公共建筑中央空調(diào)變水量與變水溫節(jié)能控制方法研究

【摘 要】建筑能耗占我國全社會總能耗的1/3左右，其中空調(diào)供冷及供熱系統(tǒng)所消耗的能耗占整個建筑能耗的40-54%。近些年空調(diào)負(fù)荷增長迅速，使得許多地區(qū)用電高度緊張。由此可見，空調(diào)所消耗的能源是相當(dāng)大的，應(yīng)是建筑節(jié)能考慮的重要方向。而且空調(diào)用電能耗正在呈上升趨勢發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能已成為全社會的研究熱點問題。

【關(guān)鍵詞】暖通空調(diào)；節(jié)能控制；變水量控制；變水溫控制；建筑節(jié)能；綜合能耗；循環(huán)經(jīng)濟(jì)

0 引言

目前我國對空調(diào)系統(tǒng)尤其是冷熱源水系統(tǒng)的節(jié)能控制大多采用水泵變頻和變供水溫度等控制，但基本采用單一參數(shù)控制，水泵變頻只根據(jù)壓差或溫度進(jìn)行控制，供水溫度也只是根據(jù)末端負(fù)荷情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，很少綜合考慮水泵變頻、供水溫度、冷機效率在不同氣象條件和不同負(fù)荷情況下的綜合能耗最優(yōu)化控制。同時，由于目前存在大量運行時間在5年以上的空調(diào)系統(tǒng)，這部分空調(diào)系統(tǒng)大都存在運行效率低、能源消耗量大的問題，需要添加優(yōu)化控制策略。

1 變水量控制

1.1 變水量控制原理

使用變水量節(jié)能控制是要使冷凍水所載的冷量及冷卻水所帶走的熱量與不斷變化的末端負(fù)荷相匹配，從而能夠節(jié)約水輸送環(huán)路水泵的運行費用。隨著溫度和濕度以及其他環(huán)境因素的變化，空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷也是在發(fā)生變化的，所需的水量也在隨著負(fù)荷的變化而變化。根據(jù)之前對空調(diào)系統(tǒng)運行情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可得，冷水機組絕大多數(shù)都在低負(fù)荷的情況下運行并且存在嚴(yán)重的大流量小溫差現(xiàn)象。這種大流量小溫差的現(xiàn)象便是由水泵的頻率與負(fù)荷的變化不匹配所造成的，存在嚴(yán)重的能源浪費情況。所以對水泵進(jìn)行節(jié)能控制是具有很大的節(jié)能空間的。在運行變水量節(jié)能控制時，要保證各設(shè)備在大范圍內(nèi)變流量運行同時保證出水溫度在允許的范圍內(nèi)正常運行（離心式變流量冷水機組25%-125%，螺桿式變流量冷水機組40%-125%）。為保證水泵的散熱要求，水泵轉(zhuǎn)速不能低于正常標(biāo)準(zhǔn)值的30%，低于30%后變頻器效率下降，水泵效率也減小，低轉(zhuǎn)速帶來的能源節(jié)省已被更低的水電效率所帶來的能耗所抵消，因此水泵轉(zhuǎn)速不能一味下調(diào)。在進(jìn)行變水量控制的過程中，若單純的只是根據(jù)供回水溫差連續(xù)控制水泵頻率可能會引起系統(tǒng)大的波動，無法保證末端對環(huán)境溫濕度的要求。

1.2 變水量控制策略

本文研究的變水量控制策略是指改變冷凍水的流量，采用冷凍水泵變頻、冷卻水泵定頻的控制策略。在滿足末端負(fù)荷和安全的前提下，根據(jù)末端負(fù)荷的變化改變冷凍水泵的頻率來減少冷凍水泵的耗能量，主要是根據(jù)末端溫差和末端空調(diào)機組水閥的開度來控制水泵的頻率。在對水泵進(jìn)行節(jié)能控制的研究中常用的控制策略可分為兩種，一是通過末端壓差來控制水泵的頻率，二是通過末端溫差來控制水泵的頻率。對本研究的應(yīng)用環(huán)境而言采用通過末端壓差來控制水泵的頻率難度比較大，因為若采用壓差控制水泵頻率需要對理論上估計出的所有最不利末端位置進(jìn)行壓差測試，并且為保證早晚負(fù)荷變化較大時能正確反映最不利末端的情況應(yīng)在多處設(shè)置壓差傳感器進(jìn)行比較，較難實現(xiàn)，所以研究過程中采用的是通過溫差控制來實現(xiàn)水泵的變頻。若只是根據(jù)末端溫差來控制水泵的頻率會使水泵頻率波動較大、溫濕度不容易穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)，所以在控制條件中加上了末端空調(diào)機組的水閥開度，這樣通過末端空調(diào)機組水閥開度和末端溫差來控制水泵的頻率，可以起到很好的控制效果和節(jié)能效果。所以本研究中采用的是末端溫差和末端重要空調(diào)機組水閥開度共同調(diào)節(jié)水泵頻率。

變水量控制策略步驟為：

（1）上位機判斷冷凍水的供回水溫差，若溫差大于5℃，則直接將冷凍泵的頻率增加一個步長，步長定為2Hz。

（2）若冷凍水的溫差不大于5℃，則繼續(xù)判斷末端房間的實際溫度，若滿足溫度高于設(shè)定值0.2并且水閥開度達(dá)到100%的臺數(shù)大于1，則將冷凍泵頻率增加一個步長，否則減少一個步長。

（3）將修改后的水泵頻率與設(shè)定的水泵頻率上下限進(jìn)行比較，若在水泵頻率規(guī)定范圍之內(nèi)則將修改后的值作為冷凍水泵的頻率，若修改后的值小于設(shè)定范圍的下限則將下限值作為冷凍水泵的頻率，若修改后的值大于設(shè)定范圍的上限則將上限值作為冷凍水泵的頻率。

2 變水溫控制策略

2.1 變水溫控制的原理

冷水機組性能指數(shù)（COP）是指冷水機組在額定工況下的制冷量與輸入功率之比。冷水機組最高的COP一般不出現(xiàn)在滿負(fù)荷時，而是出現(xiàn)在部分負(fù)荷時。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上盡量提高冷機出水溫度可達(dá)到節(jié)能的目的。但是為了滿足末端機組對環(huán)境的要求，通常應(yīng)設(shè)定冷機出水溫度的上下限，這個限值可根據(jù)冷機長期運行的結(jié)果獲得。

2.2 變水溫控制策略

本文中所提出的變水溫控制策略是指改變冷機的出水溫度即改變冷凍水的出水溫度。本研究中的變水溫優(yōu)化控制策略需要與變流量優(yōu)化控制策略共同運行，是以冷凍泵的運行功率和冷機的運行功率之和最低為目的，在冷凍水泵的頻率不斷變化的基礎(chǔ)上計算出一個最佳的冷機冷凍水出水溫度。在滿足末端負(fù)荷要求和保證安全的前提下，通過提高冷凍水的出水溫度來提高冷機的COP，達(dá)到冷機節(jié)能的目的。變水溫的控制策略步驟如下：

（1）首先，在冷機開啟的時候給冷機一個初始溫度作為初始的冷機冷凍水出水溫度，本研究中給出的初始溫度為7℃。

（2）其次，判斷末端重要空調(diào)機組水閥開度，計算水閥開度到達(dá)100%的冷水機組的臺數(shù)，若臺數(shù)大于1，則將當(dāng)前冷機的冷凍水出水溫度設(shè)定值減少一個步長，跳到步驟（6），為了盡量保持室內(nèi)溫度和濕度的相對穩(wěn)定，將一個步長設(shè)為0.2℃。

（3）若末端重要機組水閥開度到達(dá)100%的臺數(shù)不大于1，則繼續(xù)判斷開啟的是哪臺冷機。

（4）根據(jù)該冷機的負(fù)荷率計算出此時冷機的部分負(fù)荷率，根據(jù)末端環(huán)境的濕度和溫度計算出此時的濕球溫度，根據(jù)部分負(fù)荷率和末端濕球溫度計算出當(dāng)前冷水機組的最佳出水溫度。

（5）將計算出來的最佳出水溫度與當(dāng)前出水溫度設(shè)定值比較，若大于當(dāng)前設(shè)定值則在當(dāng)前設(shè)定值的基礎(chǔ)上增加一個步長，若小于當(dāng)前設(shè)定值則在當(dāng)前設(shè)定值的基礎(chǔ)上減少一個步長。

（6）將修改后的值與設(shè)定的上下限值比較，若在變化范圍內(nèi)，則將修改后的值設(shè)定為冷機的冷凍水出水溫度，若超出了設(shè)定范圍，則將上限或下限設(shè)定為冷機的冷凍水出水溫度。

此循環(huán)可根據(jù)不同的設(shè)備和外界環(huán)境設(shè)定循環(huán)間隔時間。為了盡量減少冷凍水供水溫度的波動，在每次對冷凍水出水溫度進(jìn)行賦值之前都加入了一個比較，如果計算出來的冷凍水最佳出水溫度與當(dāng)前冷機的冷凍水出水溫度的差值小于一個步長，則此次不改變冷凍水的出水溫度。

針對不同的末端負(fù)荷和不同型號的冷水機組，設(shè)定溫度的變化范圍、循環(huán)計算的時間間隔以及溫度變化的步長都有所不同，要在長時間的實驗中取得理想的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

總之，隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，能源的使用也越來越廣，與此同時能源節(jié)約也受到了人們越來越多的重視。據(jù)統(tǒng)計建筑能耗約占到了社會總能耗的1/3，其中空調(diào)系統(tǒng)能耗約為建筑能耗的40%-54%。建筑節(jié)能成為我國今后節(jié)能工作的重點。

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[責(zé)任編輯：湯靜]