空調水系統變頻節能技術工程應用與分析

王東東 馬世云

中國市政工程西北設計研究院有限公司 甘肅蘭州 730000

空調系統在建筑房屋應用期間發揮著非常重要的作用，依托該系統可以對建筑室內空氣溫濕度、氣流速度、潔凈度加以調節，以此使得室內空氣質量、溫濕度符合用戶的要求及國家相關標準。現階段，我國面臨著不可再生能源數量減少、環境污染嚴峻化等問題，需要建筑工程設計人員對于綠色建筑的相關理念加強學習與研究，充分認識到建筑工程空調系統運行中的巨大耗能問題的危害，以轉變固有的設計思路與方法，從降耗環保角度入手，進行空調系統的優化設計，以期經過優化處理的空調水系統能耗量大大減少，從而提升空調系統應用經濟性以及確保空調系統能源消耗量能夠降低。

1 工程概述

某項目為商用寫字樓建筑中央空調系統，系統中制冷主機采用溴化鋰吸收式系統，設備機房位于地下1 層，該商業寫字樓項目中央空調水系統結構如圖2 所示，在水系統中，分別配置了2 臺冷凍水水泵與4 臺冷卻水水泵，改造前水泵均為定頻運行，運行時轉速不變，存在啟動電流大、振動和損耗大等問題，由于定頻水泵在啟動時頻率直接升至工作頻率，啟動電流會超過水泵電機額定電流，易發生水錘現象，運行過程中，電機噪聲大，外殼溫度高。

2 水系統控制原理和方法

中央空調水系統變頻主要以水系統的控制為主，通過水泵的冷卻以及冷凍實現變頻，從而達到中央空調節能的目的。針對水泵的變頻改造，一般從水系統的改造入手，以變流量的方式調節空調系統負荷。水系統主要由冷水機組構成，在流量的調節下保持機組的正常運轉，由蒸發器改變水系統換熱系數，結合冷水量的調節實現變頻。水系統的控制改造對冷水機組的功率影響較大，因此對空調水系統進行改造具有重要意義，合理的變頻控制技術更能促進中央空調控制系統的發展。水系統控制主要以空調系統正在運行的部分負荷為核心，通過水流量的減小保持現有空調負荷，以達到降低水系統能耗的目的。由水系統控制原理可得出水泵輸出功率與轉速之間成正比，并且水泵功率隨水流量的減小呈下降趨勢[1]。

3 空調水系統變頻節能技術工程應用要點

3.1 空調水系統變頻節能

涉及冷凍水及冷卻水系統節能，優化后的水系統結構如圖1 所示，冷卻水泵用于將系統冷凝側熱量排至冷卻塔進行耗散，而冷凍水泵則將低溫水送至室內側末端，吸收室內側熱量，達到制冷目的。在冷凍水和冷卻水泵前后均布置溫度傳感器檢測泵前水系統溫度，系統內冷卻水及冷凍水泵均采用無級變頻型水泵。

圖1 水系統變頻節能優化結構

中央空調水系統變頻節能改造應該結合變頻節能控制原理，從水系統角度入手，實現中央空調的變頻節能功能。變頻節能一般通過冷卻水和冷凍水系統的控制達到目的，對水泵、管道以及冷卻塔進行控制，從而實現溫度的合理把控。變頻節能控制結構如圖1 所示。如圖1 可知，整個系統結構中存在三個溫度變送器，分別調節冷卻塔、冷水泵和冷凝器與蒸發器，嚴格控制著冷卻進出口的溫度，并隨時啟動PLC 響應水泵，從而達到控制電機轉速的目的，以此間接地實現水系統水流量的控制。變頻器運行過程中，還可以設置一定的閥值，避免制冷主機和電機過度運轉出現故障。在實際的應用中，水系統的冷卻水受外界因素的影響較大，因此在面對溫差的變化時，變頻器頻率也隨之發生變化，當溫差升高時，空調電機轉速和水流量也逐漸加快、加大，相反，溫差逐漸降低時，變頻器頻率則隨之下降，電機轉速不斷變慢，水流量不斷減小。

3.2 改造方案

考慮到該空調水系統中水泵及冷卻塔數量配置，存在多種改造方案組合，理論上講，對各水泵均配置1 臺變頻驅動模塊可達到最優控制效果，同時也會造成系統初投資的增加，因此在系統改造方案中，充分衡量經濟效益、節能效益及運維的安全可靠性等因素，確定最終系統節能改造方案為：對2 臺冷凍水水泵各配置1 臺變頻驅動模塊，而對每2 臺冷卻水泵配置1 臺變頻驅動模塊，冷卻塔風機配置1 臺變頻驅動模塊進行統一控制[2]。其中各變頻驅動模塊的配置均考慮各功能件（水泵、風機）的運行轉速及耗功性能，實現較好匹配。

在變頻驅動控制方面，通過冷凍水進出水溫差控制冷凍水泵轉速，實現流量控制，并設置系統最小流量限制，以確保系統運行穩定性，而冷卻水流量控制主要受冷卻水溫度的影響，并通過冷卻塔風機的聯動控制實現水系統主要運行部件間的協調性，配置冗余備用系統，可根據實際運行狀況及環境溫度條件進行變頻運行及定頻運行狀態的切換。

中央空調專家系統對控制系統的信息傳輸量大大增加，且要求系統內各類機電設備、電氣控制裝置、和傳感器等要實現互聯互通，因此隨著計算機網絡技術和人工智能的發展，它將不斷處在完善和發展當中。首先通訊協議更加開放，從MODBUS 協議、LonTalk協議、點對點（PTP）協議到兼容各方的BACnet 開放式通訊協議。其次，控制系統信息的傳輸方式上也由RS-485 總線、CAN 總線、LonWork 總線的有線傳輸方式，發展到采用各種低功耗廣域無線物聯網通信技術，近距離的物聯網通信有藍牙和ZigBee 等通信協議，該技術應用于空調機組的無線房間控制器，遠距離基于物聯網通信的低功耗廣域網（LPWAN）協議，如NB-IoT、LoRa、SigFox 以及RPMA 等，在中央空調節能自控系統中也在不斷的發展和應用當中，使得大樓內部或樓宇之間的無線通訊變得更加便利。2019 年是5G 技術商用元年，5G 的技術除了應用于高清交互類的應用場景外，其低功耗、高可靠、低時延的特性將會廣泛應用于傳感、遙測以及遠程控制，因此5G 技術應用于大型公共機構的中央空調節能控制系統也是未來可期[3]。

4 結語

為優化建筑系統整體耗能水平，需從空調水系統節能入手，在各個部分負荷點通過電機頻率的無級調節，適當降低水泵頻率，在不影響空調系統整體負荷及運行穩定性的前提下，降低水泵耗功，從而實現性能提升的目的。