空調(diào)水系統(tǒng)變頻節(jié)能技術(shù)工程應(yīng)用與分析

（北京建工國(guó)際建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100055）

0 引言

在能源緊缺與環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重的當(dāng)前，節(jié)能減排逐漸引發(fā)人類廣泛關(guān)注。建筑中央空調(diào)系統(tǒng)涵蓋冷機(jī)、水系統(tǒng)、風(fēng)道系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，其中建筑能耗在能源消耗中的占比較大，而建筑的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)耗能又是整體建筑能耗的主要方面，且以空調(diào)水系統(tǒng)耗能占比最大。在中央空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)過程中，往往采用高配比設(shè)計(jì)方案，考慮建筑系統(tǒng)部分負(fù)荷特性。研究表明：建筑空調(diào)系統(tǒng)很少在滿負(fù)荷下工作，大部分是在75%左右負(fù)荷條件下運(yùn)行，需不斷優(yōu)化控制系統(tǒng)。因此，為降低中央空調(diào)系統(tǒng)整體耗能水平，需從優(yōu)化中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)入手。

1 空調(diào)水系統(tǒng)組成及工作原理

中央空調(diào)水系統(tǒng)包括制冷機(jī)組、冷凍/冷卻水泵、供/回水管路、冷卻塔及末端裝置等，其中制冷機(jī)組可采用蒸汽壓縮式系統(tǒng)、吸收/吸附式系統(tǒng)、噴射式系統(tǒng)等，系統(tǒng)運(yùn)行的冷凝熱由冷卻水泵送至冷卻塔處理后排出，蒸發(fā)器內(nèi)，冷凍水與低溫低壓冷媒進(jìn)行充分換熱，利用低壓液態(tài)冷媒的蒸發(fā)吸熱作用降低冷凍水溫度，并通過冷凍水泵送至室內(nèi)末端，一般為風(fēng)機(jī)盤管末端，并通過末端電動(dòng)調(diào)節(jié)閥裝置進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。末端裝置內(nèi)空氣-水側(cè)的換熱溫差一般為7～12℃，冷凍水溫度通常通過冷機(jī)及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，末端風(fēng)機(jī)盤管裝置主要包括翅片管式換熱器、貫流式風(fēng)機(jī)，翅片管換熱器可實(shí)現(xiàn)冷凍水與空氣的充分換熱（當(dāng)冷機(jī)狀態(tài)切換轉(zhuǎn)為制熱運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管裝置內(nèi)循環(huán)的是冷卻水），通過對(duì)冷凍水/冷卻水溫度及流量的控制滿足房間內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的舒適性需求。

2 空調(diào)水系統(tǒng)變頻節(jié)能技術(shù)原理

中央空調(diào)水系統(tǒng)的主要耗能部件為水泵，空調(diào)水系統(tǒng)變頻節(jié)能也需從冷凍水及冷卻水水泵的變頻節(jié)能入手。傳統(tǒng)空調(diào)水系統(tǒng)均采用定頻式水泵設(shè)計(jì)，水泵轉(zhuǎn)速不變，因而水系統(tǒng)中水流量通常是恒定的，這種定頻式方案主要考慮到流速對(duì)換熱系數(shù)、管壁腐蝕及防凍結(jié)特性的影響，流速越大，換熱系數(shù)越高，但相應(yīng)水泵耗功會(huì)增大；降低水泵頻率，會(huì)降低水泵耗功，但換熱系數(shù)會(huì)降低，同時(shí)管內(nèi)雜質(zhì)易沉淀，造成管道腐蝕或堵塞，且當(dāng)管內(nèi)流速過低時(shí)，水系統(tǒng)管道還有凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。從實(shí)際應(yīng)用上看，管道流速降低產(chǎn)生的上述影響也不是特別明顯，因此，對(duì)水系統(tǒng)的變頻節(jié)能展開合理的設(shè)計(jì)可提升建筑中央空調(diào)系統(tǒng)整體的節(jié)能特性及控制特性。

空調(diào)系統(tǒng)水系統(tǒng)的變頻節(jié)能設(shè)計(jì)需考慮整體系統(tǒng)的部分負(fù)荷運(yùn)行特性，在各部分負(fù)荷點(diǎn)通過電機(jī)頻率的無級(jí)調(diào)節(jié)，適當(dāng)降低水泵頻率，在不影響空調(diào)系統(tǒng)整體負(fù)荷及運(yùn)行穩(wěn)定性的前提下，降低水泵耗功，從而實(shí)現(xiàn)性能提升的目的，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制。依據(jù)水泵工作原理，可得到流量Q、揚(yáng)程H、轉(zhuǎn)速n與耗功p之間的平衡式：

因此，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，耗功受影響程度比流量受影響程度更大，因此與傳統(tǒng)系統(tǒng)中通過閥開度調(diào)節(jié)流量相比，采用變頻水泵調(diào)節(jié)技術(shù)能更好地降低水系統(tǒng)能耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)能耗的優(yōu)化控制。

3 空調(diào)水系統(tǒng)變頻節(jié)能

涉及冷凍水及冷卻水系統(tǒng)節(jié)能，優(yōu)化后的水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，冷卻水泵用于將系統(tǒng)冷凝側(cè)熱量排至冷卻塔進(jìn)行耗散，而冷凍水泵則將低溫水送至室內(nèi)側(cè)末端，吸收室內(nèi)側(cè)熱量，達(dá)到制冷目的。在冷凍水和冷卻水泵前后均布置溫度傳感器檢測(cè)泵前水系統(tǒng)溫度，系統(tǒng)內(nèi)冷卻水及冷凍水泵均采用無級(jí)變頻型水泵。

圖1 水系統(tǒng)變頻節(jié)能優(yōu)化結(jié)構(gòu)

在上述系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，溫度傳感器探測(cè)到冷卻水進(jìn)出口溫度及冷凍水出口溫度后，將溫度信號(hào)傳至水泵的變頻驅(qū)動(dòng)模塊，變頻驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)此類溫度模擬信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，并傳至PLC模塊，繼而根據(jù)溫差值進(jìn)行流量判定，根據(jù)流量判定值（偏大或偏?。┰O(shè)定流量系數(shù)，水泵會(huì)根據(jù)流量系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整或水泵開啟數(shù)量的控制與切換，因此水泵內(nèi)流量的控制主要受輸入變頻模塊的溫度信號(hào)進(jìn)行控制，同時(shí)，為確保水系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，避免流量過低造成管道腐蝕或水系統(tǒng)凍結(jié)，需設(shè)置流量保護(hù)限值，當(dāng)水系統(tǒng)流量低于某范圍值時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)判定流量過低，開啟強(qiáng)制升頻操作，以維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在通?？刂浦校鋮s水進(jìn)出水溫差增大時(shí)，水泵升頻；反之，水泵降頻。

4 工程應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，受安裝環(huán)境、機(jī)組性能、水系統(tǒng)及風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的影響，中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能方案設(shè)計(jì)也不盡相同，需結(jié)合具體工程應(yīng)用采取合理的節(jié)能優(yōu)化方案，因此，結(jié)合具體項(xiàng)目應(yīng)用，采取合適的改造方案，并進(jìn)行后續(xù)的效益評(píng)價(jià)，評(píng)估方案可行性。

4.1 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目為商用寫字樓建筑中央空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)中制冷主機(jī)采用溴化鋰吸收式系統(tǒng)，設(shè)備機(jī)房位于地下1層，該商業(yè)寫字樓項(xiàng)目中央空調(diào)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，在水系統(tǒng)中，分別配置了2臺(tái)冷凍水水泵與4臺(tái)冷卻水水泵，改造前水泵均為定頻運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速不變，存在啟動(dòng)電流大、振動(dòng)和損耗大等問題，由于定頻水泵在啟動(dòng)時(shí)頻率直接升至工作頻率，啟動(dòng)電流會(huì)超過水泵電機(jī)額定電流，易發(fā)生水錘現(xiàn)象，運(yùn)行過程中，電機(jī)噪聲大，外殼溫度高。此外水泵定頻運(yùn)行時(shí)，對(duì)水系統(tǒng)中冷卻水及冷凍水的量要求較高，也會(huì)加劇污染，且降低水泵運(yùn)行效率，不利于整個(gè)水系統(tǒng)能耗的有效控制。

圖2 某商業(yè)寫字樓項(xiàng)目中央空調(diào)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 改造方案

考慮到該空調(diào)水系統(tǒng)中水泵及冷卻塔數(shù)量配置，存在多種改造方案組合，理論上講，對(duì)各水泵均配置1臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)模塊可達(dá)到最優(yōu)控制效果，同時(shí)也會(huì)造成系統(tǒng)初投資的增加，因此在系統(tǒng)改造方案中，充分衡量經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能效益及運(yùn)維的安全可靠性等因素，確定最終系統(tǒng)節(jié)能改造方案為：對(duì)2臺(tái)冷凍水水泵各配置1臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)模塊，而對(duì)每2臺(tái)冷卻水泵配置1臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)模塊，冷卻塔風(fēng)機(jī)配置1臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行統(tǒng)一控制。其中各變頻驅(qū)動(dòng)模塊的配置均考慮各功能件（水泵、風(fēng)機(jī)）的運(yùn)行轉(zhuǎn)速及耗功性能，實(shí)現(xiàn)較好匹配。

在變頻驅(qū)動(dòng)控制方面，通過冷凍水進(jìn)出水溫差控制冷凍水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)流量控制，并設(shè)置系統(tǒng)最小流量限制，以確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，而冷卻水流量控制主要受冷卻水溫度的影響，并通過冷卻塔風(fēng)機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)水系統(tǒng)主要運(yùn)行部件間的協(xié)調(diào)性，配置冗余備用系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況及環(huán)境溫度條件進(jìn)行變頻運(yùn)行及定頻運(yùn)行狀態(tài)的切換。

4.3 效益評(píng)價(jià)

根據(jù)本系統(tǒng)改造前后實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比，變頻改造系統(tǒng)控制方案具有較好適用性，能確保系統(tǒng)在高效穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，提升水泵及風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)提效、降低能耗的目的，因此具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

性能對(duì)比方法為：在空調(diào)季，根據(jù)環(huán)境溫度特性，選取氣候條件較為接近的2天進(jìn)行改造前后空調(diào)運(yùn)行性能對(duì)比試驗(yàn)，主要監(jiān)測(cè)參數(shù)為系統(tǒng)耗能情況，當(dāng)然也要確?？照{(diào)系統(tǒng)的日平均負(fù)荷率一致。數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果表明：冷凍水泵節(jié)電率最高，達(dá)55%；整個(gè)對(duì)比試驗(yàn)表明：通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，系統(tǒng)整體耗能將降低約20%。

5 結(jié)語

建筑能耗在能源消耗中的占比較大，而建筑的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)耗能又是整體建筑能耗的主要方面，且以空調(diào)水系統(tǒng)耗能占比最大。為優(yōu)化建筑系統(tǒng)整體耗能水平，需從空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能入手，在各個(gè)部分負(fù)荷點(diǎn)通過電機(jī)頻率的無級(jí)調(diào)節(jié)，適當(dāng)降低水泵頻率，在不影響空調(diào)系統(tǒng)整體負(fù)荷及運(yùn)行穩(wěn)定性的前提下，降低水泵耗功，從而實(shí)現(xiàn)性能提升的目的，實(shí)現(xiàn)整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制，更有助于實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能減排。