淺析中央空調系統附屬設備的節能控制

于雷

（北京新型材料建筑設計研究院，北京 100044）

中央空調系統全負荷運行時，其附屬設備冷水泵、冷卻水泵及冷卻塔風機耗電約占中央空調總耗電量的12%-15%左右。根據美國空調制冷學會（ARI）的統計；一般空調設備有90%的時間運行在70%負荷以下，因此在部分空調負荷時，冷水泵、冷卻水泵及冷卻塔風機耗電量所占比例將會更高。

目前中央空調系統節能控制大?針對冷水主機，很少針對附屬設備中冷水泵、冷卻水泵與冷卻塔風機做研究，雖然中央空調系統水泵及冷卻塔風機已漸采用變頻節能控制，然變頻實施后節能效果不一，不少空調散熱系統中冷卻塔與冷水主機之間節能運行存在著顧此失彼、因小失大的問題，影響了系統的運行和節能效果。

國內現有的大樓或工、商業等一定規模的中央空調系統中，普遍采用有較高運行效率的水冷式中央空調系統，但其冷卻散熱系統的冷卻水泵和冷卻塔皆按最大空調負荷匹配設置，當空調系統在部分負荷時，由于制冷量小，冷凝熱負荷也小。因此，冷卻散熱系統的冷卻水泵、冷卻塔風機就不需全部投入運行以節約耗能。為了進一步提升中央空調的整體效率，還要針對中央空調散熱系統的運行參數（冷卻水溫度）進度最佳化調節使得整體耗能（包括冷水主機、冷卻塔風機、冷卻水泵的耗能）達到最小。使空調系統的變頻節能工作盡可能做到完美無缺、獲得最大的節能效果。

1 冷卻水溫度最佳化控制

對大中型空調系統而言，水冷式冷水機組是采用得最為普遍的冷源。目前國內的設計標準都把冷卻水供、回水溫度定義為32℃、37℃的運行范圍。這是因為我們對冷水機組性能測定是在冷卻水溫度32℃進入冷凝器，37℃流出冷凝器的條件下定義的。但冷水機組在實際使用時，有90%以上的時間運行在非設計條件（部分負荷）下。此時，不但冷水機組的工作負荷與設計負荷有偏差，而且由于室外氣候條件的變化，冷水機組的工作點也與設計工作點有很大的不同。在各種不同的空調條件下需要進行冷卻水溫度的最佳化控制才能使得整體冷水機組的耗能最低。

對于傳統機械式的冷卻塔，其風機轉速越高，冷卻水的溫度就會越低，此時冷卻塔的耗電越大；但是對于冷水主機來說，冷卻水溫度越低，冷水主機的耗電越少。反之，若冷卻塔轉速越低，冷卻水的溫度就越高，這樣冷卻塔的耗電越少。但對于主機來說，由于進入冷凝器的水溫升高，相應的主機耗電會增加。這里顯然存在一個最佳化控制的問題。

實際上，冷水主機和冷卻塔的整體最低耗能并非確定在某一個固定的冷卻水溫度上，它會隨著室外濕球溫度、冷水主機的負荷的變化而變化。因此，若能在冷卻水系統的運行過程中，及時計算出該時刻的冷卻水最佳化溫度，將其提供給冷水主機的冷凝器，則將減少冷水主機與冷卻塔的整體耗能。

冷卻水溫的調節有許多方法，有冷卻水系統的旁通泵變頻控制，也有冷卻塔風機的兩段風速控制，還有冷卻塔風機的無段變頻控制。采用多部冷卻塔并聯，對風機采變頻調速控制，多部冷卻塔并聯且以較低轉速運行是冷卻塔節能的一個較好方法。

冷卻塔雖然是中央空調系統中的附屬設備，但它卻擔負著散發整個系統所吸收的總熱量的重要任務。因此，對冷卻塔的操作正確與否，直接關系到整個空調系統的制冷效果和節能。冷卻塔出水溫度tct=ts+4℃，ts為濕球溫度，由冷卻塔出水溫度15℃為條件可以推出，室外濕球溫度ts必須小于11℃-12℃。在自控系統中，現行的溫濕度傳感器測量到的參數為室外干球溫度和室外空氣相對濕度，而判斷冷卻塔投入運行量的多寡則是利用室外濕球溫度的大小來衡量的，因此必須從測量到的室外干球溫度ts和室外空氣相對濕度去求出室外濕求溫度，這個求解過程可由空調原理來計算。

2 冷水溫度最佳化控制

中央空調冷水機組在標準條件下系按所規定的冷水回水溫度為12℃，供水溫度7℃溫差為5℃的條件下運行的，對于同一臺冷水機組來說，若運行條件不變，外界負荷固定的情況下，冷水機組的制冷量是一定的。此時，通過蒸發器的冷水流量與供、回水溫差成反比關系，即冷水流量越大，溫差越小；反之，流量越小，溫差越大。所以，冷水機組規定冷水供回水溫差為5℃，這實際上是規定了機組的冷水流量。這種冷水流量的控制實際上為控制冷水通過蒸發器的壓力降。

當冷水出水溫度的設定溫度增加時，冷水主機的耗電量（kW）即可下降，性能系數（COP）則將隨之增大，表示冷水主機于設定較高的冷水出水溫度時，將可獲得較佳的節能效果。但由于實際應用時，某些應用場合空調的要求條件較為嚴格，不允許隨意提升冷水出水溫度，因此若能在空調系統初期規劃設計時，將高冷水溫度系統與低冷水溫度需求的系統分別獨立設計，以不同的冷水主機供給不同冷水水溫必能大幅地減少運行成本及能源。

3 中央空調系統部分負荷運行的節能控制

在空調系統的設計中，顯然，按滿負荷配置的冷卻水系統，在部分負荷時存在著最佳調節問題。在部分負荷時，由于制冷量小，冷凝熱負荷也小。因此，冷卻水系統的水泵、冷卻塔就不需全量投入運行。但是，如果投入量不足，無疑將使冷凝條件惡化，造成冷凝溫度上升，相應的冷凝壓力上升。在壓縮式冷媒循環中，蒸發溫度不變而冷凝壓力（溫度）上升時，壓縮機的功耗增大，循環性能下降。但水系統的能耗減少。因此，在一定條件下，減少冷卻水流量可以使總能耗減少，獲得節能效果。

結語

如前所述，空調系統大部分時間運行在部分負荷狀態下，定頻運行的水泵、風機處于超揚程、超流量的運行狀態，如果采用變頻方法控制水泵、風機的運行，可以解決超揚程、超流量的不利運行條件，同時通過適當的水泵、風機頻率控制策略，可以使水泵、風機運行在高效率區域，并能很好適應系統流量及揚程需求，達到理想的節能效果。

[1]M.A.Bernier and B.Bourret,"Pumping Energy and.variable Frequency Drives,"[J],ASHRAE Journal,pp37-40,2009.

[2]J.R.Brodrick,"Are Fans Blowing Your Energy Budget," [J].HPAC Engineering,pp.74~77,2010.

[3]H.Crowther and J.Furlong,"Optimizing Chillers&Tower," [J],ASHRAE Journal,Vol.46,pp.34-40,2012.