定流量中央空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能改造淺析

摘要：定流量中央空調(diào)供冷系統(tǒng)中，冷凍水泵及冷卻水泵工頻運(yùn)行，總供水量不隨冷負(fù)荷的變化而變化。此運(yùn)行方式能量損耗顯著，采用變流量控制系統(tǒng)對(duì)定流量空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)制冷系統(tǒng)高效節(jié)能運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：定流量;冷水機(jī)組;變頻;壓差旁通

目前廣州地鐵的空調(diào)制冷系統(tǒng)主要采用水冷式冷水機(jī)組，分集中冷站供冷和獨(dú)立供冷兩種方式。獨(dú)立供冷車站，由定流量水冷式冷水機(jī)組向整個(gè)車站中央空調(diào)系統(tǒng)提供冷源。通過對(duì)定流量冷水機(jī)組的能量損耗進(jìn)行分析，提出變流量控制節(jié)能改造的建議。

1.定流量水冷式冷水機(jī)組結(jié)構(gòu)

圖1-1?定流量水冷式冷水機(jī)組系統(tǒng)圖

分析圖1-1，可以將定流量水冷式冷水機(jī)組分成以下幾個(gè)系統(tǒng)：

1.1制冷劑循環(huán)系統(tǒng)

由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器及之間的管道封閉連接組成。制冷劑從蒸發(fā)器吸熱，吸收的熱量送到冷凝器那里后放熱。

1.2冷凍水系統(tǒng)

由定頻冷凍水泵，連接管道及相關(guān)附件組成。通過冷凍水泵做功，將冷凍水送到末端設(shè)備的表冷器，由表冷器完成與環(huán)境空氣的熱量交換，產(chǎn)生的低溫空氣。

1.3冷卻水系統(tǒng)

由冷卻水泵，冷卻塔和連接管道及附件組成。通過本系統(tǒng)將冷水機(jī)組制冷劑在冷凝器中釋放的熱量帶給冷卻塔，在冷卻塔中釋放給大氣。

2.定流量水冷式冷水機(jī)組能量損耗分析

2.1部分負(fù)荷下的能量損耗嚴(yán)重

冷水機(jī)組運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)換是由自身所攜帶的微電腦根據(jù)冷水溫度自動(dòng)控制。冷凍水泵的流量不隨末端負(fù)荷的變化而改變。經(jīng)過末端設(shè)備的水量，由壓差旁通控制器根據(jù)壓差變化進(jìn)行控制。末端負(fù)荷需求變小時(shí)，管道中的二通閥開度關(guān)小，壓差旁通管的壓差增大，流入末端的水量變小，一部分水量通過旁通管直接進(jìn)入回水系統(tǒng)。

圖1-2?冷水機(jī)組冷凍水流程示意圖

如圖1-2?冷水機(jī)組冷凍水流程示意圖

其中：?+?=

因?yàn)椋骸粒?2℃-7℃）=?×（?-7℃）??????????????（1-1）

=7℃+（12℃-7℃）?×（）

是混合后的水溫，公式（1-1）是一個(gè)熱量平衡關(guān)系。

根據(jù)公式，得出旁通系統(tǒng)造成的能耗浪費(fèi)表現(xiàn)在下述三個(gè)方面：

（1）根據(jù)熱力學(xué)的基本原理，當(dāng)?shù)睦鋬鏊?℃）與末端系統(tǒng)回水（12℃）混合時(shí)，發(fā)生的過程是不可逆的熵增過程，造成機(jī)械能的損失。

（2）冷凍水回水溫度越高，蒸發(fā)器效率越高，則主機(jī)效率也越高，然而部分負(fù)荷情況下，混合后的冷凍回水溫度低于末端回水溫度，導(dǎo)致主機(jī)熱交換效率降低。

（3）冷負(fù)荷需求減少時(shí)，需要的水量減少。因定流量的關(guān)系，冷凍水泵輸出功率不變。如圖，空調(diào)末端系統(tǒng)只需要冷機(jī)供出部分的水量，但在定流量系統(tǒng)中，水泵必須對(duì)部分的水量做功，即水泵的功耗浪費(fèi)，其中一部分用浪費(fèi)在推動(dòng)多余的水量循環(huán)，另一部分損失在克服管道阻力。另外，冷卻泵也存在與冷凍泵運(yùn)行一樣的浪費(fèi)能耗的現(xiàn)象。

2.2?設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致能量損耗

空調(diào)設(shè)計(jì)的配置原則：冷水機(jī)組按遠(yuǎn)期高峰負(fù)荷配置設(shè)備的容量，水泵按所有末端設(shè)備滿負(fù)荷時(shí)總水量設(shè)計(jì)。

根據(jù)歷史運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，中央空調(diào)系統(tǒng)80%左右的時(shí)間是在部分負(fù)荷工況下運(yùn)行。長(zhǎng)期低溫差、大流量的運(yùn)行狀態(tài)，造成能量利用率低。

同時(shí)，在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行與設(shè)計(jì)的運(yùn)行狀態(tài)有偏離，選用水泵偏大，導(dǎo)致水泵處于“大流量、低效率、高功耗”的不利工況下運(yùn)行。

3.節(jié)能改造需解決的主要問題

定流量制冷系統(tǒng)能量損耗顯著，因此進(jìn)行節(jié)能改造是必須的。而制冷系統(tǒng)由制冷機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵等主要組成部件，對(duì)其行節(jié)能改造，主要需解決的問題為：

（1）冷水機(jī)組：將冷水機(jī)組進(jìn)出水溫度控制在7℃～12℃左右，保證機(jī)組在制出足夠的冷量時(shí)在最高效率點(diǎn)運(yùn)行。

（2）冷凍水泵組：配合主機(jī)，隨著末端工況變化，及時(shí)調(diào)節(jié)輸送水量，給主機(jī)提供12℃左右的進(jìn)水，降低輸送能耗。

（3）冷卻水泵組及冷卻塔：配合主機(jī)，用最小的能耗將冷凝器釋放的熱量傳輸?shù)酵獠凯h(huán)境。

（4）保冷水機(jī)組平穩(wěn)安全運(yùn)行。即冷凍水、冷卻水的流量不小于冷水機(jī)組允許最小流量。同時(shí)，冷凍、冷卻水的流量變化速率須小于冷水機(jī)組允許的變化速率。

4.變流量控制系統(tǒng)的節(jié)能原理

變流量控制系統(tǒng)由模糊智能控制器，變頻器，溫度、壓力、壓差、流量傳感器等設(shè)備組成。模糊智能控制技術(shù)適合沒有準(zhǔn)確的控制模型、多變量及時(shí)變量的非線性系統(tǒng)中。變頻器是關(guān)鍵節(jié)能執(zhí)行部件，控制水泵的運(yùn)行工況。溫度、壓力、壓差、流量傳感器的檢測(cè)值反饋到系統(tǒng)中，進(jìn)行差值控制。

在保證制冷系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，實(shí)時(shí)響應(yīng)末端負(fù)荷變化，按照末端溫度的要求，動(dòng)態(tài)改變冷凍水的水流量。同時(shí)，根據(jù)冷凝器及天氣等其他情況，動(dòng)態(tài)改變冷卻水的水流量，提高冷水機(jī)組的熱交換效率，控制主機(jī)的COP值處于最佳狀態(tài)。

車站制冷系統(tǒng)在BAS系統(tǒng)的控制下，根據(jù)冷負(fù)荷需求自動(dòng)確定開啟冷機(jī)的數(shù)量，同時(shí)制冷主機(jī)根據(jù)負(fù)載的變化隨之加載或卸載，為此，冷凍、冷卻水泵成為控制的主要對(duì)象。

4.1冷凍水系統(tǒng)的節(jié)能

當(dāng)環(huán)境溫度、空調(diào)末端負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量亦隨之變化，流量計(jì)、壓差傳感器和溫度傳感器將檢測(cè)到的這些參數(shù)送至變流量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)控制器依據(jù)所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出末端空調(diào)負(fù)荷所需的制冷量，以及冷凍水供水流量的最佳值，并以此調(diào)節(jié)各變頻器輸出頻率，控制冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，改變流量，實(shí)現(xiàn)冷凍水流量按照末端負(fù)荷的需求供應(yīng)，使空調(diào)系統(tǒng)在各種負(fù)荷情況下，都能既保證末端用戶的舒適性，又最大限度地節(jié)省了系統(tǒng)的能量消耗。

4.2?冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能

當(dāng)環(huán)境溫度、空調(diào)末端負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，制冷主機(jī)的負(fù)荷率將隨之變化，主機(jī)冷凝器的最佳熱轉(zhuǎn)換溫度也隨之變化。系統(tǒng)控制器依據(jù)所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算出主機(jī)冷凝器的最佳熱轉(zhuǎn)換溫度及冷卻水最佳出、入口溫度，并以此調(diào)節(jié)冷卻水泵的輸出頻率及冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，控制冷卻水泵轉(zhuǎn)速和冷卻塔風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冷卻水的流量和冷卻塔風(fēng)機(jī)的數(shù)量，始終保持最佳的能效比（即COP值），從而降低了制冷系統(tǒng)的能量消耗。

5.采用變流量控制系統(tǒng)的節(jié)能空間

由能量損耗分析可見，能量損耗主要發(fā)生的部分負(fù)荷工況下。采用變流量控制技術(shù)，將定流量系統(tǒng)轉(zhuǎn)為變流量系統(tǒng)后，帶來的節(jié)能空間如下：

（1）最大程度的利用機(jī)組冷凝器及蒸發(fā)器的換熱面積，進(jìn)而提高機(jī)組的制冷效率。

（2）制冷機(jī)冷凝器換熱面積被充分利用時(shí)，可以給冷卻水泵讓出了變頻節(jié)能的空間。

（3）在系統(tǒng)負(fù)荷需求降低并保證系統(tǒng)供回水溫差時(shí)，水量需求降低，水泵的輸送量減少降低功耗的同時(shí)，流體在管路中的揚(yáng)程損失按平方關(guān)系降低，從而需要水泵提供的揚(yáng)程也降低，進(jìn)一步降低了水泵的輸送功耗。

（4）充分利用冷卻塔的散熱功能，可以給冷卻水泵開辟更大的節(jié)能空間。

6.結(jié)論

采用變流量控制技術(shù)，綜合考慮制冷系統(tǒng)各設(shè)備能耗之間的相互關(guān)系，克服定流量系統(tǒng)的缺點(diǎn)，充分挖掘部分負(fù)荷下制冷系統(tǒng)的節(jié)能潛力，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)水冷式制冷系統(tǒng)的節(jié)能、高效運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：

張軍輝，助理工程師，從事中央空調(diào)系統(tǒng)研究，機(jī)電設(shè)備管理方向。