某建筑中央空調(diào)設(shè)備節(jié)能運行方案

摘 要：本文以某大型建筑中央空調(diào)的運行方案為例，分析了冷水機組、一級、二級冷凍水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、冷卻水塔風(fēng)機的節(jié)能投運方法。冷水機組的運行臺數(shù)需要根據(jù)用戶負(fù)荷確定，冷水機組啟動時，相應(yīng)的冷凍水一級循環(huán)泵，冷卻水循環(huán)泵需配套投運，而二級冷凍水循環(huán)泵需要根據(jù)用戶負(fù)荷確定其運行臺數(shù)、運行頻率。用戶負(fù)荷可以根據(jù)冷凍水的供回水溫差確定，只有當(dāng)用戶負(fù)荷確定之后，整個系統(tǒng)才能有序運行。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；冷水機組；循環(huán)水泵；節(jié)能控制

中圖分類號：TU831.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0114-04

Design of Energy Saving Operation Scheme for Central Air

Conditioning Equipment in a Building

WANG Ganyi LI Chunyan WANG Ruirui

（School of Building Environment Engineering， Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou Henan 450002）

Abstract： In this paper， the operation plan of a large building central air conditioner was taken as an example. The energy saving and operation methods of chiller， primary and two stage chilled water circulating pumps， cooling water circulating pumps and cooling tower fans were analyzed. The number of operating water chiller should be determined according to the user load， water chiller startup， the chilled water circulation pump， cooling water pump auxiliary operation， while the two stage chilled water circulating pump according to the needs of the user to determine the number of operating load， operation frequency. The user load can be determined according to the temperature difference between the supply and return of the chilled water. The system can run in an orderly manner only when the user load has been determined.

Keywords： central air conditioning；water chiller； frequency conversion；operating parameters

1 研究背景

中央空調(diào)冷水機組及冷凍水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、冷卻塔風(fēng)機、末端風(fēng)機等是系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備，這些設(shè)備一般處于部分負(fù)荷運行，其節(jié)能運行控制是實現(xiàn)建筑節(jié)能減排的關(guān)鍵，對空調(diào)系統(tǒng)智能運行進行最優(yōu)控制，從而節(jié)省空調(diào)能耗，提高設(shè)備運行效率。

表1為部分建筑中央空調(diào)設(shè)備裝機容量。從表1可知中央空調(diào)各設(shè)備的平均占比為：制冷機組55.5%，冷凍水循環(huán)系統(tǒng)8.9%，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)（含冷卻塔風(fēng)機）12.1%，冷量分配設(shè)備（新風(fēng)機組、空調(diào)機組）21.7%，末端盤管設(shè)備為1.8%。從節(jié)能角度來說，對制冷機組、冷凍水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵進行節(jié)能控制是緩解空調(diào)部分負(fù)荷運行的關(guān)鍵[1]。本文以某大型建筑中央空調(diào)為例，研究其運行控制方案。

2 某建筑中央空調(diào)系統(tǒng)概況

某建筑有商場、電影院、辦公樓等區(qū)域，中央空調(diào)系統(tǒng)夏季設(shè)計冷負(fù)荷為33 412kW系統(tǒng)設(shè)備見表2。系統(tǒng)中辦公樓高度為153m，其冷凍水循環(huán)系統(tǒng)豎向分為低區(qū)及高區(qū)，設(shè)置為二級泵系統(tǒng)，低區(qū)一級泵為定流量系統(tǒng)，保證制冷機組的正常運行，一級泵冷凍水的設(shè)計供回水溫度為6℃/11℃；二級泵系統(tǒng)由設(shè)在辦公樓20層，設(shè)備層的板式換熱系統(tǒng)經(jīng)與低區(qū)冷凍水換熱后提供7.5℃/12.5℃冷凍水。系統(tǒng)共設(shè)21臺冷凍水循環(huán)泵，其中9臺為一級循環(huán)泵，12臺二級循環(huán)泵為變頻運行，可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷變化，調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速及流量。每組泵配設(shè)一臺備用水泵。設(shè)計冷卻水的設(shè)計供回水溫度為37℃/31℃。

制冷機房位于地下二層，設(shè)4臺2 000TR（1TR=3 024kCal/h=3.517kW）和3臺500TR的離心式冷水機組。在商場裙樓屋頂設(shè)11組冷卻塔和冷卻塔風(fēng)機（8組散熱量4 400kW和3組散熱量2 200kW）。冷卻塔風(fēng)機采用雙速電機，以適應(yīng)不同工況下的運行操作要求。

一級泵的冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻水塔一對一分組運行。二級冷凍水循環(huán)泵、冷卻塔及風(fēng)機，則根據(jù)相應(yīng)區(qū)域的負(fù)荷情況，決定其運行臺數(shù)及運行頻率。

設(shè)備的運行主要依靠用戶負(fù)荷的情況，其控制過程如圖1所示，確定了用戶負(fù)荷，才能確定機組的運行臺數(shù)及組合。

3 用戶負(fù)荷的確定

計算用戶負(fù)荷，才能確定冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵的運行臺數(shù)、型號和頻率。在實際工程中，可以根據(jù)供回水溫差和流量確定用戶負(fù)荷[2]。

中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的每個區(qū)域均測量其供水溫度、回水溫度、回水流量（見圖2）。每個區(qū)域的用戶負(fù)荷計算公式為：

[Qn=FmcThn-Tsn] （1）

式（1）中：Qn為用戶n的冷負(fù)荷（kJ）；Fm為回水流量（㎏/s）；c為水的比熱（4.186 8kJ/（㎏·℃））；Thn、Tsn為冷凍水回、供水溫度（℃）。

通過式（1），計算匯總回路負(fù)荷，確定各不同區(qū)域的二級冷凍水循環(huán)泵的運行臺數(shù)和頻率。

若二級泵供回水溫度為7.5℃/13.5℃，測得商業(yè)南區(qū)的回水流量為500L/s=500kg/s，則商業(yè)南區(qū)的供冷負(fù)荷為：[Qn=FmcThn-Tsn]=500kg/s×4.186 8kJ/（㎏·℃）×（13.5-7.5）℃=12 560.4kJ/s=12 560kW=3 571.23TR。

此時，商業(yè)南區(qū)的空調(diào)負(fù)荷為3 571.23TR，此區(qū)域單獨運行，需要開兩臺2 000TR的冷水機組。當(dāng)然，要將所有冷負(fù)荷計算完之后，確定開啟冷水機組的臺數(shù)，再通過管路分配冷負(fù)荷的走向。

4 設(shè)備運行控制策略

4.1 冷水機組的運行控制

在計算并匯總整個系統(tǒng)需要的冷負(fù)荷之后，決定冷水機組的啟停臺數(shù)。系統(tǒng)總負(fù)荷計算公式為：

[Q=n=1mQn] （2）

本項目中，冷水機組不做變頻運行，因此，冷水機組的運行屬于階式控制，即用戶冷負(fù)荷增加超過一臺機組提供的冷負(fù)荷時，系統(tǒng)新投入一臺機組運行，此時，機組提供的冷負(fù)荷大于用戶負(fù)荷，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)旁通流量的方式，調(diào)節(jié)用戶實際負(fù)荷，系統(tǒng)的工作效率下降。冷水機組的控制除上述的冷量控制外，也可以采用供回水溫差控制、旁通流量控制等。

冷水機組根據(jù)用戶負(fù)荷的大小投運。機組投運的冷水機組提供的冷量應(yīng)大于等于用戶負(fù)荷[3]。冷水機組七臺分別為2 000TR（A1）×4 500TR（B1）×3，和冷凍水循環(huán)泵采用先并后串的連接方式連接在一起。合計機組制冷量9 500TR，可以相互組合運行，以滿足不同用戶負(fù)荷的需求。每臺冷水機組提供負(fù)荷占比的計算方法，根據(jù)表3，設(shè)計機組運行組合方式，確定冷水機組的運行分組。例如，500/9 500TR/臺=5.26%；2 000/9 500TR/臺=21.05%。

4.2 冷凍水系統(tǒng)的運行控制

4.2.1 冷凍水一級泵系統(tǒng)的控制。冷凍水一級泵需要保證冷水機組冷凍水的正常流量，以免冷水機組蒸發(fā)器過冷，所以一級冷凍水循環(huán)泵應(yīng)隨相應(yīng)的冷水機組進行啟?？刂?。當(dāng)啟動冷水機組時，為保證冷水機組的正常運行，需要先啟動相應(yīng)的冷凍水一級泵，并在管道流量開關(guān)產(chǎn)生動作信號之后，再啟動冷水機組。由于目前冷水機組大都可以變流量運行，所以，一級泵系統(tǒng)也可以設(shè)計為變頻泵。但本系統(tǒng)中，冷凍水一級泵還是采用定速泵。

4.2.2 冷凍水二級循環(huán)泵的運行控制方法。系統(tǒng)中，二級冷凍水循環(huán)泵采用變頻泵，可以根據(jù)用戶負(fù)荷確定二級冷凍水泵的運行臺數(shù)和頻率。

4.2.2.1 二級泵的變頻運行。頻率和負(fù)荷的對應(yīng)關(guān)系為：

[f1=p2pT] （3）

式（3）中，f1為電機運行頻率；p為電機功率（kW）；T為轉(zhuǎn)矩（N·m）。

當(dāng)使用變頻調(diào)速時，如果用戶負(fù)荷減小，通過降低電機的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。由流體力學(xué)知識可知：輸入功率N=流量（Q）×壓頭（H），因為流量Q∝轉(zhuǎn)速v，壓頭H∝轉(zhuǎn)速v2，所以輸入功率N∝轉(zhuǎn)速v3。用戶負(fù)荷減小時，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速成比例下降，電動機的功率N將按轉(zhuǎn)速三次方關(guān)系大幅度降低，從而達到節(jié)約能源的目的。

采用變頻調(diào)速節(jié)能效果比較明顯，但當(dāng)轉(zhuǎn)速低于40%時，電動機輸入功率下降到額定功率的6.4%，設(shè)備運行受到影響，節(jié)能效果也不明顯，因此，電機的調(diào)速范圍應(yīng)該為40%～100%。在我國50Hz的工頻情況下，運行的頻率大約為20Hz以上[4]。對應(yīng)的頻率計算為：

[f1=20%～100%50Hz=（10～50）Hz] （4）

表4是統(tǒng)計的某型號機組常年實際運行積累的數(shù)據(jù)。從表4可以看出，機組的運行負(fù)荷區(qū)域主要集中于20%～80%。

4.2.2.2 二級泵的運行臺數(shù)。變頻控制時，各循環(huán)泵型號應(yīng)該一致，并要保持運行頻率一致。此時的運行策略應(yīng)該是，當(dāng)用戶流量大于一臺冷凍水循環(huán)泵的流量時，增加投入一臺泵運行；兩臺及以上循環(huán)泵運行時，需要保證水泵壓頭一致，維持泵之間的水力平衡。

4.3 冷卻水系統(tǒng)及冷卻水塔風(fēng)機的運行

冷卻水塔雙速風(fēng)機的轉(zhuǎn)速將按各冷卻水塔冷卻水的出水溫度進行控制及調(diào)整。冷卻水塔按下述程序運行：全速運行→半速運行→間歇低速→半速→停止運行。如果采用變速風(fēng)機，冷卻水塔的出力按下述程序運行：全速運行→變速運行→間歇低速→停止運行。

當(dāng)冷卻水塔的出水溫度不能滿足設(shè)計溫度時，則多開啟一臺冷卻水塔，但必須保持每臺冷卻水塔的水量不能小于設(shè)計流量的50%（風(fēng)機全速運行時）。

5 結(jié)語

本文以實際工程為背景討論了大型中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備控制策略，全部采用定速泵的系統(tǒng)控制主要是階式控制，當(dāng)用戶冷負(fù)荷大于設(shè)備提供的冷負(fù)荷時，投入相應(yīng)設(shè)備運行；當(dāng)系統(tǒng)采用變速泵時，可以根據(jù)用戶冷負(fù)荷選擇相應(yīng)的設(shè)備工作頻率，滿足用戶負(fù)荷需求的同時，節(jié)省運行能耗。

參考文獻：

[1]劉雪峰.中央空調(diào)冷源系統(tǒng)變負(fù)荷運行控制機理與應(yīng)用研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[2]江萍.建筑設(shè)備自動化[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2016.

[3]李玉云.建筑設(shè)備自動化[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[4]王干一.冷水機組部分負(fù)荷變頻運行節(jié)能參數(shù)分析[J].工程技術(shù)，2017（3）：168.