一種空調(diào)冷水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行控制方法的介紹

王子涵

摘要：本文介紹了“剪切和響應(yīng)”設(shè)定值重設(shè)控制邏輯及其在空調(diào)冷水系統(tǒng)運(yùn)行控制中的一種應(yīng)用方法。該控制方法可以根據(jù)空調(diào)末端供冷量需求對(duì)冷凍水供水溫度和循環(huán)水泵控制壓差設(shè)定值進(jìn)行重置，從而提高降低空調(diào)冷水系統(tǒng)整體能耗。

關(guān)鍵詞：冷水系統(tǒng);剪切與相應(yīng);設(shè)定值;重置;控制;能耗;供水溫度;循環(huán)水泵;控制壓差

目前暖通空調(diào)領(lǐng)域新建空調(diào)冷水系統(tǒng)通常會(huì)通過自動(dòng)調(diào)節(jié)冷機(jī)出水溫度和冷水循環(huán)泵變流量運(yùn)行的方式來提高冷水系統(tǒng)的制冷效率，即在部分負(fù)荷的工況下降低系統(tǒng)能耗。但其自控方法普遍存在以下幾點(diǎn)問題。第一，冷機(jī)出水溫度的調(diào)節(jié)通常根據(jù)室外空氣參數(shù)由控制系統(tǒng)計(jì)算確定。然而室外空氣參數(shù)與室內(nèi)負(fù)荷之間的函數(shù)關(guān)系通常根據(jù)新建項(xiàng)目具體特性有很大差異。在冷水系統(tǒng)運(yùn)行過程中，實(shí)際冷水供水溫度往往會(huì)偏離最優(yōu)溫度;第二，循環(huán)水泵的控制邏輯通常以保證最不利末端（或供回水總管）壓差值恒定為目標(biāo)對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。由于該壓差值為系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下空調(diào)冷水達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)的管路壓降，當(dāng)系統(tǒng)處在部分負(fù)荷工況時(shí)，該壓差值會(huì)大于實(shí)際需要，使末端電動(dòng)兩通調(diào)節(jié)閥開度減小，造成額外能耗。為解決上述兩點(diǎn)問題，從而進(jìn)一步提升冷水系統(tǒng)的制冷效率，本文將介紹一種冷水機(jī)組供水溫度和循環(huán)水泵控制壓差值自動(dòng)重置的控制邏輯。該控制邏輯通過檢測各末端空調(diào)設(shè)備冷水盤管處電動(dòng)兩通調(diào)節(jié)閥開度來對(duì)設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使出水溫度和管道壓差值在部分負(fù)荷工況下低于設(shè)計(jì)工況時(shí)的對(duì)應(yīng)數(shù)值并符合末端實(shí)際供冷需求，從而降低系統(tǒng)能耗。

1“.剪切和回應(yīng)”設(shè)定值重置控制邏輯

“剪切和回應(yīng)”設(shè)定值重置控制邏輯可用于重置壓力、溫度及其他空調(diào)系統(tǒng)中的變量。其基本原理是每隔一個(gè)時(shí)間（T），對(duì)初始設(shè)定值（SP0）進(jìn)行一次“剪切”，即減小（或增大）設(shè)定值，減小（增大）量為一固定值（SPtrim）。由于設(shè)定值降低導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)無法滿足某個(gè)末端空調(diào)區(qū)的要求時(shí)，控制系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)“需求”記錄。當(dāng)“需求”數(shù)量（R）達(dá)到某一閾值（i）時(shí)，控制系統(tǒng)開始反方向改變設(shè)定值作為“回應(yīng)”。與剪切量（SPtrim）為固定值不同，“回應(yīng)”量為“需求”數(shù)量（R）的函數(shù)，其值為SPres*（R-i）。其中SPres為每個(gè)單位“需求”的“回應(yīng)”量，為一常數(shù)?？梢钥闯?，R值，即“需求”數(shù)量越大，“回應(yīng)”量也越大。隨著設(shè)定值的反方向調(diào)節(jié)，當(dāng)“需求”數(shù)量不再高于閾值（i），設(shè)定值繼續(xù)以固定的速率“剪切”（每T時(shí)長剪切SPtrim）。其中，“剪切”量SPtrim應(yīng)該比單位“回應(yīng)”量SPres小，原因在于緩慢的“剪切”速率可以讓系統(tǒng)更穩(wěn)定，而較大的“回應(yīng)”量（SPres）可以讓系統(tǒng)更快的滿足末端空調(diào)區(qū)的需求。而且如果“剪切”量與“回應(yīng)”量相等，有可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)定值“卡住”，即無法變化的情況?？偟膩碚f，該控制邏輯是由各末端空調(diào)區(qū)產(chǎn)生的持續(xù)變化的“需求”數(shù)量（R）驅(qū)動(dòng)的。

顯然，該控制邏輯會(huì)使設(shè)定值出現(xiàn)周期性的波動(dòng)。但由于“剪切量”，即SPtrim，足夠小，所以整個(gè)波動(dòng)是個(gè)相對(duì)緩慢而溫和的過程，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成干擾。相反，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，相比于傳動(dòng)的PID控制邏輯，該控制邏輯更容易使系統(tǒng)達(dá)到協(xié)調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，且在避免空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)劇烈波動(dòng)的情況下具備更快的響應(yīng)速度[1]。

需要說明的是設(shè)定“需求”數(shù)量閾值（i可以忽略的“需求”數(shù)量）的一個(gè)主要目的是排除“流氓”空調(diào)末端。所謂“流氓”末端，即由于某些原因?qū)е聜€(gè)別末端的供冷需求始終無法得到滿足，使系統(tǒng)一直存在增大供冷量的趨勢。這種情況如果不設(shè)置閾值，就會(huì)因個(gè)別區(qū)域的異常狀態(tài)導(dǎo)致冷凍水溫度始終保持在最低值，或者循環(huán)水泵一直運(yùn)行在最高頻率運(yùn)行，使空調(diào)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

另外，為了保證“剪切和回應(yīng)”控制邏輯的控制效果，需要對(duì)設(shè)定值的重設(shè)變化范圍及最大“回應(yīng)”量（SPres-max）進(jìn)行設(shè)定，即設(shè)定值只能在上限（SPmax）和下限（SPmin）之間波動(dòng)，而SPres*（R-i）>SPres-max時(shí)，“回應(yīng)”量取SPres-max。

2.冷水機(jī)組供水溫度和壓差設(shè)定值的重置方法

由于冷水機(jī)組的制冷效率會(huì)隨著供水溫度的升高而提高，所以在滿足末端需求的情況下，應(yīng)該盡可能地提高供水溫度。在實(shí)際工程中，空調(diào)系統(tǒng)絕大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷工況，在這些時(shí)段及時(shí)地重置供水溫度設(shè)定值就可以有效降低冷水機(jī)組的能耗。其重置策略應(yīng)該是使需要最低冷水溫度的空調(diào)冷水盤管（最不利末端）的電動(dòng)兩通調(diào)節(jié)閥的閥門開度最大，即冷水供水溫度使最不利末端的供冷能力剛好滿足空調(diào)區(qū)需要。

同樣的，在部分負(fù)荷工況下，空調(diào)房間冷負(fù)荷小于設(shè)計(jì)工況，各末端設(shè)備的電動(dòng)兩通調(diào)節(jié)閥的閥門開度減小。閥門開度的減小意味著循環(huán)水泵的揚(yáng)程大于需要，有一部分水泵做功在冷水輸配過程中轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，造成浪費(fèi)。而且，壓差傳感器的設(shè)置位置約靠近循環(huán)水泵，浪費(fèi)越大[5]。然而，通過及時(shí)降低循環(huán)水泵變頻控制的壓差設(shè)定值，可以在保證空調(diào)系統(tǒng)供冷能力相同的情況下有效較低循環(huán)水泵能耗，從而提高冷水系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。與供水溫度重置的控制策略相似，壓差設(shè)定值的重置策略是使最不利環(huán)路（需要最大揚(yáng)程）的末端電動(dòng)兩通閥調(diào)節(jié)閥全開。

然而，在部分負(fù)荷工況下，重置（升高）供水溫度設(shè)定值雖然可以提高冷水機(jī)組的制冷效率，但也會(huì)同時(shí)降低末端空調(diào)設(shè)備的供冷能力。即在供冷量不變的情況下，系統(tǒng)水流量有所上升，壓差設(shè)定值提高，水泵能耗增加。這就帶來一個(gè)問題，即當(dāng)末端電動(dòng)兩通調(diào)節(jié)閥開度減小時(shí)，控制系統(tǒng)是應(yīng)該重置供水溫度還是重置壓差設(shè)定值。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，在一級(jí)泵冷水系統(tǒng)中，升高供水溫度降低的冷水機(jī)組能耗大于循環(huán)水泵因此而增加的能耗，即使是在輸送能耗相對(duì)較高的系統(tǒng)中。所以在部分負(fù)荷工況下可以優(yōu)先對(duì)供水溫度設(shè)定值進(jìn)行重設(shè)。在此基礎(chǔ)上，再輔以循環(huán)水泵壓差設(shè)定值重設(shè)，可以將節(jié)能效果最大化，具體控制策略如圖1。

圖1 橫坐標(biāo)表示了冷水系統(tǒng)重設(shè)范圍。控制系統(tǒng)采用“剪切與回應(yīng)”邏輯對(duì)供水溫度和循環(huán)水泵壓差設(shè)定值進(jìn)行重置。當(dāng)系統(tǒng)重置度為0 時(shí)，供水溫度和循環(huán)水泵壓差值為初始設(shè)定值（TSP0，P SP0），即設(shè)計(jì)供水溫度和設(shè)計(jì)壓差值。隨著冷負(fù)荷減小，控制系統(tǒng)根據(jù)“剪切與回應(yīng)”邏輯先調(diào)高冷水供水溫度，直到R-i≤0，或供水溫度設(shè)定值達(dá)到最大（TSPmax）。其中供水溫度最大值可以設(shè)定為比末端空氣處理設(shè)備最低出風(fēng)溫度高2℃，以保證末端設(shè)備的除濕能力。若供水溫度設(shè)定值達(dá)到最大（TSPmax）時(shí)，R-i仍然大于0，則控制系統(tǒng)開始調(diào)低循環(huán)水泵壓差設(shè)定值，直到R-i≤0，或循環(huán)水泵設(shè)定值達(dá)到最?。ā鱌SPmin），即重置度100。在這種控制方法的實(shí)際執(zhí)行過程中，很少會(huì)出現(xiàn)循環(huán)水泵壓差設(shè)定值重置程度較高的工況，原因在于冷水溫度的重置對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)制冷量的調(diào)節(jié)已經(jīng)非常顯著。

需要強(qiáng)調(diào)的是，“剪切與回應(yīng)”控制邏輯在冷水系統(tǒng)中的應(yīng)用前提是各末端閥門為開度可調(diào)型的電動(dòng)兩通調(diào)節(jié)閥，且閥門開度可上傳至控制系統(tǒng)。這對(duì)于國內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管普遍采用開關(guān)型電動(dòng)兩通閥的情況，會(huì)造成一次成本的升高。

3“.剪切與回應(yīng)”設(shè)定值重置控制邏輯的設(shè)計(jì)案例

本段將結(jié)合設(shè)計(jì)案例對(duì)“剪切與回應(yīng)”控制邏輯的實(shí)施進(jìn)行進(jìn)一步闡述。該案例為包括冷源和末端空調(diào)在內(nèi)的一級(jí)泵變流量冷水系統(tǒng)。每個(gè)末端空調(diào)冷水盤管均配備電動(dòng)兩通調(diào)節(jié)閥，且具備閥門開度反饋功能?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)末端電動(dòng)兩通調(diào)節(jié)閥開度通過“剪切與回應(yīng)”控制邏輯對(duì)冷水機(jī)組的供水溫度進(jìn)行重置。相關(guān)控制參數(shù)的設(shè)定情況如表-1

控制過程描述如下：

控制系統(tǒng)確認(rèn)冷水機(jī)組啟動(dòng)15分鐘后開始重置供水溫度設(shè)定值，每隔10分鐘重置一次，每次調(diào)高0.5℃。隨著供水溫度升高，末端空調(diào)設(shè)備為了保證空調(diào)區(qū)供冷量滿足需求增大電動(dòng)兩通調(diào)節(jié)閥開度。在空調(diào)區(qū)負(fù)荷和冷水供水溫度的變化之下，若有兩個(gè)以上末端電動(dòng)兩通調(diào)節(jié)閥開度大于95，系統(tǒng)開始降低供水溫度作為“回應(yīng)”。降低值為-1*（R-i）。具體案例如下：

冷水機(jī)組在8：45啟動(dòng)。供水溫度設(shè)定值SP0為 7℃。15分鐘的延遲后，即9：00，冷水供水溫度重置開始?？刂葡到y(tǒng)收到1 個(gè)“需求”（R=1），由于R-i<0，無需“回應(yīng)”，“剪切”供水溫度到7.5℃;9：10，控制系統(tǒng)收到2個(gè)“需求”（R=2），由于R-i=0，無需“回應(yīng)”，“剪切”供水溫度到8.0℃;9：20，控制系統(tǒng)收到2 個(gè)“需求”（R=2），由于R-i=0，無需“回應(yīng)”，“剪切”供水溫度到8.5℃;9：30，控制系統(tǒng)收到3 個(gè)“需求”（R=3），由于R-i=1>0，回應(yīng)量SPres為-1℃，重置供水溫度凈值為-1+0.5=-0.5℃，供水溫度變?yōu)?℃;9：40，控制系統(tǒng)收到4 個(gè)“需求”（R=4），由于R-i=2，回應(yīng)量SPres為-1*（4-2）=-2℃，重置供水溫度凈值-2+0.5=-1.5℃，由于供水溫度最低設(shè)定值為7℃，供水溫度變?yōu)?℃;

根據(jù)以上描述可以看出，控制邏輯具有調(diào)高供水溫度至上限（最為節(jié)能）的趨勢，但“回應(yīng)”動(dòng)作可以保證當(dāng)末端空調(diào)設(shè)備供冷量不足時(shí)水溫可以迅速進(jìn)行調(diào)節(jié)到位。

4.??? 結(jié)束語

參考國外標(biāo)準(zhǔn)，ASHRAE standard90.1對(duì)冷水系統(tǒng)的供水溫度和壓差設(shè)定值的重置功能有明確要求。但國內(nèi)新建項(xiàng)目目前普遍仍然采用恒定壓差設(shè)定值的控制方法對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行變頻控制，且供水溫度重置的控制方法也無法準(zhǔn)確體現(xiàn)各末端空調(diào)區(qū)的實(shí)際供冷需求。導(dǎo)致新建冷水系統(tǒng)仍具有較大的節(jié)能空間。而本文介紹的遵循“剪切與回應(yīng)”控制邏輯對(duì)冷水供水溫度和循環(huán)水泵控制壓差進(jìn)行重置的控制方法，可以在保證冷源供冷能力滿足末端需求的同時(shí)有效降低冷水系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)整體效率。該控制方法會(huì)雖然會(huì)導(dǎo)致被調(diào)參數(shù)周期性波動(dòng)，但其波動(dòng)過程相對(duì)緩慢而溫和，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成干擾，較傳統(tǒng)PID控制邏輯更容易使系統(tǒng)達(dá)到協(xié)調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]?? StevenT.Taylor，ResettingSetpointsUsingTrim&RespondLogic，ASHRAE JOUNAL.

[2]?? Taylor，S.Increasing efficiency with VAV system VAV system static pressure static pressure setpoint reset，ASHRAE Journal49（6）：24-32，2007.

[3]?? ANSI/ASHRAE/IES Standard90.1-2013，Energy Conservation in New Buildings Except Low-Rise Residential Buildings.

[4]?? Steven T.Taylor，P.E.，Optimizing Design&Control Of Chilled Water Plants Part5：Optimized Control Sequences，ASHRAE Journal，June2012.

[5]?? 黃皓明，董寶春，史杰，變流量系統(tǒng)中的幾種控制方法，能源技術(shù)1005-7439{2008}04-0236-04.