關(guān)于空調(diào)冷卻水系統(tǒng)變頻節(jié)能控制的分析和應(yīng)用

魏漢光　李宇成

[摘要]在不同季節(jié)、不同天氣、不同時段下，空調(diào)冷凍機(jī)制冷負(fù)荷變化較大，普通定頻定流量系統(tǒng)，空調(diào)冷卻水系統(tǒng)大部分時間在大流量、小溫差狀態(tài)下運(yùn)行，既不節(jié)能，也不利于空調(diào)冷凍機(jī)正常、安全運(yùn)行。通過分析空調(diào)冷卻水系統(tǒng)特點和運(yùn)行要求，將冷卻水系統(tǒng)與變頻器及測控設(shè)備有機(jī)結(jié)合，形成閉環(huán)變頻控制系統(tǒng)。當(dāng)空調(diào)負(fù)荷變化或外界溫、濕度變化，造成冷卻水出水溫度變化時，通過調(diào)整冷卻泵運(yùn)行頻率，達(dá)到降低綜合能耗，同時保證冷凍機(jī)安全、正常運(yùn)行的目的。

[關(guān)鍵詞]空調(diào)冷卻水系統(tǒng) 變頻 控制 節(jié)能

中圖分類號：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0110016-02

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于賓館、飯店、寫字樓、商場、醫(yī)院、地鐵站、文化娛樂設(shè)施等各類民用建筑，空調(diào)能耗增長很快，空調(diào)耗電占大型公共建筑總耗電量的50%以上，空調(diào)冷凍泵、冷卻泵耗電約占建筑空調(diào)耗電的20%左右，但國內(nèi)建筑物單位面積的耗電量約為國外同等規(guī)模同檔次建筑物耗電量的兩倍，節(jié)能潛力很大，分析、研究空調(diào)冷卻水泵變頻節(jié)能智能控制，不僅有利于保障空調(diào)冷凍機(jī)正常運(yùn)行工況，而且可以大大降低空調(diào)水泵自身的運(yùn)行能耗和整個系統(tǒng)的綜合能耗，降低建筑空調(diào)能源消耗和運(yùn)營成本，對整個社會的節(jié)能和環(huán)保都具有非常重要的現(xiàn)實意義。

眾所周知，民用建筑物空調(diào)系統(tǒng)是按照天氣最熱、負(fù)荷最大季節(jié)、時段設(shè)計，并留有10%以上的余量，但季節(jié)不同、天氣不同、時段不同時，建筑空調(diào)需求差異很大，實際上每年絕大部分時間，空調(diào)都不需要在最大負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，根據(jù)美國暖通制冷空調(diào)工程師協(xié)會（ASHRAE）給出的建筑物全年實際運(yùn)行負(fù)荷的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建筑物在全年的80%的運(yùn)行時間里，實際空調(diào)需求負(fù)荷低于設(shè)計負(fù)荷的75%。目前，空調(diào)冷凍機(jī)一般都可以按照冷凍水出水溫度設(shè)定，根據(jù)負(fù)荷變化自動加載或減載，空調(diào)冷凍水泵變頻調(diào)節(jié)也已廣泛應(yīng)用，具有較為靈活的調(diào)節(jié)性能，但因涉及到空調(diào)冷凍機(jī)運(yùn)行控制和冷凝器、蒸發(fā)器運(yùn)行保護(hù)及冷卻塔運(yùn)行要求，受以往技術(shù)和傳統(tǒng)設(shè)計觀念所限，冷凍機(jī)側(cè)的冷卻水泵變頻調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)分析研究和應(yīng)用較少，絕大部分仍采用傳統(tǒng)的定頻冷卻水泵，不能隨負(fù)荷和天氣變化相應(yīng)調(diào)整運(yùn)行工況，無論季節(jié)、天氣和負(fù)荷變化，都在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)行，能量的巨大浪費是顯而易見的，節(jié)能潛力很大，而且，當(dāng)冷卻水溫較低時，還會影響冷凍機(jī)正常運(yùn)行工況，給系統(tǒng)運(yùn)行安全帶來隱患。

一、水泵調(diào)節(jié)的方法和性能

以往水泵常用的調(diào)節(jié)方法有調(diào)節(jié)進(jìn)口閥門、調(diào)節(jié)出口閥門，后來又陸續(xù)發(fā)展到利用轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、改變?nèi)嘟涣麟婎l率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速等，雖然都可以達(dá)到調(diào)節(jié)水泵流量的目的，但實際能耗情況差異很大，變頻調(diào)速方式最接近理想狀態(tài)，在不同工況流量調(diào)節(jié)中最節(jié)能，是目前比較理想的流量調(diào)節(jié)手段。眾所周知，改變泵的轉(zhuǎn)速，可使泵的性能曲線升高或降低，系統(tǒng)流量和揚(yáng)程隨之變化，在一定范圍內(nèi)，流量、揚(yáng)程和能耗分別與水泵運(yùn)行頻率的一次方、二次方、三次方近似成正比。

二、空調(diào)冷凍機(jī)對冷凍水、冷卻水變流量的要求

按照以往技術(shù)和設(shè)計慣例，為了冷凍機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、安全，冷凍機(jī)側(cè)一次冷凍水、冷卻水保持定流量運(yùn)行，進(jìn)、出口水溫差控制在5～6℃，蒸發(fā)器和冷凝器管束內(nèi)的水流速約2.0～2.8m/s。長期以來，冷凍機(jī)側(cè)一次冷凍水泵很少考慮變頻變流量設(shè)計和改造，冷卻泵變頻變流量的分析、研究和工程實例更少。作者查閱特靈、約克等著名冷凍機(jī)生產(chǎn)商資料，冷凍機(jī)蒸發(fā)器或冷凝器最小安全流量約為額定流量30～40%，空調(diào)冷凍機(jī)側(cè)一次冷凍泵和冷卻泵的變頻調(diào)節(jié)控制的最小頻率必須保證滿足最小安全流量和對應(yīng)的最小壓差，否則，不起保護(hù)作用，甚至可能出現(xiàn)蒸發(fā)器局部冰凍、冷卻水上不了冷卻塔、冷凝溫度過高等事故。

三、空調(diào)冷卻水泵變頻調(diào)節(jié)分析

（一）空調(diào)冷卻水泵變頻節(jié)能可行性分析

對于空調(diào)冷卻泵變頻節(jié)能，目前在工程技術(shù)領(lǐng)域大致有兩種觀點：（1）冷卻泵變頻降低流量，會導(dǎo)致空調(diào)冷凍機(jī)能耗增加，沒有節(jié)能效果，甚至危及冷凍機(jī)運(yùn)行安全；（2）空調(diào)冷卻泵變頻節(jié)能和冷凍水泵變頻控制方法和效果基本一樣。受第一種觀點的影響，空調(diào)冷卻泵變頻節(jié)能研究和應(yīng)用很少，受第二種觀點影響，空調(diào)冷卻泵變頻節(jié)能成功的工程實例較少。

空調(diào)冷凍機(jī)冷凝器散熱量Qr=C*M*△T，Q與冷凍機(jī)運(yùn)行負(fù)荷成正比，傳熱系數(shù)C接近是定值，M是冷卻水流量，與冷卻泵運(yùn)行頻率f近似成正比，△T=T2-T1是進(jìn)、出冷凝器冷卻水溫差。由此可以看出，提高冷卻水溫度和減小冷卻水流量會導(dǎo)致冷凝器散熱量減小，冷凝溫度升高，按常規(guī)設(shè)計條件（設(shè)計溫差5℃）估算，流量下降20%，冷卻水溫差也會增大約20%，即上升約1℃，冷卻水入口溫度T1基本不變的情況下，冷卻水出口溫度T2升高約1℃，從而導(dǎo)致冷凍機(jī)冷凝器冷凝溫度升高約1℃。

從理論上分析，對空調(diào)制冷循環(huán)來說，冷凝溫度升高，會增大制冷能耗，冷凝溫度升高1℃，制冷能耗增大約相當(dāng)于冷凍機(jī)電機(jī)功率的1～2%。但從大多工程實例看，空調(diào)冷卻泵電機(jī)功率大致相當(dāng)于冷凍機(jī)電機(jī)功率的8～12%，當(dāng)冷凍機(jī)負(fù)荷較小或冷卻水溫度較低時，假如冷卻泵運(yùn)行頻率從50Hz減小至40Hz，按理論計算，冷卻水流量減小約20%，冷卻泵消耗功率減小約40%以上，減少量相當(dāng)于冷凍機(jī)電機(jī)功率額的3～4.8%，同時，冷凍機(jī)冷凝溫度約升高1℃，制冷能耗增大約1～2%，兩者相比，綜合能耗降低大約相當(dāng)于冷凍機(jī)電機(jī)功率額的2%，節(jié)能效果依然比較顯著。

從空調(diào)冷凍機(jī)運(yùn)行實踐分析，冷凍機(jī)運(yùn)行需要保持冷凝壓力和蒸發(fā)壓力一定的壓差，例如，根據(jù)世界著名的空調(diào)冷凍機(jī)廠商特靈公司資料，R22制冷劑空調(diào)冷凍機(jī)冷凝壓力和蒸發(fā)壓力的最小差值宜保持在400kPa左右，這樣，在冷凍水出水溫度基本不變的情況下（一般設(shè)定為6～7℃），冷卻水溫度不宜過低，流量不宜過大，尤其是部分負(fù)荷情況下，壓差過小，會使回油困難，噪音和振動增大，甚至造成冷凍機(jī)報警和故障。隨著高檔公共建筑增多，尤其是智能化建筑增多，空調(diào)冷凍機(jī)運(yùn)行時間明顯延長，半年甚至全年運(yùn)行，各季節(jié)天氣情況和空調(diào)需求負(fù)荷變化很大，冷卻水溫度也經(jīng)常大大低于設(shè)計溫度，在這種背景下，空調(diào)冷卻泵變頻控制不僅可以節(jié)省能耗，而且是空調(diào)冷凍機(jī)安全正常運(yùn)行的需要。

（二）空調(diào)冷卻水泵變頻調(diào)節(jié)控制參數(shù)選定

因為冷凝器散熱量Qr=C*M*△T，當(dāng)冷凍機(jī)在某一負(fù)荷運(yùn)行時，冷凝器散熱量Qr基本穩(wěn)定，調(diào)整冷卻泵運(yùn)行頻率，冷卻水流量M近似與運(yùn)行頻率f正比變化，進(jìn)出冷凝器水溫差（△T=T2-T1）則近似與運(yùn)行頻率f反比變化。

如果用冷卻水進(jìn)出水溫差△T作為控制參數(shù)來控制冷卻泵運(yùn)行頻率，則冷卻泵運(yùn)行頻率主要與冷凍機(jī)運(yùn)行負(fù)荷相關(guān)聯(lián)，春、秋、冬季節(jié)，如果冷凍機(jī)負(fù)荷較大時，雖然冷卻水進(jìn)出水溫差△T比較大，但冷卻水整體溫度卻比較低，不僅不能有效利用冷卻水低溫時的節(jié)能潛力，而且冷卻水溫度較低時，還會使冷凍機(jī)運(yùn)行工況差，甚至出現(xiàn)故障的情況。

冷卻水系統(tǒng)與冷凍水系統(tǒng)不同的是它的溫度不僅與冷凍機(jī)負(fù)荷相關(guān)，還與外界環(huán)境溫度、濕度和冷卻塔工況等相關(guān)，進(jìn)入冷凍機(jī)冷凝器的冷卻水溫度T1（或冷卻塔出水溫度）主要取決于環(huán)境溫度、濕度和冷卻塔工況，受冷凍機(jī)運(yùn)行狀況影響不大，出冷凍機(jī)冷凝器的冷卻水溫度T2（或冷卻塔進(jìn)水溫度）則主要取決于冷凍機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷、冷凝器換熱工況和冷卻水流量、進(jìn)口溫度等。所以可以采用出冷凍機(jī)冷凝器的冷卻水溫度T2（或冷卻塔進(jìn)水溫度）作為控制參數(shù)調(diào)節(jié)冷卻水泵頻率，則可以較大限度地利用冷凍機(jī)低負(fù)荷和外界環(huán)境溫度、濕度較低時兩種情況下的節(jié)能潛力。

（三）工程實例和分析

北京某著名大廈數(shù)據(jù)中心服務(wù)器設(shè)備很多，空調(diào)供冷需求量大、時間長（全年供冷），所以，對制冷系統(tǒng)安全可靠和節(jié)能降耗要求很高，除了采用常規(guī)的控制和節(jié)能技術(shù)外，還特別考慮了冷卻水系統(tǒng)變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用。作者在接受這個項目后，通過分析、研究，最初確定按如下設(shè)定控制冷卻水泵運(yùn)行頻率：

但在系統(tǒng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，容易出現(xiàn)如下問題：

1．大部分冷凍機(jī)油冷卻器采用冷卻水冷卻，油冷卻器的發(fā)熱量隨冷凍機(jī)運(yùn)行負(fù)荷變化不大，冷卻泵運(yùn)行頻率和流量過小，會影響冷凍油冷卻，致使油溫過高，所以，冷卻泵的最小安全流量和頻率不能過小，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)冷凍機(jī)技術(shù)資料和運(yùn)行測試分析取得，本項目冷卻水泵最小安全頻率原設(shè)定30Hz過低，容易使冷凍機(jī)運(yùn)行工況變差，油溫高、噪音大等，一般最小安全頻率宜設(shè)定在35Hz以上，不宜過??；

2．按照冷卻水出水溫度分段斷點階躍設(shè)定冷卻泵運(yùn)行頻率，當(dāng)冷卻水溫在不同范圍之間波動時，容易造成冷卻泵頻率變動頻繁，冷凍機(jī)和變頻器運(yùn)行不穩(wěn)定，而且冷卻水溫度設(shè)定值較高，如50Hz運(yùn)行頻率的設(shè)定范圍為T2≥37℃，也會使夏季冷凍機(jī)冷凝溫度長時間保持較高數(shù)值，對冷凍機(jī)安全、高效運(yùn)行都不利。

經(jīng)過多次運(yùn)行測試和分析，比較合理的方法是適當(dāng)降低溫度設(shè)定范圍值，提高最小安全頻率設(shè)定值，在每個冷卻水出水溫度區(qū)間范圍內(nèi)冷卻水泵運(yùn)行頻率按照斜率平滑調(diào)節(jié)，不要采取分段斷點階躍調(diào)節(jié)，保證空調(diào)冷凍機(jī)安全高效運(yùn)行和冷卻水泵頻率平穩(wěn)調(diào)節(jié)，如下表控制參數(shù)設(shè)定：

空調(diào)冷卻水系統(tǒng)控制邏輯原理關(guān)系如右圖：

夏季高溫、高濕度和冷凍機(jī)大負(fù)荷運(yùn)行時，冷卻水經(jīng)過冷卻塔處理后進(jìn)入冷凍機(jī)冷凝器的入水溫度T1較高，設(shè)定冷卻水出冷凍機(jī)冷凝器溫度T2≥32℃（大大低于設(shè)計溫度37℃）時，冷卻水泵在50Hz頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)，保證充足的冷卻水流量，加強(qiáng)高溫時冷凍機(jī)冷凝器傳熱效果，從而保證冷凍機(jī)運(yùn)行安全、高效；當(dāng)空調(diào)冷凍機(jī)運(yùn)行負(fù)荷較低或春、秋、冬季低溫、低濕度情況下，經(jīng)過冷卻塔處理后進(jìn)入冷凍機(jī)冷凝器的冷卻水溫度T1較低，出水T2也比較低，當(dāng)冷卻水出水溫度24℃≤T2＜32℃時，冷卻水泵運(yùn)行頻率在35～50Hz間平穩(wěn)調(diào)節(jié)，穩(wěn)定在某個頻率運(yùn)行，在40Hz頻率運(yùn)行時，冷卻水流量約流量的80%，冷卻水泵電耗約為工頻（50Hz）運(yùn)行時的一半，最低安全頻率35Hz運(yùn)行時，冷卻水流量約工頻流量的70% ，冷卻水泵電耗約為工頻運(yùn)行時的34%，節(jié)能效果相當(dāng)可觀，更為重要的是在低負(fù)荷、低冷卻水溫度情況下，冷凍機(jī)冷凝器、蒸發(fā)器壓差過小，回油困難，冷凍機(jī)運(yùn)行噪音、振動較大，適當(dāng)降低冷卻泵運(yùn)行頻率和冷卻水流量，可以適當(dāng)提高冷卻水出水溫度和冷凝溫度、冷凝壓力，有利于保持冷凍機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)。

四、冷卻水泵變頻控制系統(tǒng)設(shè)置

（一）空調(diào)冷卻水系統(tǒng)控制原理

兩臺空調(diào)冷卻水泵（1用1備）共用1臺變頻器，配有變頻器和Y-△啟動轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，夏季高溫時采用Y-△系統(tǒng)工頻供電；低負(fù)荷、低溫運(yùn)行時，轉(zhuǎn)換到變頻器系統(tǒng)供電運(yùn)行；變頻器或Y-△故障時，可啟動另一套系統(tǒng)供電，不影響冷卻泵運(yùn)行，保證系統(tǒng)安全可靠性。兩臺冷卻泵定期輪換運(yùn)行，24小時輪換一次。

冷凍機(jī)冷卻水進(jìn)出口采用壓差傳感器，根據(jù)冷凍機(jī)額定流量、壓差和最小流量、壓差以及最小上冷卻塔揚(yáng)程值，來設(shè)定最小安全保護(hù)壓差，當(dāng)冷卻泵未啟動或流量過小時，冷卻水進(jìn)出口壓差小于最小安全保護(hù)壓差值，冷凍機(jī)保護(hù)停機(jī)。

（二）冷卻水出冷卻塔溫度T1控制

當(dāng)冷卻塔為單扇型，冷卻塔風(fēng)扇應(yīng)配變頻器控制，設(shè)定冷卻水出塔溫度T1（如20℃），來控制風(fēng)扇變頻器頻率；當(dāng)冷卻塔為多風(fēng)扇型，可以設(shè)定冷卻水出塔溫度T1（如20℃），來控制風(fēng)扇開啟臺數(shù)，保證出塔冷卻水溫度穩(wěn)定。

五、結(jié)論

上述工程項目2008年5月份投入運(yùn)行，空調(diào)冷卻水系統(tǒng)變頻節(jié)能改造經(jīng)過今年春、夏、秋三季運(yùn)行、測試，在保證空調(diào)冷凍機(jī)安全、正常運(yùn)行的前提下，夏季空調(diào)冷卻泵大多在工頻狀態(tài)運(yùn)行，春、秋季隨空調(diào)需求和外界溫、濕度情況自動調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率，尤其是進(jìn)入九月底以來，外界環(huán)境溫、濕度變化較大，空調(diào)冷卻泵經(jīng)常在40Hz附近運(yùn)行，電耗約為工頻（50Hz）運(yùn)行時的一半，進(jìn)入深秋和冬季運(yùn)行，節(jié)能效果會更顯著。