自動控制在暖通空調(diào)冷凍水系統(tǒng)中的應用及節(jié)能分析

黃騎松，高理福，楊 彪，何曉英（.西南科技大學 土木工程與建筑學院， 四川 綿陽 600；.中國中鐵二局，貴州 貴陽 550000）

隨著科學技術的不斷發(fā)展，自動控制技術也在飛速革新，且被應用到了各行各業(yè)中，其中在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應用也取得了相當大的成果[1-2]。針對此次著重研究的空調(diào)冷凍水系統(tǒng)，利用自動控制與冷凍水系統(tǒng)的冷凍水泵優(yōu)化配置相結合來達到節(jié)能的目的。將自動控制系統(tǒng)應用到暖通空調(diào)系統(tǒng)中，能夠更好地體現(xiàn)出暖通空調(diào)系統(tǒng)的作用[3]。本文對冷凍水系統(tǒng)中冷凍水泵兩種不同的自動控制方式—對 1 臺大流量冷凍水泵的自動控制；對 2 臺小流量并聯(lián)冷凍水泵的自動控制[4-6]—進行研究。

1 自動控制技術在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應用

通過裝在離泵最遠端用戶管段上的壓差傳感器，獲得水泵變頻控制器的輸入信號。當該系統(tǒng)由于負荷的變化，引起管路閥門自動變化從而導致壓差的改變，當壓差傳感器將壓差 Δp傳輸給控制器，控制器將會以此輸入信號與預先設定值進行比較，并且按照預先設定的控制算法計算出偏差，并產(chǎn)生輸出信號，以此來調(diào)節(jié)冷凍水泵的轉速，從而改變冷凍水泵流量和揚程，以適應負荷的變化[7]。

某工程開啟 1 臺冷水機組，額定制冷量為 4 219 kW，選用 2 臺（1 臺為備用）額定流量為 850 m3/h、揚程為392.16 kPa、功率為 110 kW、轉速為 1 500 r/min 的大流量冷凍水泵運行時，隨著冷負荷的變化，當制冷機組實際制冷量與額定制冷量之比為 1.00、0.75、0.50、0.25 時，制冷機組運行情況和水泵控制運行情況如表 1 所示。

表 1 制冷機組和水泵控制運行情況

根據(jù)式（1）將水泵揚程單位換算成 m 以繪制水泵性能曲線和管路特性曲線圖。

式中：p—壓強，Pa;

ρ—水的密度，g/cm3;

g—重力常數(shù)，N/kg;

h—水的深度，m。

隨著負荷的變化，其水泵性能曲線和管路特性曲線變化[8-9]情況如圖 1 所示。

圖 1 大流量水泵負荷變化時水泵性能曲線和管路特性曲線變化情況

該系統(tǒng)會通過壓差傳感器傳遞的信號，再通過一系列處理，來調(diào)節(jié)水泵轉速以適應負荷的變化進而達到節(jié)能的目的。但是通過計算發(fā)現(xiàn)當實際制冷量與額定制冷量之比＜0.75 時，隨著水泵流量的變化，水泵的運行工況點，將偏離高效運行區(qū)，雖然與傳統(tǒng)工頻運行泵相比確實還是節(jié)能的，但還是會對泵自身有所損害，還會浪費一部分能量。

當選用 3 臺（2 用 1 備）額定流量為 430 m3/h、揚程392.16 KPa、功率 58 kW、轉速 1 500 r/min 小流量冷凍水泵運行時，隨著冷負荷的變化當制冷機組實際制冷量與額定制冷量之比為 1.00、0.75、0.50、0.25 時，制冷機主運行情況和水泵控制運行情況如表 2 所示。

表 2 制冷機組和水泵控制運行情況

當 2 臺水泵同時運行時，隨著負荷的變化，其水泵性能曲線和管路特性曲線變化情況[10]如圖 2 所示。

圖 2 小流量雙水泵負荷變化時水泵性能曲線和管路特性曲線變化情況

當 1 臺小水泵運行時，隨著負荷的變化，其水泵性能曲 線和管路特性曲線變化情況如圖 3 所示。

圖 3 小流量單水泵負荷變化時水泵性能曲線和管路特性曲線變化情況

由圖 2 和圖 3 可知當采用變頻小泵并聯(lián)的方式運行時，隨著負荷的變化，在水泵轉速改變的情況下，水泵的流量也隨之改變，但是通過計算發(fā)現(xiàn)此時還能保證水泵在效率較高的工況點運行。特別是與大流量單泵系統(tǒng)比較，當實際制冷量與額定制冷量之比＜0.75 時，雙泵系統(tǒng)的高效率運行效果更加顯著，還能起到節(jié)能的作用。

空調(diào)負荷的全年分布如表 3 所示。

表 3 空調(diào)負荷的全年分布

若按全年制冷運行 1 136 h 計算，通過水泵轉速改變時特性曲線變化，由圖 1～圖 3 可得：

當采用大流量泵時耗電量為 79 619.97 kW h，變頻器耗電量按照水泵耗電量的 4% 計算則為 3 184.80 kWh,所以大泵系統(tǒng)總耗電量為大流量泵總耗電量與變頻器總耗電量之和為 82 804.77 kWh。

當采用小泵并聯(lián)時耗電量為 75 544.00 kWh,變頻器耗電量按照水泵耗電量的 4% 計算則為 3021.76 kWh,所以小泵并聯(lián)系統(tǒng)總耗電量為小泵并聯(lián)時的總耗電量與變頻器總耗電量之和為78 565.76 kWh。

節(jié)能率：（大泵系統(tǒng)總耗電量－小泵并聯(lián)系統(tǒng)總耗電量）/大泵系統(tǒng)總耗電量＝（82 804.77－78 565.76）/82 804.77＝5.12%。

2 節(jié)能分析

當系統(tǒng)中選用大流量變頻泵與選用小流量并聯(lián)變頻泵時，各泵性能參數(shù)及各泵和變頻器在制冷模式下運行一年的耗電情況及節(jié)能情況如表 4 所示。

表 4 性能參數(shù)及節(jié)能情況

3 結 語

自動控制系統(tǒng)與暖通空調(diào)系統(tǒng)相結合得好與否，直接會影響到暖通空調(diào)系統(tǒng)對室內(nèi)溫度和濕度等的調(diào)節(jié)能力和整個系統(tǒng)的節(jié)能能力。通過上述研究分析，當使用大流量水泵時，隨著用戶端負荷的降低，水泵流量減小，水泵工作點將偏離高效區(qū)，不但對水泵自身有損害還浪費能源。將冷凍水泵采用小流量并聯(lián)的方式與自動控制相結合，不但能使水泵一直在效率較高的點工作，還能保證在滿足用戶需求的前提下起到節(jié)能作用；并且，流量越大的單泵系統(tǒng)，采用小流量雙泵并聯(lián)運行時，其節(jié)能效果越顯著。