定流量中央空調制冷系統節能改造淺析

摘要：定流量中央空調供冷系統中，冷凍水泵及冷卻水泵工頻運行，總供水量不隨冷負荷的變化而變化。此運行方式能量損耗顯著，采用變流量控制系統對定流量空調制冷系統進行節能改造，實現中央空調制冷系統高效節能運行。

關鍵詞：定流量;冷水機組;變頻;壓差旁通

目前廣州地鐵的空調制冷系統主要采用水冷式冷水機組，分集中冷站供冷和獨立供冷兩種方式。獨立供冷車站，由定流量水冷式冷水機組向整個車站中央空調系統提供冷源。通過對定流量冷水機組的能量損耗進行分析，提出變流量控制節能改造的建議。

1.定流量水冷式冷水機組結構

圖1-1?定流量水冷式冷水機組系統圖

分析圖1-1，可以將定流量水冷式冷水機組分成以下幾個系統：

1.1制冷劑循環系統

由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器及之間的管道封閉連接組成。制冷劑從蒸發器吸熱，吸收的熱量送到冷凝器那里后放熱。

1.2冷凍水系統

由定頻冷凍水泵，連接管道及相關附件組成。通過冷凍水泵做功，將冷凍水送到末端設備的表冷器，由表冷器完成與環境空氣的熱量交換，產生的低溫空氣。

1.3冷卻水系統

由冷卻水泵，冷卻塔和連接管道及附件組成。通過本系統將冷水機組制冷劑在冷凝器中釋放的熱量帶給冷卻塔，在冷卻塔中釋放給大氣。

2.定流量水冷式冷水機組能量損耗分析

2.1部分負荷下的能量損耗嚴重

冷水機組運行工況的轉換是由自身所攜帶的微電腦根據冷水溫度自動控制。冷凍水泵的流量不隨末端負荷的變化而改變。經過末端設備的水量，由壓差旁通控制器根據壓差變化進行控制。末端負荷需求變小時，管道中的二通閥開度關小，壓差旁通管的壓差增大，流入末端的水量變小，一部分水量通過旁通管直接進入回水系統。

圖1-2?冷水機組冷凍水流程示意圖

如圖1-2?冷水機組冷凍水流程示意圖

其中：?+?=

因為：×（12℃-7℃）=?×（?-7℃）??????????????（1-1）

=7℃+（12℃-7℃）?×（）

是混合后的水溫，公式（1-1）是一個熱量平衡關系。

根據公式，得出旁通系統造成的能耗浪費表現在下述三個方面：

（1）根據熱力學的基本原理，當的冷凍水（7℃）與末端系統回水（12℃）混合時，發生的過程是不可逆的熵增過程，造成機械能的損失。

（2）冷凍水回水溫度越高，蒸發器效率越高，則主機效率也越高，然而部分負荷情況下，混合后的冷凍回水溫度低于末端回水溫度，導致主機熱交換效率降低。

（3）冷負荷需求減少時，需要的水量減少。因定流量的關系，冷凍水泵輸出功率不變。如圖，空調末端系統只需要冷機供出部分的水量，但在定流量系統中，水泵必須對部分的水量做功，即水泵的功耗浪費，其中一部分用浪費在推動多余的水量循環，另一部分損失在克服管道阻力。另外，冷卻泵也存在與冷凍泵運行一樣的浪費能耗的現象。

2.2?設計問題導致能量損耗

空調設計的配置原則：冷水機組按遠期高峰負荷配置設備的容量，水泵按所有末端設備滿負荷時總水量設計。

根據歷史運營數據，中央空調系統80%左右的時間是在部分負荷工況下運行。長期低溫差、大流量的運行狀態，造成能量利用率低。

同時，在實際測試中發現，系統的實際運行與設計的運行狀態有偏離，選用水泵偏大，導致水泵處于“大流量、低效率、高功耗”的不利工況下運行。

3.節能改造需解決的主要問題

定流量制冷系統能量損耗顯著，因此進行節能改造是必須的。而制冷系統由制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵等主要組成部件，對其行節能改造，主要需解決的問題為：

（1）冷水機組：將冷水機組進出水溫度控制在7℃～12℃左右，保證機組在制出足夠的冷量時在最高效率點運行。

（2）冷凍水泵組：配合主機，隨著末端工況變化，及時調節輸送水量，給主機提供12℃左右的進水，降低輸送能耗。

（3）冷卻水泵組及冷卻塔：配合主機，用最小的能耗將冷凝器釋放的熱量傳輸到外部環境。

（4）保冷水機組平穩安全運行。即冷凍水、冷卻水的流量不小于冷水機組允許最小流量。同時，冷凍、冷卻水的流量變化速率須小于冷水機組允許的變化速率。

4.變流量控制系統的節能原理

變流量控制系統由模糊智能控制器，變頻器，溫度、壓力、壓差、流量傳感器等設備組成。模糊智能控制技術適合沒有準確的控制模型、多變量及時變量的非線性系統中。變頻器是關鍵節能執行部件，控制水泵的運行工況。溫度、壓力、壓差、流量傳感器的檢測值反饋到系統中，進行差值控制。

在保證制冷系統安全穩定運行的前提下，實時響應末端負荷變化，按照末端溫度的要求，動態改變冷凍水的水流量。同時，根據冷凝器及天氣等其他情況，動態改變冷卻水的水流量，提高冷水機組的熱交換效率，控制主機的COP值處于最佳狀態。

車站制冷系統在BAS系統的控制下，根據冷負荷需求自動確定開啟冷機的數量，同時制冷主機根據負載的變化隨之加載或卸載，為此，冷凍、冷卻水泵成為控制的主要對象。

4.1冷凍水系統的節能

當環境溫度、空調末端負荷發生變化時，各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量亦隨之變化，流量計、壓差傳感器和溫度傳感器將檢測到的這些參數送至變流量控制系統，系統控制器依據所采集的實時數據及系統的歷史運行數據，實時計算出末端空調負荷所需的制冷量，以及冷凍水供水流量的最佳值，并以此調節各變頻器輸出頻率，控制冷凍水泵的轉速，改變流量，實現冷凍水流量按照末端負荷的需求供應，使空調系統在各種負荷情況下，都能既保證末端用戶的舒適性，又最大限度地節省了系統的能量消耗。

4.2?冷卻水系統的節能

當環境溫度、空調末端負荷發生變化時，制冷主機的負荷率將隨之變化，主機冷凝器的最佳熱轉換溫度也隨之變化。系統控制器依據所采集的實時數據及系統的歷史運行數據，計算出主機冷凝器的最佳熱轉換溫度及冷卻水最佳出、入口溫度，并以此調節冷卻水泵的輸出頻率及冷卻塔風機的運行臺數，控制冷卻水泵轉速和冷卻塔風機臺數，動態調節冷卻水的流量和冷卻塔風機的數量，始終保持最佳的能效比（即COP值），從而降低了制冷系統的能量消耗。

5.采用變流量控制系統的節能空間

由能量損耗分析可見，能量損耗主要發生的部分負荷工況下。采用變流量控制技術，將定流量系統轉為變流量系統后，帶來的節能空間如下：

（1）最大程度的利用機組冷凝器及蒸發器的換熱面積，進而提高機組的制冷效率。

（2）制冷機冷凝器換熱面積被充分利用時，可以給冷卻水泵讓出了變頻節能的空間。

（3）在系統負荷需求降低并保證系統供回水溫差時，水量需求降低，水泵的輸送量減少降低功耗的同時，流體在管路中的揚程損失按平方關系降低，從而需要水泵提供的揚程也降低，進一步降低了水泵的輸送功耗。

（4）充分利用冷卻塔的散熱功能，可以給冷卻水泵開辟更大的節能空間。

6.結論

采用變流量控制技術，綜合考慮制冷系統各設備能耗之間的相互關系，克服定流量系統的缺點，充分挖掘部分負荷下制冷系統的節能潛力，實現中央空調水冷式制冷系統的節能、高效運行。

參考文獻：

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[2]梁春生，智勇.中央空調變流量控制節能技術[M].北京市：電子工業出版社，2005.

[3]孫一堅.空調水系統變流量節能控制[J].暖通空調，2001（6）.

作者簡介：

張軍輝，助理工程師，從事中央空調系統研究，機電設備管理方向。