鄭 彬

（河南信息工程學(xué)校，河南 鄭州450000）

0 前言

隨著現(xiàn)代高層建筑及智能大廈的普及，中央空調(diào)得到廣泛的應(yīng)用，但是其高能耗占據(jù)了整個(gè)建筑能耗的很大部分，其節(jié)能技術(shù)也受到廣泛的關(guān)注。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)，中央空調(diào)系統(tǒng)的最大負(fù)載能力是按照氣溫最高、負(fù)荷最大的工作環(huán)境且再留有充足余量來設(shè)計(jì)的，而實(shí)際上系統(tǒng)又很少在這些極限條件下工作。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中央空調(diào)的用電量占各類大廈總用電量的70%以上，而中央空調(diào)設(shè)備97%的時(shí)間在70%負(fù)荷以下波動(dòng)運(yùn)行，所以實(shí)際負(fù)荷總不能達(dá)到滿負(fù)荷（俗稱“大馬拉小車”），造成大量的能源浪費(fèi)。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)概述

1.1 中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和制冷原理

中央空調(diào)系統(tǒng)一般主要由冷凍機(jī)組、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，將通過蒸發(fā)器盤管中的常溫水變成了低溫（7℃）冷凍水（稱“出水”），由冷凍機(jī)組流出并通過冷凍泵加壓送入盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，在各房間內(nèi)進(jìn)行熱交換；隨后冷凍水的溫度上升（12℃），并流回冷凍機(jī)組(稱“回水”)，如此不斷循環(huán)。

在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，氣態(tài)制冷劑經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后，進(jìn)入冷凝器與冷卻水進(jìn)行熱交換并逐漸冷凝成液態(tài)制冷劑，經(jīng)過節(jié)流裝置后進(jìn)入蒸發(fā)器。冷卻水吸收制冷劑釋放的熱量后，水溫升高（37℃），冷卻泵將升溫的冷卻水(稱“出水”)壓入冷卻塔，在冷卻塔中其與大氣進(jìn)行熱交換，然后再將降溫的冷卻水（32℃）送回到制冷機(jī)組(稱“回水”)，如此不斷循環(huán)。

1.2 中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗組成

冷凍機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)等制冷設(shè)備耗電約占中央空調(diào)系統(tǒng)總耗能的60%～70%，風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)耗電約占空調(diào)系統(tǒng)總耗能的30%～40%。

目前，中央空調(diào)系統(tǒng)普遍采用變流量控制技術(shù)，包括中央空調(diào)變水量系統(tǒng)（VWV）、變風(fēng)量系統(tǒng)（VAV）、變制冷劑流量系統(tǒng)（VRV）等。在變水量和變風(fēng)量控制系統(tǒng)中，普遍采用變頻技術(shù)，根據(jù)實(shí)際的負(fù)荷需求對(duì)水泵、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以減少部分負(fù)荷狀態(tài)下拖動(dòng)設(shè)備的耗能，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。

1.3 變頻節(jié)能原理

由水泵、風(fēng)機(jī)的工作原理可知：水泵、風(fēng)機(jī)的流量（風(fēng)量）與其轉(zhuǎn)速成正比；水泵、風(fēng)機(jī)的壓力（揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比；而水泵、風(fēng)機(jī)的消耗功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風(fēng)機(jī)的消耗功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）。根據(jù)上述原理可知：改變水泵、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（電源頻率）就可調(diào)整流量，同時(shí)改變其消耗功率。例如：當(dāng)供電頻率由50Hz降為45Hz，功率只有原來的72.9%；當(dāng)頻率降為40Hz，功率只有原來的51.2%?？梢?，變頻節(jié)能的效果是十分顯著的。

本文主要對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的變水量節(jié)能控制作一簡要的討論。

2 中央空調(diào)變水量節(jié)能控制系統(tǒng)

中央空調(diào)水循環(huán)回路包括兩個(gè)獨(dú)立的回路：冷凍水循環(huán)回路和冷卻水循環(huán)回路。傳統(tǒng)的定水量循環(huán)系統(tǒng)通常有兩個(gè)特點(diǎn)：一是絕大部分時(shí)間內(nèi)在遠(yuǎn)低于額定負(fù)荷情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。二是水循環(huán)系統(tǒng)出回水溫差低于設(shè)定值，導(dǎo)致空調(diào)水系統(tǒng)效率低下，浪費(fèi)能源。因此變水量運(yùn)行方式是節(jié)能的合理選擇。

下面以某學(xué)校綜合實(shí)訓(xùn)樓為例討論中央空調(diào)變水量節(jié)能控制。

2.1 工程概況

綜合實(shí)訓(xùn)樓共8層，1、2樓為圖書館與閱覽室，3～6層為實(shí)訓(xùn)室，7、8層為辦公室。中央空調(diào)為一次泵系統(tǒng)，采用兩臺(tái)（一用一備）水冷冷凍機(jī)組，額定功率146kW；冷凍泵兩臺(tái)（一用一備），電動(dòng)機(jī)功率為15kW；冷卻泵兩臺(tái)（一用一備），電動(dòng)機(jī)功率為20kW。該空調(diào)系統(tǒng)原為定流量設(shè)計(jì)，大部分時(shí)間工作在部分負(fù)荷條件下，冷凍水和冷卻水的出回水溫差都約為2℃，遠(yuǎn)低于5℃的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 冷凍水變水量控制方式

冷凍水變水量控制方式最常用的有定壓差變頻控制和定溫差變頻控制兩種方式。定溫差控制適用于一次泵定流量系統(tǒng)的改造，施工較容易。

定溫差變頻控制方式如圖2所示?？照{(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷與冷凍水的出回水溫差以及冷凍水的流量成正比，溫差的變化某種程度上反映了空調(diào)冷負(fù)荷的變化。將出回水溫差△T′與系統(tǒng)設(shè)定溫差△T（5±0.5℃）進(jìn)行比較，如果溫差△T′大，說明室內(nèi)溫度高，應(yīng)提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)速度以增加流量；反之溫差△T′小，則說明室內(nèi)溫度低，可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速以降低流量，節(jié)約電能。

一般而言，冷凍水系統(tǒng)的出回水溫差取為5℃，冷凍水出水溫度取7℃，回水溫度取12℃。在本系統(tǒng)中，冷凍機(jī)組自帶的控制系統(tǒng)可以較好的將出水溫度控制在設(shè)定值，因此只需通過調(diào)節(jié)冷凍水流量將回水溫度控制在12℃即可。

圖2 冷凍水定溫差變頻控制框圖

2.3 冷卻水變水量控制方式

冷卻水變水量控制方式有定溫差控制法和冷卻水出水溫度控制法，本系統(tǒng)采用冷卻水出水溫度控制法，同時(shí)調(diào)整冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來控制冷卻水回水溫度，如圖3所示。

圖3 冷卻水變水量控制框圖

冷卻水系統(tǒng)中主要有兩組拖動(dòng)設(shè)備——冷卻泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)，冷卻泵主要調(diào)節(jié)的是冷卻水的流量，冷卻塔風(fēng)機(jī)主要用來控制冷卻水的回水溫度。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，一般要求冷卻水回水溫度不高于32℃，出水溫度控制在37℃。在滿負(fù)荷或者外界環(huán)境溫度比較高時(shí)，冷卻水如果只與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換，其回水溫度會(huì)高于32℃，此時(shí)需要調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來降低冷卻水回水溫度。當(dāng)部分負(fù)荷工況或者外界環(huán)境溫度較低時(shí),冷卻水出水溫度會(huì)變小，可以降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減少冷卻水流量來提高冷卻水出水溫度，此時(shí)只需冷卻水與外界環(huán)境熱交換或者冷卻塔風(fēng)機(jī)無需工頻運(yùn)轉(zhuǎn)就可以將冷卻水回水溫度降低到32℃或者更低。因此，冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻控制的節(jié)能潛力更大。

3 結(jié)束語

正常情況下，系統(tǒng)運(yùn)行在變頻節(jié)能狀態(tài)，其頻率下限為30Hz，上限為50Hz，可自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)頻率；當(dāng)節(jié)能系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以起動(dòng)原工頻回路運(yùn)行，兩臺(tái)冷卻泵(或冷凍泵)可以手動(dòng)切換。

本綜合實(shí)訓(xùn)樓中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造完成后，至今已運(yùn)行三年有余，整個(gè)節(jié)能系統(tǒng)工作正常，節(jié)能效果顯著，充分證明了本系統(tǒng)變水量節(jié)能方案是可行的。

［1］唐進(jìn).變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].低壓電器，2009（07）.

［2］何耀東.中央空調(diào)實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.