转速，从而改变冷冻水泵流量和扬程，以适应负荷的变化[7]。

某工程开启 1 台冷水机组，额定制冷量为 4 219 kW，选用 2 台（1 台为备用）额定流量为 850 m³/h、扬程为392.16 kPa、功率为 110 kW、转速为 1 500 r/min 的大流量冷冻水泵运行时，随着冷负荷的变化，当制冷机组实际制冷量与额定制冷量之比为 1.00、0.75、0.50、0.25 时，制冷机组运行情况和水泵控制运行情况如表 1 所示。

表 1 制冷机组和水泵控制运行情况

根据式（1）将水泵扬程单位换算成 m 以绘制水泵性能曲线和管路特性曲线图。

式中：p—压强，Pa;

ρ—水的密度，g/cm3;

g—重力常数，N/kg;

h—水的深度，m。

随着负荷的变化，其水泵性能曲线和管路特性曲线变化[8-9]情况如图 1 所示。

图 1 大流量水泵负荷变化时水泵性能曲线和管路特性曲线变化情况

该系统会通过压差传感器传递的信号，再通过一系列处理，来调节水泵转速以适应负荷的变化进而达到节能的目的。但是通过计算发现当实际制冷量与额定制冷量之比＜0.75 时，随着水泵流量的变化，水泵的运行工况点，将偏离高效运行区，虽然与传统工频运行泵相比确实还是节能的，但还是会对泵自身有所损害，还会浪费一部分能量。

当选用 3 台（2 用 1 备）额定流量为 430 m³/h、扬程392.16 KPa、功率 58 kW、转速 1 500 r/min 小流量冷冻水泵运行时，随着冷负荷的变化当制冷机组实际制冷量与额定制冷量之比为 1.00、0.75、0.50、0.25 时，制冷机主运行情况和水泵控制运行情况如表 2 所示。

表 2 制冷机组和水泵控制运行情况

当 2 台水泵同时运行时，随着负荷的变化，其水泵性能曲线和管路特性曲线变化情况[10]如图 2 所示。

图 2 小流量双水泵负荷变化时水泵性能曲线和管路特性曲线变化情况

当 1 台小水泵运行时，随着负荷的变化，其水泵性能曲 线和管路特性曲线变化情况如图 3 所示。

图 3 小流量单水泵负荷变化时水泵性能曲线和管路特性曲线变化情况

由图 2 和图 3 可知当采用变频小泵并联的方式运行时，随着负荷的变化，在水泵转速改变的情况下，水泵的流量也随之改变，但是通过计算发现此时还能保证水泵在效率较高的工况点运行。特别是与大流量单泵系统比较，当实际制冷量与额定制冷量之比＜0.75 时，双泵系统的高效率运行效果更加显著，还能起到节能的作用。

空调负荷的全年分布如表 3 所示。

表 3 空调负荷的全年分布

若按全年制冷运行 1 136 h 计算，通过水泵转速改变时特性曲线变化，由图 1～图 3 可得：

当采用大流量泵时耗电量为 79 619.97 kW h，变频器耗电量按照水泵耗电量的 4% 计算则为 3 184.80 kWh,所以大泵系统总耗电量为大流量泵总耗电量与变频器总耗电量之和为 82 804.77 kWh。

当采用小泵并联时耗电量为 75 544.00 kWh,变频器耗电量按照水泵耗电量的 4% 计算则为 3021.76 kWh,所以小泵并联系统总耗电量为小泵并联时的总耗电量与变频器总耗电量之和为78 565.76 kWh。

节能率：（大泵系统总耗电量－小泵并联系统总耗电量）/大泵系统总耗电量＝（82 804.77－78 565.76）/82 804.77＝5.12%。

2 节能分析

当系统中选用大流量变频泵与选用小流量并联变频泵时，各泵性能参数及各泵和变频器在制冷模式下运行一年的耗电情况及节能情况如表 4 所示。

表 4 性能参数及节能情况

3 结 语

自动控制系统与暖通空调系统相结合得好与否，直接会影响到暖通空调系统对室内温度和湿度等的调节能力和整个系统的节能能力。通过上述研究分析，当使用大流量水泵时，随着用户端负荷的降低，水泵流量减小，水泵工作点将偏离高效区，不但对水泵自身有损害还浪费能源。将冷冻水泵采用小流量并联的方式与自动控制相结合，不但能使水泵一直在效率较高的点工作，还能保证在满足用户需求的前提下起到节能作用；并且，流量越大的单泵系统，采用小流量双泵并联运行时，其节能效果越显著。