朱光勇

摘 要：冷卻水系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)中的主要耗能設備，對其節(jié)能控制策略展開探討具有十分重要的意義。分析了中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的組成和作用，介紹了冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能控制策略，并結(jié)合仿真實驗驗證了該策略的節(jié)能控制效果。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；冷卻水系統(tǒng)；節(jié)能控制；仿真實驗

中圖分類號：TU831.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.051

隨著生活水平的日益提高，人們對建筑的使用性能提出了更高的要求，而中央空調(diào)能夠調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度及濕度、改善室內(nèi)環(huán)境，在建筑中得到廣泛的應用。但是，在建筑體系中，中央空調(diào)系統(tǒng)是能耗大戶，其能耗占據(jù)建筑總能耗的40%～70%.因此，中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能問題成為了建筑節(jié)能的重點，其中，冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能是重中之重。

1 冷卻水系統(tǒng)的組成和作用

如圖1所示，冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等設備共同組成中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)。冷卻水泵主要為冷卻水提供動力；冷卻塔是冷卻水散熱的場所，是冷卻水系統(tǒng)的主要耗能設備，因此也是節(jié)能研究的重點。

中央空調(diào)冷機的能效受冷卻水系統(tǒng)運行參數(shù)的影響十分明顯，冷卻水泵變頻調(diào)速可以達到冷卻水泵節(jié)能的目的，進而調(diào)節(jié)冷卻水流量。然而，冷卻水流量并不是越小越好，如果冷卻水流量過低，必將影響到中央空調(diào)冷機的散熱效果，進而勢必影響到冷凍機組的能效，致使中央空調(diào)冷凍機組能耗上升。

冷卻塔的節(jié)能主要通過對冷卻塔風扇變頻或改變冷卻塔運行臺數(shù)實現(xiàn)，冷卻塔的冷卻效果與冷卻水的流量、室外空氣的溫濕度有密切的關(guān)系。在冷卻水流量一致的情況下，冷卻塔冷卻效果的不同會導致冷卻水出水溫度的不同，最終也會影響冷凍機組的能效。因此，應該考慮在某一冷機負荷和濕球溫度下，冷卻水泵和冷卻塔風機應該在多大的頻率下運行，才使冷卻水泵、冷卻塔風機與冷機的總能耗最低。

2 冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制目標及調(diào)節(jié)的量

冷凍機組的熱量主要由冷卻水系統(tǒng)帶走，所以冷卻水系統(tǒng)對冷凍機組能效影響明顯。而中央空調(diào)系統(tǒng)其他部分能效受冷卻水系統(tǒng)的影響非常微小，因此，冷卻水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)應該考慮冷卻水系統(tǒng)與冷機的能耗，其控制目標是實現(xiàn)冷卻水泵和冷卻塔能耗值和最小，PCOP最大。PCOP按下式計算：

（1）

式（1）中：PCOP為能效比；Q為冷機的制冷量；PL為冷卻塔的輸入功率；PB為冷卻水水泵的輸入功率。

由于冷卻水系統(tǒng)不存在水力平衡問題，使用閥門調(diào)節(jié)能達到的流量改變效果，完全可以用調(diào)節(jié)冷卻水泵來替代，如果關(guān)小閥門，反而會造成能耗增加。因此，冷卻塔風機和冷卻水泵頻率或轉(zhuǎn)速是能夠有效調(diào)節(jié)的量。

3 冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制策略

中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)受室外溫度、濕度和自身運行工況的共同影響，系統(tǒng)復雜。我們首先確定分析方法，就是在不同的室外氣象條件下分析比較各個風機、水泵的運行頻率，確定水泵、風機在何種頻率時整個系統(tǒng)節(jié)能效果最優(yōu)。

先假定一個冷卻塔進口水溫Tcw，按流程計算，可以得到一個冷卻塔出口水溫Tcw1，前面和后面2個冷卻塔出口水溫值大小相等，則計算過程完成，可得到冷凍機組、水泵、風機的能耗與它們的能耗之和。由于冷卻水管路上的閥門不發(fā)生位置和大小的變化，冷卻水管的阻力特性相應地也不會發(fā)生改變，因此水泵功率與頻率為三次方的關(guān)系，相應的風機功率與風機頻率也為三次方關(guān)系。因此，可以通過現(xiàn)場測量得到風機和水泵的頻率，函數(shù)Wpump=f5（Ppump）與Wfan=f6（Pfan）的形式就能被確定下來。

冷卻塔出水溫度Tout為：

Tout=f3（Ppump，Pfan，Twb，Tin）. （2）

冷卻水系統(tǒng)的冷卻塔實際上就是一個換熱器，換熱效率Et與風的流量、冷卻水的流量都有關(guān)，獲得換熱的效率就能夠根據(jù)室外濕球溫度、冷卻水進口溫度來計算并得出冷卻塔出水溫度。因此，問題轉(zhuǎn)變成如何獲得換熱效率。換熱效率Et的表達式如下：

（3）

Et=Et（Ppump，Pfan）. （4）

在式（3）（4）中，Tin，Tout，Twb，Ppump和Pfan都很容易在現(xiàn)場測量，根據(jù)這些我們可以計算出冷卻塔的換熱效率Et.

4 冷卻水系統(tǒng)仿真實驗

4.1 離散事件的基本要素

離散事件的要素包括實體、屬性、事件、活動和進程等。冷卻水系統(tǒng)是復雜、隨機、離散型的系統(tǒng)，比如影響冷卻塔出水溫度室外溫度和濕球溫度都具有隨機性，冷卻塔的風機和冷卻水泵的頻率都能夠按照設定的規(guī)則運轉(zhuǎn)，它們之間構(gòu)成一種動態(tài)關(guān)系。室外溫度、濕球溫度與冷卻塔風機、冷卻水泵的頻

率有著對應關(guān)系，冷卻水系統(tǒng)滿足動態(tài)平衡。這種關(guān)系的最優(yōu)狀態(tài)是既滿足冷機要求，又達到PCOP最大。

4.2 冷卻水系統(tǒng)模型的搭建與運行

在Anylogic軟件上建立冷卻水系統(tǒng)模型，模型中包括冷卻水泵、冷卻塔風機，還有室外濕球溫度、冷卻塔的進水溫度、冷卻塔風機頻率和冷卻水泵頻率等。

在某時刻給定的冷卻塔進水溫度、室外的濕球溫度是確定的，然后控制器就會根據(jù)該室外濕球溫度、冷卻塔進水溫度的狀況來控制冷卻塔風機的頻率和冷卻水泵的頻率，采用不同的控制信號使冷卻塔出水溫度達到預定的值。當然，得到冷卻塔出水溫度預定值的方法有很多種，比如可加大冷卻塔風機的頻率，更多地帶走冷卻水中的熱量。通過最終的數(shù)據(jù)分析，從眾多方法中分析找出既滿足冷機負荷要求，又使冷卻水系統(tǒng)和冷機能耗最小的控制方法。

5 實驗數(shù)據(jù)分析及控制效果對比

為了驗證控制策略的控制、節(jié)能效果，在現(xiàn)場采集大量室外濕球溫度、冷卻塔進水溫度、冷卻塔出水溫度以及對應情況下冷卻塔風機頻率和冷卻水泵頻率的數(shù)據(jù)。把現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)在Anylogic冷卻水系統(tǒng)模型中進行仿真模擬運行，在節(jié)能控制系統(tǒng)調(diào)試、仿真工作完成后，對在某室外濕球溫度、冷卻塔進水溫度下，采用模擬得到的最佳冷卻水泵頻率和冷卻塔風機頻率的數(shù)據(jù)進行分析。最后對模擬運行狀態(tài)與傳統(tǒng)粗放控制方法進行對比，分析、比較控制效果及能耗比變化，驗證節(jié)能控制結(jié)果。仿真結(jié)果曲線如圖2所示。

通過對仿真得到的數(shù)據(jù)進行分析可知，冷卻水系統(tǒng)采用Anylogic軟件仿真，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得出最佳的冷卻水泵、冷卻塔運行工況去控制冷卻水變流量的控制策略，控制效果優(yōu)良、節(jié)能效果明顯。

6 結(jié)束語

綜上所述，冷卻水系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)中的重要組成部分，其能耗占據(jù)中央空調(diào)總能耗的15%～20%.因此，冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要問題，同時也是建筑節(jié)能的重點。本文對中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制策略進行了介紹，經(jīng)驗證，該節(jié)能控制策略效果顯著，對中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能設計具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]彭彥平，任慶昌，閆秀英.中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)雙機變頻節(jié)能控制研究[J].控制工程，2015（06）.

[2]王日英，羅文廣，吳小娜，等.中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制研究[J].計算機測量與控制，2014（11）.

〔編輯：劉曉芳〕