?？谑谐鞘幸?guī)劃設(shè)計(jì)研究院東莞設(shè)計(jì)部 梁斯麒

中央空調(diào)控制系統(tǒng)的能源優(yōu)化研究

?？谑谐鞘幸?guī)劃設(shè)計(jì)研究院東莞設(shè)計(jì)部 梁斯麒

能源是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要因素，建設(shè)節(jié)能型社會(huì)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，是構(gòu)建和諧社會(huì)的重要基礎(chǔ)保障?；诖?，本文闡述了中央空調(diào)系統(tǒng)的原理，分析了中央空調(diào)系統(tǒng)存在的問題，并提出中央空調(diào)系統(tǒng)變流量節(jié)能的控制措施。

中央空調(diào)控制系統(tǒng) 能源優(yōu)化

中央空調(diào)是現(xiàn)代建筑中不可缺少的能耗運(yùn)行系統(tǒng)。中央空調(diào)系統(tǒng)在給人們提供舒適的生活和工作環(huán)境的同時(shí)，又消耗了大量的能源。根據(jù)有關(guān)資料的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑物能耗約占能源總消耗量的30%，有中央空調(diào)的建筑物中，中央空調(diào)部分大概占70%，而且呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。由此可見，對(duì)中央空調(diào)的能源系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以減少無效能耗、減少熱量排放，對(duì)于提高能源利用效率具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

一、中央空調(diào)系統(tǒng)的原理

中央空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷機(jī)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和散熱水塔組成。制冷機(jī)通過壓縮機(jī)將氣態(tài)制冷劑壓縮，高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入冷凝器，與冷卻循環(huán)水進(jìn)行熱交換，由冷卻水泵將帶有熱量的冷卻水送到散熱水塔上由水塔風(fēng)扇對(duì)其進(jìn)行噴淋冷卻，與大氣之間進(jìn)行熱交換，將熱量散發(fā)到大氣中去；冷凝形成的液態(tài)制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器中，與冷凍水進(jìn)行熱交換，將冷凍水溫度降低，冷凍水泵將低溫冷凍水送到各風(fēng)機(jī)風(fēng)口的冷卻盤管中，由風(fēng)機(jī)吹送冷風(fēng)達(dá)到降溫的目的。如圖1所示。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)的原理

二、中央空調(diào)系統(tǒng)存在的問題

1. 空調(diào)負(fù)荷要求的不均勻性

在中央空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)為保證在大氣溫度最高的情況下能滿足使用要求，所以按最大負(fù)荷設(shè)計(jì)并有15%左右的富裕量，而平時(shí)使用時(shí)并不能達(dá)到滿負(fù)荷，所以存在較大裕度，其中制冷主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)加載、卸載，而水泵的流量卻不能隨制冷主機(jī)而調(diào)節(jié)，必然存在很大的能量浪費(fèi)；除此之外，每年的氣象條件是隨季節(jié)呈周期性變化的。

2. 電機(jī)起停頻繁

電機(jī)起停頻繁時(shí)，對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期安全運(yùn)行會(huì)帶來不利影響。起動(dòng)電流通常為額定值的5倍左右，電機(jī)在如此大的電流沖擊下，進(jìn)行頻繁的起停，對(duì)電機(jī)、電網(wǎng)帶來一定沖擊。

3. 冷卻水系統(tǒng)的不足

從設(shè)計(jì)角度考慮，冷卻水泵電機(jī)的容量是按照最大換熱量（即環(huán)境氣溫最高、且所有場(chǎng)所的空調(diào)都開足）的情況下，再取一定的安全系數(shù)來確定的。而通常情況下，由于季節(jié)和晝夜氣溫的變化以及開機(jī)數(shù)目的不足，實(shí)際換熱量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，因此，電機(jī)容量遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)荷，出現(xiàn)了大馬拉小車的情況。

再從冷卻水流量考慮，冷卻水的作用是要及時(shí)將冷凝器中的熱量帶走，以保證制冷機(jī)能正常工作。從節(jié)能的角度看，只要能保證制冷機(jī)能正常工作，冷卻水流量越小，所做的無用功就越少，節(jié)能也就越明顯。根據(jù)流量公式Q=S*V，過去由于交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可調(diào)，只能通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥、改變管道截面積S的方式來調(diào)節(jié)流量Q，節(jié)流閥的存在對(duì)水流產(chǎn)生阻力，從而產(chǎn)生節(jié)流損耗，并且會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)和產(chǎn)生噪音。

4. 冷凍水系統(tǒng)的不足

冷凍水泵的作用是將經(jīng)制冷機(jī)降溫的冷凍水通過輸送管道送到中央空調(diào)的各出風(fēng)口處的風(fēng)機(jī)盤管組件中，對(duì)環(huán)境起降溫作用，冷凍水的流量與冷凍水泵的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)冷凍水泵轉(zhuǎn)速高時(shí)，冷凍水的流量大，流速也快。因此，當(dāng)冷凍水流過風(fēng)機(jī)盤管組件時(shí)還沒有充分的時(shí)間將所攜冷量全部釋放完，就又返回到制冷機(jī)去了，因此冷凍水泵電機(jī)做了很多無用功，這些都是不必要的能耗。

若能夠調(diào)節(jié)冷凍水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)實(shí)際熱負(fù)荷的大小來調(diào)節(jié)冷凍水的流量（實(shí)際上是調(diào)節(jié)交換冷量的大小）和流速，以便讓冷凍水在風(fēng)機(jī)盤管組件中有充分的時(shí)間釋放與熱負(fù)荷大小相當(dāng)?shù)睦淞?，冷凍水泵電機(jī)的功耗可大大降低。中央空調(diào)雖然存在以上不足，但因其在保持大樓立面外觀、保證室內(nèi)空氣品質(zhì)和綜合空調(diào)效果等方面的優(yōu)越性而一直是空調(diào)方案的首選，廣泛采用中央空調(diào)系統(tǒng)同時(shí)，節(jié)能問題不容忽視。

三、中央空調(diào)系統(tǒng)變流量的節(jié)能控制

變頻技術(shù)是在交流電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)電源之間，裝一個(gè)頻率可變化的裝置，它的輸出頻率可隨著生產(chǎn)機(jī)械的需要而變化。變頻器全稱為變頻變壓調(diào)速器VVVFI（Variable Voltage&Variable Frequeney inverter），是把工頻電源（50Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)變速運(yùn)行的設(shè)備。

交流變頻調(diào)速技術(shù)是將電力電子、自動(dòng)控制、微電子、電機(jī)學(xué)等技術(shù)集成的一項(xiàng)高新科技。它以其優(yōu)異的調(diào)速性能、顯著的節(jié)能效果以及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域廣泛的適用性而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是世界上應(yīng)用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動(dòng)方案，是電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。它為提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，節(jié)約能源、降低消耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提供了重要的新手段。

在中央空調(diào)水系統(tǒng)中，最主要的運(yùn)行設(shè)備是水泵。水泵調(diào)速運(yùn)行節(jié)電的理論之一是水泵學(xué)比例律。由水泵學(xué)比例律可知，對(duì)于同一臺(tái)水泵，當(dāng)以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，水泵的流量Q，揚(yáng)程H，軸功率P與轉(zhuǎn)速n有如下關(guān)系：

流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。由此可見，當(dāng)降低轉(zhuǎn)速時(shí)，功率的減少量遠(yuǎn)比流量的減少量大得多。因此，控制水泵的轉(zhuǎn)速可以有效地控制水泵的消耗功率，這就是中央空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能的基礎(chǔ)。

交流異步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速公式為：

式中n為交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速；f為廠電網(wǎng)電源的頻率（我國(guó)為50Hz）；p為極對(duì)數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。

將變頻器的輸出頻率記為fh，代入公式得：

由上式可知，在轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本和fh成反比，所以改變電源頻率可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

通過頻率變化來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速與傳統(tǒng)變速方法相比有以下優(yōu)點(diǎn)：①調(diào)速范圍廣；②可實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速；③能做到與直流調(diào)速不相上下的程度；④啟動(dòng)為軟啟動(dòng)，減小了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

中央空調(diào)水系統(tǒng)中，其冷卻水泵、冷凍水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的容量是按照最大熱交換的情況設(shè)計(jì)的，由于外界因素的影響，實(shí)際的熱交換量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值。最初大多采用改變投入運(yùn)行水泵和風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的方法，這種步進(jìn)式控制基本上不可能實(shí)現(xiàn)跟蹤負(fù)荷變化，無法按需供給冷（熱）量?？照{(diào)中熱交換量的大小主要取決于冷卻水或冷凍水的流量以及風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，其中水的流量取決于水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)末端負(fù)荷的變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入頻率，從而調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到水泵調(diào)節(jié)供水流量的目的，減小水泵的輸送動(dòng)力，可以起到節(jié)能的目的。隨著變頻器技術(shù)的成熟及其價(jià)格的大幅下降，越來越多的工程師開始認(rèn)識(shí)到在空調(diào)水系統(tǒng)中應(yīng)用變頻器改變水泵轉(zhuǎn)速所帶來的巨大效益。

對(duì)中央空調(diào)設(shè)備，除了選擇效率高的空調(diào)設(shè)備外，如果能在控制方面找到方法，采用合適的控制策略，用現(xiàn)在化控制技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制技術(shù)，對(duì)建筑節(jié)能具有重要的意義，而未來智能建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)也應(yīng)當(dāng)能充分體現(xiàn)智能建筑舒適、節(jié)能兩大特點(diǎn)。合理計(jì)算暖通空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷量，并由此對(duì)系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行最優(yōu)控制，根據(jù)實(shí)際所需負(fù)荷改變其運(yùn)行工況，必會(huì)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效果，大大推動(dòng)空調(diào)節(jié)能的發(fā)展，對(duì)緩解當(dāng)前能源緊張的局面大有裨益，這就對(duì)控制系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，從而也對(duì)傳統(tǒng)的控制算法和方法提出了新的挑戰(zhàn)。最初，大部分（包括空調(diào)的）變頻器采用傳統(tǒng)的PID控制，近幾年，將智能控制技術(shù)與變頻控制相結(jié)合成為研究的熱點(diǎn)。

四、結(jié)語

本文在介紹中央空調(diào)系統(tǒng)的原理的基礎(chǔ)上，分析了變流量空調(diào)系統(tǒng)的和實(shí)現(xiàn)方法：將變頻技術(shù)和智能控制中央空調(diào)的控制。使用變頻器控制泵的利用頻率變化改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)泵的流量，則既可以靈活地根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的調(diào)整流量，方便的實(shí)現(xiàn)恒溫控制，又可以節(jié)約大量能量。同樣，對(duì)冷卻塔的散熱風(fēng)由于季節(jié)、天氣和時(shí)段的變化，并不是總需要風(fēng)扇運(yùn)行在工頻對(duì)應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速，可據(jù)實(shí)際情況通過變頻器來調(diào)速，以達(dá)到良好的節(jié)能效果。

[1]梁春生，智勇等．中央空調(diào)變流量節(jié)能控制技術(shù)[M]．北京:電子工業(yè)出版社，2005

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