中央空調系統變水量節能在實際中的應用

鄭 彬

（河南信息工程學校，河南 鄭州450000）

0 前言

隨著現代高層建筑及智能大廈的普及，中央空調得到廣泛的應用，但是其高能耗占據了整個建筑能耗的很大部分，其節能技術也受到廣泛的關注。

按照國家標準，中央空調系統的最大負載能力是按照氣溫最高、負荷最大的工作環境且再留有充足余量來設計的，而實際上系統又很少在這些極限條件下工作。據統計，中央空調的用電量占各類大廈總用電量的70%以上，而中央空調設備97%的時間在70%負荷以下波動運行，所以實際負荷總不能達到滿負荷（俗稱“大馬拉小車”），造成大量的能源浪費。

1 中央空調系統概述

1.1 中央空調系統的結構和制冷原理

中央空調系統一般主要由冷凍機組、冷凍水循環系統、盤管風機系統、冷卻水循環系統和冷卻塔風機系統等組成，如圖1所示。

圖1 中央空調系統結構框圖

在冷凍水循環系統中，液態制冷劑在蒸發器蒸發吸熱，將通過蒸發器盤管中的常溫水變成了低溫（7℃）冷凍水（稱“出水”），由冷凍機組流出并通過冷凍泵加壓送入盤管風機系統，在各房間內進行熱交換；隨后冷凍水的溫度上升（12℃），并流回冷凍機組(稱“回水”)，如此不斷循環。

在冷卻水循環系統中，氣態制冷劑經過壓縮機壓縮后，進入冷凝器與冷卻水進行熱交換并逐漸冷凝成液態制冷劑，經過節流裝置后進入蒸發器。冷卻水吸收制冷劑釋放的熱量后，水溫升高（37℃），冷卻泵將升溫的冷卻水(稱“出水”)壓入冷卻塔，在冷卻塔中其與大氣進行熱交換，然后再將降溫的冷卻水（32℃）送回到制冷機組(稱“回水”)，如此不斷循環。

1.2 中央空調系統的能耗組成

冷凍機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風機等制冷設備耗電約占中央空調系統總耗能的60%～70%，風機盤管系統耗電約占空調系統總耗能的30%～40%。

目前，中央空調系統普遍采用變流量控制技術，包括中央空調變水量系統（VWV）、變風量系統（VAV）、變制冷劑流量系統（VRV）等。在變水量和變風量控制系統中，普遍采用變頻技術，根據實際的負荷需求對水泵、風機的轉速進行動態調節，以減少部分負荷狀態下拖動設備的耗能，實現中央空調系統節能。

1.3 變頻節能原理

由水泵、風機的工作原理可知：水泵、風機的流量（風量）與其轉速成正比；水泵、風機的壓力（揚程）與其轉速的平方成正比；而水泵、風機的消耗功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風機的消耗功率與其轉速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）。根據上述原理可知：改變水泵、風機的轉速（電源頻率）就可調整流量，同時改變其消耗功率。例如：當供電頻率由50Hz降為45Hz，功率只有原來的72.9%；當頻率降為40Hz，功率只有原來的51.2%?？梢姡冾l節能的效果是十分顯著的。

本文主要對中央空調系統的變水量節能控制作一簡要的討論。

2 中央空調變水量節能控制系統

中央空調水循環回路包括兩個獨立的回路：冷凍水循環回路和冷卻水循環回路。傳統的定水量循環系統通常有兩個特點：一是絕大部分時間內在遠低于額定負荷情況下運轉。二是水循環系統出回水溫差低于設定值，導致空調水系統效率低下，浪費能源。因此變水量運行方式是節能的合理選擇。

下面以某學校綜合實訓樓為例討論中央空調變水量節能控制。

2.1 工程概況

綜合實訓樓共8層，1、2樓為圖書館與閱覽室，3～6層為實訓室，7、8層為辦公室。中央空調為一次泵系統，采用兩臺（一用一備）水冷冷凍機組，額定功率146kW；冷凍泵兩臺（一用一備），電動機功率為15kW；冷卻泵兩臺（一用一備），電動機功率為20kW。該空調系統原為定流量設計，大部分時間工作在部分負荷條件下，冷凍水和冷卻水的出回水溫差都約為2℃，遠低于5℃的設計標準。

2.2 冷凍水變水量控制方式

冷凍水變水量控制方式最常用的有定壓差變頻控制和定溫差變頻控制兩種方式。定溫差控制適用于一次泵定流量系統的改造，施工較容易。

定溫差變頻控制方式如圖2所示?？照{系統的冷負荷與冷凍水的出回水溫差以及冷凍水的流量成正比，溫差的變化某種程度上反映了空調冷負荷的變化。將出回水溫差△T′與系統設定溫差△T（5±0.5℃）進行比較，如果溫差△T′大，說明室內溫度高，應提高冷凍泵的轉速，加快冷凍水的循環速度以增加流量；反之溫差△T′小，則說明室內溫度低，可降低冷凍泵的轉速以降低流量，節約電能。

一般而言，冷凍水系統的出回水溫差取為5℃，冷凍水出水溫度取7℃，回水溫度取12℃。在本系統中，冷凍機組自帶的控制系統可以較好的將出水溫度控制在設定值，因此只需通過調節冷凍水流量將回水溫度控制在12℃即可。

圖2 冷凍水定溫差變頻控制框圖

2.3 冷卻水變水量控制方式

冷卻水變水量控制方式有定溫差控制法和冷卻水出水溫度控制法，本系統采用冷卻水出水溫度控制法，同時調整冷卻塔風機轉速來控制冷卻水回水溫度，如圖3所示。

圖3 冷卻水變水量控制框圖

冷卻水系統中主要有兩組拖動設備——冷卻泵和冷卻塔風機，冷卻泵主要調節的是冷卻水的流量，冷卻塔風機主要用來控制冷卻水的回水溫度。冷卻水循環系統中，一般要求冷卻水回水溫度不高于32℃，出水溫度控制在37℃。在滿負荷或者外界環境溫度比較高時，冷卻水如果只與外界環境進行熱交換，其回水溫度會高于32℃，此時需要調節冷卻塔風機轉速來降低冷卻水回水溫度。當部分負荷工況或者外界環境溫度較低時,冷卻水出水溫度會變小，可以降低冷卻泵的轉速，減少冷卻水流量來提高冷卻水出水溫度，此時只需冷卻水與外界環境熱交換或者冷卻塔風機無需工頻運轉就可以將冷卻水回水溫度降低到32℃或者更低。因此，冷卻塔風機變頻控制的節能潛力更大。

3 結束語

正常情況下，系統運行在變頻節能狀態，其頻率下限為30Hz，上限為50Hz，可自動或手動調節頻率；當節能系統出現故障時，可以起動原工頻回路運行，兩臺冷卻泵(或冷凍泵)可以手動切換。

本綜合實訓樓中央空調系統節能改造完成后，至今已運行三年有余，整個節能系統工作正常，節能效果顯著，充分證明了本系統變水量節能方案是可行的。

［1］唐進.變頻器在中央空調節能改造中的應用[J].低壓電器，2009（07）.

［2］何耀東.中央空調實用技術[M].北京：機械工業出版社，2010.