于雷

（北京新型材料建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100044）

中央空調(diào)系統(tǒng)全負(fù)荷運(yùn)行時，其附屬設(shè)備冷水泵、冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)機(jī)耗電約占中央空調(diào)總耗電量的12%-15%左右。根據(jù)美國空調(diào)制冷學(xué)會（ARI）的統(tǒng)計(jì)；一般空調(diào)設(shè)備有90%的時間運(yùn)行在70%負(fù)荷以下，因此在部分空調(diào)負(fù)荷時，冷水泵、冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)機(jī)耗電量所占比例將會更高。

目前中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制大?針對冷水主機(jī)，很少針對附屬設(shè)備中冷水泵、冷卻水泵與冷卻塔風(fēng)機(jī)做研究，雖然中央空調(diào)系統(tǒng)水泵及冷卻塔風(fēng)機(jī)已漸采用變頻節(jié)能控制，然變頻實(shí)施后節(jié)能效果不一，不少空調(diào)散熱系統(tǒng)中冷卻塔與冷水主機(jī)之間節(jié)能運(yùn)行存在著顧此失彼、因小失大的問題，影響了系統(tǒng)的運(yùn)行和節(jié)能效果。

國內(nèi)現(xiàn)有的大樓或工、商業(yè)等一定規(guī)模的中央空調(diào)系統(tǒng)中，普遍采用有較高運(yùn)行效率的水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)，但其冷卻散熱系統(tǒng)的冷卻水泵和冷卻塔皆按最大空調(diào)負(fù)荷匹配設(shè)置，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷時，由于制冷量小，冷凝熱負(fù)荷也小。因此，冷卻散熱系統(tǒng)的冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)就不需全部投入運(yùn)行以節(jié)約耗能。為了進(jìn)一步提升中央空調(diào)的整體效率，還要針對中央空調(diào)散熱系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)（冷卻水溫度）進(jìn)度最佳化調(diào)節(jié)使得整體耗能（包括冷水主機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷卻水泵的耗能）達(dá)到最小。使空調(diào)系統(tǒng)的變頻節(jié)能工作盡可能做到完美無缺、獲得最大的節(jié)能效果。

1 冷卻水溫度最佳化控制

對大中型空調(diào)系統(tǒng)而言，水冷式冷水機(jī)組是采用得最為普遍的冷源。目前國內(nèi)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都把冷卻水供、回水溫度定義為32℃、37℃的運(yùn)行范圍。這是因?yàn)槲覀儗渌畽C(jī)組性能測定是在冷卻水溫度32℃進(jìn)入冷凝器，37℃流出冷凝器的條件下定義的。但冷水機(jī)組在實(shí)際使用時，有90%以上的時間運(yùn)行在非設(shè)計(jì)條件（部分負(fù)荷）下。此時，不但冷水機(jī)組的工作負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷有偏差，而且由于室外氣候條件的變化，冷水機(jī)組的工作點(diǎn)也與設(shè)計(jì)工作點(diǎn)有很大的不同。在各種不同的空調(diào)條件下需要進(jìn)行冷卻水溫度的最佳化控制才能使得整體冷水機(jī)組的耗能最低。

對于傳統(tǒng)機(jī)械式的冷卻塔，其風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，冷卻水的溫度就會越低，此時冷卻塔的耗電越大；但是對于冷水主機(jī)來說，冷卻水溫度越低，冷水主機(jī)的耗電越少。反之，若冷卻塔轉(zhuǎn)速越低，冷卻水的溫度就越高，這樣冷卻塔的耗電越少。但對于主機(jī)來說，由于進(jìn)入冷凝器的水溫升高，相應(yīng)的主機(jī)耗電會增加。這里顯然存在一個最佳化控制的問題。

實(shí)際上，冷水主機(jī)和冷卻塔的整體最低耗能并非確定在某一個固定的冷卻水溫度上，它會隨著室外濕球溫度、冷水主機(jī)的負(fù)荷的變化而變化。因此，若能在冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，及時計(jì)算出該時刻的冷卻水最佳化溫度，將其提供給冷水主機(jī)的冷凝器，則將減少冷水主機(jī)與冷卻塔的整體耗能。

冷卻水溫的調(diào)節(jié)有許多方法，有冷卻水系統(tǒng)的旁通泵變頻控制，也有冷卻塔風(fēng)機(jī)的兩段風(fēng)速控制，還有冷卻塔風(fēng)機(jī)的無段變頻控制。采用多部冷卻塔并聯(lián)，對風(fēng)機(jī)采變頻調(diào)速控制，多部冷卻塔并聯(lián)且以較低轉(zhuǎn)速運(yùn)行是冷卻塔節(jié)能的一個較好方法。

冷卻塔雖然是中央空調(diào)系統(tǒng)中的附屬設(shè)備，但它卻擔(dān)負(fù)著散發(fā)整個系統(tǒng)所吸收的總熱量的重要任務(wù)。因此，對冷卻塔的操作正確與否，直接關(guān)系到整個空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果和節(jié)能。冷卻塔出水溫度tct=ts+4℃，ts為濕球溫度，由冷卻塔出水溫度15℃為條件可以推出，室外濕球溫度ts必須小于11℃-12℃。在自控系統(tǒng)中，現(xiàn)行的溫濕度傳感器測量到的參數(shù)為室外干球溫度和室外空氣相對濕度，而判斷冷卻塔投入運(yùn)行量的多寡則是利用室外濕球溫度的大小來衡量的，因此必須從測量到的室外干球溫度ts和室外空氣相對濕度去求出室外濕求溫度，這個求解過程可由空調(diào)原理來計(jì)算。

2 冷水溫度最佳化控制

中央空調(diào)冷水機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)條件下系按所規(guī)定的冷水回水溫度為12℃，供水溫度7℃溫差為5℃的條件下運(yùn)行的，對于同一臺冷水機(jī)組來說，若運(yùn)行條件不變，外界負(fù)荷固定的情況下，冷水機(jī)組的制冷量是一定的。此時，通過蒸發(fā)器的冷水流量與供、回水溫差成反比關(guān)系，即冷水流量越大，溫差越?。环粗?，流量越小，溫差越大。所以，冷水機(jī)組規(guī)定冷水供回水溫差為5℃，這實(shí)際上是規(guī)定了機(jī)組的冷水流量。這種冷水流量的控制實(shí)際上為控制冷水通過蒸發(fā)器的壓力降。

當(dāng)冷水出水溫度的設(shè)定溫度增加時，冷水主機(jī)的耗電量（kW）即可下降，性能系數(shù)（COP）則將隨之增大，表示冷水主機(jī)于設(shè)定較高的冷水出水溫度時，將可獲得較佳的節(jié)能效果。但由于實(shí)際應(yīng)用時，某些應(yīng)用場合空調(diào)的要求條件較為嚴(yán)格，不允許隨意提升冷水出水溫度，因此若能在空調(diào)系統(tǒng)初期規(guī)劃設(shè)計(jì)時，將高冷水溫度系統(tǒng)與低冷水溫度需求的系統(tǒng)分別獨(dú)立設(shè)計(jì)，以不同的冷水主機(jī)供給不同冷水水溫必能大幅地減少運(yùn)行成本及能源。

3 中央空調(diào)系統(tǒng)部分負(fù)荷運(yùn)行的節(jié)能控制

在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，顯然，按滿負(fù)荷配置的冷卻水系統(tǒng)，在部分負(fù)荷時存在著最佳調(diào)節(jié)問題。在部分負(fù)荷時，由于制冷量小，冷凝熱負(fù)荷也小。因此，冷卻水系統(tǒng)的水泵、冷卻塔就不需全量投入運(yùn)行。但是，如果投入量不足，無疑將使冷凝條件惡化，造成冷凝溫度上升，相應(yīng)的冷凝壓力上升。在壓縮式冷媒循環(huán)中，蒸發(fā)溫度不變而冷凝壓力（溫度）上升時，壓縮機(jī)的功耗增大，循環(huán)性能下降。但水系統(tǒng)的能耗減少。因此，在一定條件下，減少冷卻水流量可以使總能耗減少，獲得節(jié)能效果。

結(jié)語

如前所述，空調(diào)系統(tǒng)大部分時間運(yùn)行在部分負(fù)荷狀態(tài)下，定頻運(yùn)行的水泵、風(fēng)機(jī)處于超揚(yáng)程、超流量的運(yùn)行狀態(tài)，如果采用變頻方法控制水泵、風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，可以解決超揚(yáng)程、超流量的不利運(yùn)行條件，同時通過適當(dāng)?shù)乃谩L(fēng)機(jī)頻率控制策略，可以使水泵、風(fēng)機(jī)運(yùn)行在高效率區(qū)域，并能很好適應(yīng)系統(tǒng)流量及揚(yáng)程需求，達(dá)到理想的節(jié)能效果。

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[3]H.Crowther and J.Furlong,"Optimizing Chillers&Tower," [J],ASHRAE Journal,Vol.46,pp.34-40,2012.