中央空調控制系統的能源優化研究

海口市城市規劃設計研究院東莞設計部 梁斯麒

中央空調控制系統的能源優化研究

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能源是發展國民經濟的重要因素，建設節能型社會，促進經濟可持續發展，是構建和諧社會的重要基礎保障?；诖?，本文闡述了中央空調系統的原理，分析了中央空調系統存在的問題，并提出中央空調系統變流量節能的控制措施。

中央空調控制系統 能源優化

中央空調是現代建筑中不可缺少的能耗運行系統。中央空調系統在給人們提供舒適的生活和工作環境的同時，又消耗了大量的能源。根據有關資料的統計，我國建筑物能耗約占能源總消耗量的30%，有中央空調的建筑物中，中央空調部分大概占70%，而且呈逐年增長的趨勢。由此可見，對中央空調的能源系統進行控制，可以減少無效能耗、減少熱量排放，對于提高能源利用效率具有重要的經濟效益和社會效益。

一、中央空調系統的原理

中央空調系統主要由制冷機、冷卻水循環系統、冷凍水循環系統、風機盤管系統和散熱水塔組成。制冷機通過壓縮機將氣態制冷劑壓縮，高壓氣態制冷劑進入冷凝器，與冷卻循環水進行熱交換，由冷卻水泵將帶有熱量的冷卻水送到散熱水塔上由水塔風扇對其進行噴淋冷卻，與大氣之間進行熱交換，將熱量散發到大氣中去；冷凝形成的液態制冷劑進入蒸發器中，與冷凍水進行熱交換，將冷凍水溫度降低，冷凍水泵將低溫冷凍水送到各風機風口的冷卻盤管中，由風機吹送冷風達到降溫的目的。如圖1所示。

圖1 中央空調系統的原理

二、中央空調系統存在的問題

1. 空調負荷要求的不均勻性

在中央空調設計時為保證在大氣溫度最高的情況下能滿足使用要求，所以按最大負荷設計并有15%左右的富裕量，而平時使用時并不能達到滿負荷，所以存在較大裕度，其中制冷主機可以根據負載變化自動加載、卸載，而水泵的流量卻不能隨制冷主機而調節，必然存在很大的能量浪費；除此之外，每年的氣象條件是隨季節呈周期性變化的。

2. 電機起停頻繁

電機起停頻繁時，對設備長期安全運行會帶來不利影響。起動電流通常為額定值的5倍左右，電機在如此大的電流沖擊下，進行頻繁的起停，對電機、電網帶來一定沖擊。

3. 冷卻水系統的不足

從設計角度考慮，冷卻水泵電機的容量是按照最大換熱量（即環境氣溫最高、且所有場所的空調都開足）的情況下，再取一定的安全系數來確定的。而通常情況下，由于季節和晝夜氣溫的變化以及開機數目的不足，實際換熱量遠小于設計值，因此，電機容量遠大于實際負荷，出現了大馬拉小車的情況。

再從冷卻水流量考慮，冷卻水的作用是要及時將冷凝器中的熱量帶走，以保證制冷機能正常工作。從節能的角度看，只要能保證制冷機能正常工作，冷卻水流量越小，所做的無用功就越少，節能也就越明顯。根據流量公式Q=S*V，過去由于交流電機的轉速不可調，只能通過調節節流閥、改變管道截面積S的方式來調節流量Q，節流閥的存在對水流產生阻力，從而產生節流損耗，并且會引起機械振動和產生噪音。

4. 冷凍水系統的不足

冷凍水泵的作用是將經制冷機降溫的冷凍水通過輸送管道送到中央空調的各出風口處的風機盤管組件中，對環境起降溫作用，冷凍水的流量與冷凍水泵的轉速成正比，當冷凍水泵轉速高時，冷凍水的流量大，流速也快。因此，當冷凍水流過風機盤管組件時還沒有充分的時間將所攜冷量全部釋放完，就又返回到制冷機去了，因此冷凍水泵電機做了很多無用功，這些都是不必要的能耗。

若能夠調節冷凍水泵電機的轉速，根據實際熱負荷的大小來調節冷凍水的流量（實際上是調節交換冷量的大?。┖土魉?，以便讓冷凍水在風機盤管組件中有充分的時間釋放與熱負荷大小相當的冷量，冷凍水泵電機的功耗可大大降低。中央空調雖然存在以上不足，但因其在保持大樓立面外觀、保證室內空氣品質和綜合空調效果等方面的優越性而一直是空調方案的首選，廣泛采用中央空調系統同時，節能問題不容忽視。

三、中央空調系統變流量的節能控制

變頻技術是在交流電動機和電網電源之間，裝一個頻率可變化的裝置，它的輸出頻率可隨著生產機械的需要而變化。變頻器全稱為變頻變壓調速器VVVFI（Variable Voltage&Variable Frequeney inverter），是把工頻電源（50Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實現電機變速運行的設備。

交流變頻調速技術是將電力電子、自動控制、微電子、電機學等技術集成的一項高新科技。它以其優異的調速性能、顯著的節能效果以及在國民經濟各領域廣泛的適用性而被國內外公認為是世界上應用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動方案，是電氣傳動的發展方向。它為提高產品質量和產量，節約能源、降低消耗，提高企業經濟效益提供了重要的新手段。

在中央空調水系統中，最主要的運行設備是水泵。水泵調速運行節電的理論之一是水泵學比例律。由水泵學比例律可知，對于同一臺水泵，當以不同轉速運行時，水泵的流量Q，揚程H，軸功率P與轉速n有如下關系：

流量與轉速成正比，揚程與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。由此可見，當降低轉速時，功率的減少量遠比流量的減少量大得多。因此，控制水泵的轉速可以有效地控制水泵的消耗功率，這就是中央空調系統高效節能的基礎。

交流異步電機的輸出轉速公式為：

式中n為交流電機的轉速；f為廠電網電源的頻率（我國為50Hz）；p為極對數；s為轉差率。

將變頻器的輸出頻率記為fh，代入公式得：

由上式可知，在轉差率變化不大時，交流電機的轉速基本和fh成反比，所以改變電源頻率可以改變電動機的轉速。

通過頻率變化來改變電機轉速與傳統變速方法相比有以下優點：①調速范圍廣；②可實現無級平滑調速；③能做到與直流調速不相上下的程度；④啟動為軟啟動，減小了啟動電流對電網的沖擊。

中央空調水系統中，其冷卻水泵、冷凍水泵和冷卻塔風機的容量是按照最大熱交換的情況設計的，由于外界因素的影響，實際的熱交換量遠小于設計值。最初大多采用改變投入運行水泵和風機臺數的方法，這種步進式控制基本上不可能實現跟蹤負荷變化，無法按需供給冷（熱）量?？照{中熱交換量的大小主要取決于冷卻水或冷凍水的流量以及風機的轉速，其中水的流量取決于水泵電機的轉速。采用變頻調速系統，根據末端負荷的變化動態調節水泵驅動電機的輸入頻率，從而調節水泵的轉速，達到水泵調節供水流量的目的，減小水泵的輸送動力，可以起到節能的目的。隨著變頻器技術的成熟及其價格的大幅下降，越來越多的工程師開始認識到在空調水系統中應用變頻器改變水泵轉速所帶來的巨大效益。

對中央空調設備，除了選擇效率高的空調設備外，如果能在控制方面找到方法，采用合適的控制策略，用現在化控制技術代替傳統的控制技術，對建筑節能具有重要的意義，而未來智能建筑的暖通空調系統也應當能充分體現智能建筑舒適、節能兩大特點。合理計算暖通空調系統的實際負荷量，并由此對系統的設備進行最優控制，根據實際所需負荷改變其運行工況，必會產生明顯的經濟效果，大大推動空調節能的發展，對緩解當前能源緊張的局面大有裨益，這就對控制系統的性能提出了更高的要求，從而也對傳統的控制算法和方法提出了新的挑戰。最初，大部分（包括空調的）變頻器采用傳統的PID控制，近幾年，將智能控制技術與變頻控制相結合成為研究的熱點。

四、結語

本文在介紹中央空調系統的原理的基礎上，分析了變流量空調系統的和實現方法：將變頻技術和智能控制中央空調的控制。使用變頻器控制泵的利用頻率變化改變電動機的轉速來調節泵的流量，則既可以靈活地根據實際負荷的調整流量，方便的實現恒溫控制，又可以節約大量能量。同樣，對冷卻塔的散熱風由于季節、天氣和時段的變化，并不是總需要風扇運行在工頻對應的額定轉速，可據實際情況通過變頻器來調速，以達到良好的節能效果。

[1]梁春生，智勇等．中央空調變流量節能控制技術[M]．北京:電子工業出版社，2005

[2]唐軍，莫珊，萬良，梁春生，智勇．中央空調系統變流量節能技術及實現方法[J]．現代機械，2006，4

[3]何耀東．中央空調實用技術[M]．北京:冶金工業出版社，2006

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