淺析集控系統(tǒng)在水系統(tǒng)中央空調(diào)運行中的節(jié)能作用

摘 要：水系統(tǒng)中央空調(diào)是由熱泵、循環(huán)水泵、空調(diào)箱、風機等通過水管和風管拼裝組合而成的，在沒有集控系統(tǒng)的情況下，設(shè)備的運行相對獨立，無法做到協(xié)同高效，系統(tǒng)的節(jié)能效果有限?，F(xiàn)以上影嘉興影院項目為例，通過對比兩種不同的控制方式，闡述了集控系統(tǒng)在水系統(tǒng)中央空調(diào)運行中的節(jié)能作用。

關(guān)鍵詞：水系統(tǒng)中央空調(diào);風冷熱泵模塊機;集控系統(tǒng);協(xié)同運作;節(jié)能

0 ?引言

空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計時均以全負荷狀態(tài)為設(shè)計依據(jù)，但在實際使用過程中，絕大部分時間空調(diào)系統(tǒng)都是在部分負荷狀態(tài)下運行。在如今全球節(jié)能減排的大背景下，如何讓系統(tǒng)在部分負荷狀態(tài)下以更低的能耗運行就顯得尤為重要。

當前，空調(diào)主機無論是風冷熱泵還是水冷機組在技術(shù)上都能做到無極變頻，自帶的能耗控制模塊完全可以在部分負荷狀態(tài)下實現(xiàn)節(jié)能運行，空調(diào)箱、風機盤管等末端也有簡易的控制程序。但水系統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)作為一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，常規(guī)都是采取多臺熱泵、多臺循環(huán)水泵組合工作的模式，此時僅僅依靠設(shè)備自帶的控制程序遠遠達不到節(jié)能運行的要求，故系統(tǒng)中多臺設(shè)備間的協(xié)同運作尤為關(guān)鍵，例如，主機的運行臺數(shù)及每臺設(shè)備負載率之間的協(xié)調(diào)控制;循環(huán)水泵運行臺數(shù)及頻率的協(xié)調(diào)控制;不同室內(nèi)負荷要求下系統(tǒng)水流量及供回水溫度的協(xié)調(diào)控制等都與系統(tǒng)節(jié)能運行密切相關(guān)。

所以，要解決這些問題就必須要有一個集中控制程序來協(xié)調(diào)控制這些設(shè)備，對系統(tǒng)運行進行整體優(yōu)化，達到降低綜合能耗的目的。本文以上影嘉興影院項目為例，探究空調(diào)集中控制系統(tǒng)（以下簡稱集控系統(tǒng)）在空調(diào)運行中的節(jié)能作用。

1 ?工程實例介紹

上影嘉興影院位于嘉興八佰伴購物中心內(nèi)，整個項目面積約3 850 m2，其中包括8個影廳、1個購票大廳、設(shè)備用房等。影院空間均采用組合式空調(diào)箱，配變頻風機且新風比可調(diào)。冷熱源為8臺風冷熱泵模塊機，每臺設(shè)備均配有電動蝶閥（開關(guān)型）與設(shè)備聯(lián)動，當負荷降低時可關(guān)閉模塊設(shè)備并切斷水系統(tǒng)。與此同時，系統(tǒng)配置了4臺冷熱水變頻循環(huán)泵，互為備用。整個系統(tǒng)配置一套集控系統(tǒng)完成日常的運行、監(jiān)控、記錄等操作。

1.1 ?風系統(tǒng)

空調(diào)風系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

本次風系統(tǒng)設(shè)計所采用的節(jié)能方法為變頻風機和可變新風比[1]的組合，這也是目前常用的節(jié)能方式?？勺冃嘛L比有兩個作用：其一，每套空調(diào)箱的服務(wù)區(qū)域均設(shè)置CO2濃度探測器，新風量可以根據(jù)房間內(nèi)CO2的濃度來控制，在滿足室內(nèi)衛(wèi)生要求的同時又兼顧了節(jié)能運行的要求;其二，控制系統(tǒng)會根據(jù)室外溫濕度的狀態(tài)自行選擇合適的新風量，當室外焓值低于室內(nèi)設(shè)計值時，系統(tǒng)會優(yōu)先調(diào)節(jié)至最大新風量運行，以減小空調(diào)主機的負荷。

需要注意的是，當室外空氣質(zhì)量不好的情況下，新風比不宜過大，現(xiàn)在空調(diào)系統(tǒng)普遍安裝了PM2.5過濾網(wǎng)，大量的室外臟空氣會造成濾網(wǎng)提前失效，從而增加運行成本。另外，當室內(nèi)外焓差不是很大時，原本空調(diào)箱50%的送風量已經(jīng)能滿足室內(nèi)冷負荷要求，如果選擇加大新風量的話，總送風量則可能也需要加大。此時空調(diào)箱的能耗是上升的，如果這個上升的能耗大于空調(diào)主機所節(jié)省的能耗，那反而是增加了整個系統(tǒng)的能耗，這種情況也是系統(tǒng)運行中應(yīng)該避免出現(xiàn)的。

1.2 ?水系統(tǒng)

空調(diào)水系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

由于安裝空間的限制，本次設(shè)計選擇了風冷模塊機。雖然這些設(shè)備較為靈活，但它的能量控制只有5擋（停機;25%負載率;50%負載率;75%負載率 ;全載），還不能做到無極變頻。該系統(tǒng)一共配置了8臺模塊機，并配備了電動蝶閥，使得每臺設(shè)備都可以單獨運行。4臺變頻循環(huán)泵可以匹配主機的各種水量要求。對水系統(tǒng)的控制相對比較簡單，集控系統(tǒng)通過對供回水溫度及流量的監(jiān)測，控制水泵的啟動臺數(shù)、頻率及熱泵主機的啟動臺數(shù)、能級。另外，系統(tǒng)還會監(jiān)測空調(diào)箱的比例積分調(diào)節(jié)水閥的開度。當檢測到閥門開度過小時，在滿足送風溫度的條件下，系統(tǒng)將自動調(diào)節(jié)熱泵出水溫度，以提高熱泵效率，并且防止系統(tǒng)由于水流量過小而產(chǎn)生的水力失調(diào)的情況。

此外，根據(jù)所選設(shè)備的參數(shù)，在集控系統(tǒng)中寫入相應(yīng)的控制程序，可進一步降低系統(tǒng)的運行能耗。以本工程為例，從熱泵各能級能耗表（表1）可以看出，本次所選的風冷模塊機在50%負載率時效率是最高的。換而言之，就是2臺風冷模塊機全載運行的能耗比4臺50%負載率運行的能耗高，那么控制程序就應(yīng)該讓空調(diào)主機優(yōu)先運行在50%的負載率下。同樣根據(jù)變頻水泵綜合效率曲線圖（圖3），設(shè)備效率隨著負載的降低而降低，所以，控制程序應(yīng)該讓變頻泵優(yōu)先運行在高負載下。另外，在負荷非常小的情況下，應(yīng)該讓8臺熱泵主機輪流啟動運行，以避免單臺設(shè)備因過于頻繁啟動而出現(xiàn)故障。

2 ?能耗對比

主要設(shè)備裝機容量如表2所示。

空調(diào)的運行分為全負荷和部分負荷，全負荷運行不在本次討論范圍內(nèi)，本次就空調(diào)系統(tǒng)在制冷季12.5%、25%、50%、75%四種負荷狀態(tài)下分別對無集控和有集控系統(tǒng)運行能耗進行對比分析。這里需要說明，對比數(shù)據(jù)是根據(jù)設(shè)備參數(shù)及運行性能模擬得出的，并非實測值。

不同負荷狀態(tài)的參數(shù)如表3所示。

2.1 ?無集控系統(tǒng)

一般而言，在無集控系統(tǒng)的情況下，主機和水泵的開啟都是由物業(yè)管理人員來完成的，且通常也不會配置變頻水泵，物業(yè)管理人員會根據(jù)經(jīng)驗選擇開啟設(shè)備的臺數(shù)。假設(shè)物業(yè)管理人員經(jīng)驗非常豐富，他能很準確地判斷當前的負荷狀態(tài)，當負荷為75%時，開啟6臺主機和3臺水泵;當負荷為50%時，開啟4臺設(shè)備和2臺水泵;當負荷為25%時，開啟2臺主機和1臺水泵;當負荷為12.5%時，開啟1臺設(shè)備及1臺水泵。

另外，在無集控系統(tǒng)時，空調(diào)箱一般不會配置變頻風機，而新風量必然是固定的，所以無論在哪種負荷狀態(tài)下，空調(diào)箱的送（回）風機都會以最大功率運行，設(shè)備只是通過室內(nèi)的溫度傳感器來控制空調(diào)箱的供水量，以達到室內(nèi)溫度要求。

無集控系統(tǒng)時部分負荷運行能耗匯總表如表4所示。

2.2 ?有集控系統(tǒng)

所有設(shè)備會根據(jù)集控系統(tǒng)的設(shè)定協(xié)同運行。當部分負荷狀態(tài)下，再不是簡單地選擇開啟幾臺熱泵設(shè)備了，集控系統(tǒng)會對比不同能級下的組合來選取效率最高的運行方式。

設(shè)備運行狀態(tài)如表5所示。

上文所述，當室外空氣焓值低于室內(nèi)設(shè)計值時，以最大新風量模式運行相對是比較節(jié)能的。在本次對比中，負荷率12.5%所對應(yīng)的室外焓值低于室內(nèi)設(shè)計值，經(jīng)計算[3]，10 000 m3/h的新風量即可滿足冷負荷要求，所以此時熱泵和循環(huán)水泵均可停止運行。另外，為了保證室內(nèi)空氣有效流動，空調(diào)箱送風量不小于總送風量的50%。

有集控系統(tǒng)時部分負荷運行能耗匯總表如表6所示。

2.3 ?能耗對比

能耗對比匯總表如表7所示。

將兩組數(shù)據(jù)對比后可以看出，在部分負荷下，負荷率越低，采用集中控制系統(tǒng)的節(jié)能效果越明顯，最高節(jié)能率達到了49%，持續(xù)運行下可節(jié)約巨大的運行費用。

3 ?結(jié)語

風冷熱泵、空調(diào)箱等設(shè)備為了滿足使用要求都會配置獨立的自控系統(tǒng)，但整體不是簡單的局部之和。一個節(jié)能的空調(diào)集中控制系統(tǒng)是需要整個系統(tǒng)協(xié)同運作的，不僅要讓系統(tǒng)中所有的設(shè)備運行在高效率區(qū)段，還要讓整個系統(tǒng)的綜合能耗降至最低?？上驳氖?，電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展使得控制元件不再是高不可攀的高科技產(chǎn)品，集控系統(tǒng)的價格有了大幅下降，功能相比之前有了較大提升，暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制水平也取得了長足的進步。

[參考文獻]

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收稿日期：2020-03-18

作者簡介：張兆劼（1981—），男，上海人，工程師，研究方向：工程設(shè)計。