冷水機組冷卻側的節(jié)能控制

于振坤，任立娥

（1.山東新力拓節(jié)能服務科技有限公司，山東青島266109；2.樂金空調（山東）有限公司，山東青島266109）

冷水機組冷卻側的節(jié)能控制

于振坤1，任立娥2

（1.山東新力拓節(jié)能服務科技有限公司，山東青島266109；2.樂金空調（山東）有限公司，山東青島266109）

主要介紹了中央空調的冷卻水泵及冷卻塔風機的幾種節(jié)能控制方式及具體控制方法，結合項目情況選擇合適的控制方式可達到最佳節(jié)能效果。

冷卻水泵；冷卻塔風扇；變頻；節(jié)能

0 引言

中央空調系統(tǒng)一般根據(jù)系統(tǒng)全年運行的最大負荷為參考依據(jù)進行選型設計，而中央空調的實際負荷與季節(jié)、氣溫、人員變化、設備負荷率等很多因素有關，在一年中大部分的實際負荷在70%以下，滿載運行的時間甚至只有幾天。常見的中央空調系統(tǒng)中冷水機組的負荷率可以根據(jù)負荷變化自動進行調節(jié)，但與之配套的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等附屬設備都不能自動調節(jié)，幾乎長期都在100%的負荷下運行，這就造成了很大的能源浪費。

近些年來隨著變頻技術的日益成熟，通過計算用戶側冷凍水水溫、流量等參數(shù)對冷凍水泵進行變頻控制，冷凍水側的能源浪費情況有了很大的改觀。但冷卻水系統(tǒng)由于與冷水機組冷凝器的運行狀態(tài)關聯(lián)密切，大多僅能通過冷水機組自身的控制器實現(xiàn)簡單的聯(lián)動控制，導致系統(tǒng)冷卻側的負荷不能跟隨系統(tǒng)的負荷進行調節(jié)，造成能源的浪費。本文就該問題提出具體節(jié)能解決方案，以供參考。

1 常見冷卻水系統(tǒng)組成

常見的冷卻水系統(tǒng)一般采用如圖1、圖2所示的連接方式。冷水機組運行時，冷卻水將冷凝器的熱量輸送到冷卻塔去散熱，再返回冷凝器進行熱交換。整個冷卻水系統(tǒng)由配套的冷卻水泵來提供循環(huán)流量，從而保證冷水機組的正常高效運行[1]。

2 常見冷卻水系統(tǒng)的控制方式

空調系統(tǒng)中，冷水機組處于低負荷狀態(tài)時，為保證機組的正常運行需要對冷卻水溫度進行調整，通常采用冷卻水泵定/變頻控制，結合冷卻塔風扇臺數(shù)控制或變頻控制的方法進行控制。

2.1 冷卻水泵定頻控制，冷卻塔風扇啟停臺數(shù)控制

通過實時檢測機組冷卻水入口溫度，并與設定值進行比較，采用步進控制的方法來控制運行的冷卻風扇的臺數(shù)，使冷卻水入口溫度接近設定值，具體控制方法如圖3所示（四臺風扇為例）。

2.2 冷卻水泵定頻控制，冷卻塔風扇變頻控制

冷卻塔風機安裝合適規(guī)格的變頻器，實時檢測機組冷卻水入口溫度，并與設定的冷卻水入口溫度值進行比較，通過PID控制實時調節(jié)變頻器頻率來調節(jié)冷卻塔風機的轉速，使機組冷卻水入口溫度實測值趨近于設定值[2]。

當機組冷卻水入水實測溫度高于設定值時，通過變頻器提高冷卻塔風機轉速，增大冷卻塔換熱量，直到實測溫度降至設定值；當機組冷卻水入水實測溫度低于設定值時，通過變頻器降低冷卻塔風機轉速，減小冷卻塔換熱量，直到實測溫度回升到設定值[3]。

2.3 冷卻水泵及冷卻塔風扇變頻控制

2.3.1 冷卻水泵的變頻控制

冷卻水泵的變頻控制，首先要確定冷卻水泵的最小工作頻率。要保證水泵在最小頻率運行時能夠滿足冷卻水系統(tǒng)的管損設計要求，同時還要滿足制冷機組對冷凝器冷卻水最小流量的限制要求。

如果冷卻水進出水溫差比設計的冷

凝器換熱溫差大，說明冷水機組的實際負荷在變大，壓縮機的電流也在變大，機組需要更多的冷卻水量來帶走冷水側熱交換來的熱量，此時可通過提高冷卻泵的轉速來加大冷卻水的循環(huán)流量；如果溫差在減小，說明冷水機組的實際負荷在變小，壓縮機的電流也同時在變小，此時可以降低冷卻泵的轉速來減小冷卻水的流量，既能保證機組的高效穩(wěn)定運行，又減小了冷卻水泵自身的能量消耗。因此，冷卻水泵的轉速調節(jié)可以根據(jù)冷卻水的進出水的溫差或壓縮機電流反應的實際負載率來控制。

（1）冷卻水進出水溫差控制法

設定變頻器最小頻率，設定冷卻水進出水溫差值，設定冷卻水出書溫度值。實時檢測冷卻水進、水溫度及溫差，在冷卻水出水溫度低于設定值時，按冷卻水進、出水溫差控制冷卻泵頻率，即當冷卻水進出水溫差高于設定值時，PID控制變頻器頻率自動增加；當冷卻水進出水溫差低于設定值時，PID控制變頻器頻率自動減小。若冷卻水出水溫度高于設定值，則優(yōu)先控制頻率自動增加。

（2）機組負載率跟隨控制法

冷水機組運行時，壓縮機電流的大小直接反應了系統(tǒng)負荷的大小，同時反應的也是冷卻水需要帶走的熱量的多少。因此可以根據(jù)壓縮機的負荷情況來調整冷卻水的流量，使其能夠相互匹配并達到節(jié)能的目的。鎖定冷卻水泵運行的下限頻率，取機組壓縮機實際運行電流占額定運行電流的比值為機組負載率，并結合冷卻水出水溫度信號來調節(jié)冷卻水泵的頻率。

1）當機組負載率低于40%（可設定）時，冷卻水泵以最小流量運行；

2）當機組負載率在40%～60%（可設定）之間時，冷卻水泵在額定流量的60%～80%（可設定）之間運行；

3）當機組負載率在60%～80%（可設定）之間時，冷卻水泵在額定流量的80%～100%（可設定）之間運行；

4）當機組負載率高于80%（可設定）時，冷卻水泵以額定流量運行；

通過實際流量與目標流量的比較，PID控制冷卻水泵的頻率。

同時當冷卻水出水溫度高于設定值時，頻率優(yōu)先無極上調，當冷卻水出水溫度低于設定值時，則按負載率變化進行調節(jié)。

綜上所述，雖然目前溫差控制法是當前行業(yè)中應用比較多的控制方法，但溫度信號在傳遞過程中通常存在一定的遲滯，所以通過機組負載率調節(jié)冷卻水泵頻率可以比前者更及時也更節(jié)能。

2.3.2 冷卻塔風機的變頻控制

冷卻塔的基本原理是利用水在和空氣接觸過程中的蒸發(fā)作用將水中來自冷凝器的熱量交換出去。在熱量交換的過程中，除了因水溫度和空氣干球溫度的差值而進行的顯熱交換過程外，還包括水分子向不飽和空氣中蒸發(fā)而進行的潛熱交換。一旦空氣的相對濕度過大，空氣由不飽和狀態(tài)達到飽和狀態(tài)，水分子的蒸發(fā)就會處于一種動平衡狀態(tài)，潛熱交換就會終止，水溫的下降就會越困難。因此空氣濕球溫度的高低決定了冷卻塔的散熱能力，即空氣濕球溫度比冷卻塔的出水溫度低的越多，冷卻塔的冷卻效果就會越好，反之越差。

因此，冷卻塔風機的變頻控制除了2.2節(jié)提到的根據(jù)機組冷卻水入水溫度進行控制的方法外（只考慮顯熱交換），為了進一步提高冷卻塔的冷卻效率，可以以冷卻塔出水溫度與環(huán)境濕球溫度的差值做為控制對象，通過PID控制方式（將變頻范圍進行控制，限制調節(jié)變頻步幅，增加退出/進入變頻調節(jié)限制邏輯）實現(xiàn)冷卻塔風機的變頻調節(jié)，在可靠性的基礎上實現(xiàn)節(jié)能要求。

通過實時檢測并計算室外環(huán)境濕球溫度和機組冷卻水入水溫度（接近冷卻塔出水溫度）的差值，以冷卻塔的設計接近溫度τ=（機組冷卻水入水溫度-環(huán)境濕球溫度）為其控制目標，自動調節(jié)風扇轉速。結合冷卻塔的實際換熱效果，可將風扇轉速調節(jié)范圍設為70%～100%，風扇變頻器固化頻率上限為50Hz，下限為30Hz。

2.4 冷卻水旁通控制

在機組仍需要運行制冷工況，但環(huán)境溫度已經(jīng)很低的情況下，即使冷卻塔不開，冷卻水溫可能還會低于20℃，這種情況下如果冷卻水泵為變頻控制，可降低冷卻泵頻率來減少冷卻水流量，來使機組冷凝器冷凝壓力不會過低；但如果冷卻水泵為非變頻泵或變頻泵已降至最低頻率，但冷卻水溫仍然過低的情況下就需要開啟冷卻水旁通閥，使部分冷卻水直接從冷凝器出水口回流至冷凝器入水口，而不經(jīng)過冷卻塔，來保證冷凝溫度的穩(wěn)定。

通常可以以機組冷卻水入水溫度做為控制對象，通過PID控制方式調節(jié)旁通開度，來調節(jié)冷卻水的溫度，保證機組在冬季或過渡季節(jié)的正常運行。

3 工程實踐

青島某金融中心寫字樓，建筑面積約4.2萬m2，原系統(tǒng)采用冷卻水泵定頻及冷卻塔風機啟?？刂?，整體能效較差，制冷成本及每年的維護保養(yǎng)費用均很高。該項目于2015年進行了改造，配套的冷卻水泵、冷卻塔風扇等設備改為變頻控制。

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)采用2臺45kW變頻水泵（1用1備），水泵的運行頻率范圍對應機組實際負荷率范圍，并根據(jù)主機能量位確定目標流量，對冷卻水泵的頻率進行PID調節(jié)；冷卻塔采用了2臺30kW閉式冷卻塔，冷卻塔臺數(shù)的控制受主機機頭運行數(shù)量影響，而冷卻塔風機的頻率則根據(jù)環(huán)境濕球溫度與冷卻塔出水溫度的差值和設定的目標值進行PID調節(jié)。并實時結合環(huán)境濕度和冷卻水入口溫度對目標值進行修正，確保冷卻塔風機高效節(jié)能運行。

該項目通過2015年整個制冷季的運行，充分驗證了整套控制方案的穩(wěn)定性和可靠性，改造后每年可節(jié)省80余萬元制冷運行費用，其節(jié)能效果非常明顯。

4 結語

（1）結合冷水機組的使用情況，通過冷卻水泵及冷卻塔的變頻控制，可使冷水機組冷卻側有明顯的節(jié)能效果。

（2）冷水機組冷卻側的節(jié)能控制方法有多種，需結合項目實際情況選擇合適的控制方案并通過多次現(xiàn)場的調試、分析、調整才能達到最好的節(jié)能效果。

[1]梁春生，智勇.中央空調變流控制節(jié)能技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]徐尚志.基于PLC控制的空調冷卻塔循環(huán)水泵的變頻節(jié)能研究[D].廣州：華南理工大學，2014.

[3]蘇丹，變頻器在中央空調循環(huán)水冷卻塔中的節(jié)能應用方案[J].經(jīng)營管理者，2013，（28）:382-382.

Energy Saving Control for the Cooling Side of Chillers

YU Zhen-kun1，REN Li-e2

（1.Xinlituo Energy-saving(Shandong)Co.,Ltd,Qingdao 266109，China；2.LG Air-conditioning(Shandong)Co.,Ltd,Qingdao 266109，China）

This paper mainly introduces several energy-saving control mode and the specific control method of the cooling water pump and cooling tower fan,combined with the project situation to choose the appropriate control mode can achieve the best energy saving effect.

cooling water pump；cooling tower fans；variable frequency；energy saving

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.020

TU831

B

2095-3429（2016）04-0083-03

2016-04-11

修回日期：2016-06-20

于振坤（1982-），男，山東青島人，學士，助理工程師，主要從事中央空調節(jié)能控制系統(tǒng)的開發(fā)工作。