空調水系統變頻節能技術工程應用與分析

（北京建工國際建設工程有限責任公司，北京 100055）

0 引言

在能源緊缺與環境污染問題日益嚴重的當前，節能減排逐漸引發人類廣泛關注。建筑中央空調系統涵蓋冷機、水系統、風道系統、控制系統等，其中建筑能耗在能源消耗中的占比較大，而建筑的空氣調節系統耗能又是整體建筑能耗的主要方面，且以空調水系統耗能占比最大。在中央空調系統方案設計過程中，往往采用高配比設計方案，考慮建筑系統部分負荷特性。研究表明：建筑空調系統很少在滿負荷下工作，大部分是在75%左右負荷條件下運行，需不斷優化控制系統。因此，為降低中央空調系統整體耗能水平，需從優化中央空調水系統節能技術入手。

1 空調水系統組成及工作原理

中央空調水系統包括制冷機組、冷凍/冷卻水泵、供/回水管路、冷卻塔及末端裝置等，其中制冷機組可采用蒸汽壓縮式系統、吸收/吸附式系統、噴射式系統等，系統運行的冷凝熱由冷卻水泵送至冷卻塔處理后排出，蒸發器內，冷凍水與低溫低壓冷媒進行充分換熱，利用低壓液態冷媒的蒸發吸熱作用降低冷凍水溫度，并通過冷凍水泵送至室內末端，一般為風機盤管末端，并通過末端電動調節閥裝置進行流量調節。末端裝置內空氣-水側的換熱溫差一般為7～12℃，冷凍水溫度通常通過冷機及電動調節閥進行調節，末端風機盤管裝置主要包括翅片管式換熱器、貫流式風機，翅片管換熱器可實現冷凍水與空氣的充分換熱（當冷機狀態切換轉為制熱運行時，風機盤管裝置內循環的是冷卻水），通過對冷凍水/冷卻水溫度及流量的控制滿足房間內空氣調節的舒適性需求。

2 空調水系統變頻節能技術原理

中央空調水系統的主要耗能部件為水泵，空調水系統變頻節能也需從冷凍水及冷卻水水泵的變頻節能入手。傳統空調水系統均采用定頻式水泵設計，水泵轉速不變，因而水系統中水流量通常是恒定的，這種定頻式方案主要考慮到流速對換熱系數、管壁腐蝕及防凍結特性的影響，流速越大，換熱系數越高，但相應水泵耗功會增大；降低水泵頻率，會降低水泵耗功，但換熱系數會降低，同時管內雜質易沉淀，造成管道腐蝕或堵塞，且當管內流速過低時，水系統管道還有凍結的風險。從實際應用上看，管道流速降低產生的上述影響也不是特別明顯，因此，對水系統的變頻節能展開合理的設計可提升建筑中央空調系統整體的節能特性及控制特性。

空調系統水系統的變頻節能設計需考慮整體系統的部分負荷運行特性，在各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，并實現整個中央空調系統的節能控制。依據水泵工作原理，可得到流量Q、揚程H、轉速n與耗功p之間的平衡式：

因此，當水泵轉速降低時，耗功受影響程度比流量受影響程度更大，因此與傳統系統中通過閥開度調節流量相比，采用變頻水泵調節技術能更好地降低水系統能耗，進而實現整個中央空調系統能耗的優化控制。

3 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

在上述系統運行時，溫度傳感器探測到冷卻水進出口溫度及冷凍水出口溫度后，將溫度信號傳至水泵的變頻驅動模塊，變頻驅動模塊對此類溫度模擬信號進行識別，并傳至PLC模塊，繼而根據溫差值進行流量判定，根據流量判定值（偏大或偏小）設定流量系數，水泵會根據流量系數進行轉速調整或水泵開啟數量的控制與切換，因此水泵內流量的控制主要受輸入變頻模塊的溫度信號進行控制，同時，為確保水系統運行的安全性與穩定性，避免流量過低造成管道腐蝕或水系統凍結，需設置流量保護限值，當水系統流量低于某范圍值時，此時系統判定流量過低，開啟強制升頻操作，以維持系統穩定運行。在通常控制中，冷卻水進出水溫差增大時，水泵升頻；反之，水泵降頻。

4 工程應用

在實際應用中，受安裝環境、機組性能、水系統及風系統設計方案的影響，中央空調水系統的節能方案設計也不盡相同，需結合具體工程應用采取合理的節能優化方案，因此，結合具體項目應用，采取合適的改造方案，并進行后續的效益評價，評估方案可行性。

4.1 項目概況

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。此外水泵定頻運行時，對水系統中冷卻水及冷凍水的量要求較高，也會加劇污染，且降低水泵運行效率，不利于整個水系統能耗的有效控制。

圖2 某商業寫字樓項目中央空調水系統結構

4.2 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。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。

4.3 效益評價

根據本系統改造前后實際運行數據的對比，變頻改造系統控制方案具有較好適用性，能確保系統在高效穩定運行的前提下，提升水泵及風機運行效率，進而實現系統提效、降低能耗的目的，因此具有較好的推廣應用價值。

性能對比方法為：在空調季，根據環境溫度特性，選取氣候條件較為接近的2天進行改造前后空調運行性能對比試驗，主要監測參數為系統耗能情況，當然也要確保空調系統的日平均負荷率一致。數據對比結果表明：冷凍水泵節電率最高，達55%；整個對比試驗表明：通過對系統進行節能改造，系統整體耗能將降低約20%。

5 結語

建筑能耗在能源消耗中的占比較大，而建筑的空氣調節系統耗能又是整體建筑能耗的主要方面，且以空調水系統耗能占比最大。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，實現整個中央空調系統的節能控制，更有助于實現中央空調系統的節能減排。