摘要：簡要分析了中央空調(diào)的構(gòu)成及其制冷原理，以中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)為研究對象，針對冷凍水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，設計了中央空調(diào)循環(huán)變水量控制方案，為相關(guān)自控設計人員提供參考。

關(guān)鍵詞：樓宇自動化;中央空調(diào);水循環(huán)系統(tǒng);變水量控制

0 引言

隨著現(xiàn)代建筑設計日趨復雜，中央空調(diào)系統(tǒng)作為現(xiàn)代樓宇控制系統(tǒng)中尤為重要的一部分，在給人們的生活帶來便利的同時，其能耗也占到樓宇能耗的一半，因此如何降低中央空調(diào)能耗成為了人們廣泛關(guān)注的話題，本文將重點研究如何利用變流量控制模式降低中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的能耗。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成

中央空調(diào)系統(tǒng)一般主要由冷水機組、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、盤管風機、冷卻塔及其相應控制系統(tǒng)組成[1]。其中冷水機組可以看作是整個系統(tǒng)的“心臟”，它主要由蒸發(fā)器、節(jié)流裝置和壓縮機等裝置組成，是系統(tǒng)中最主要的制冷源[2]。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)負責將常溫水與制冷劑進行熱交換，并將冷凍水送入風機盤管以產(chǎn)生低溫空氣[3]。冷卻水系統(tǒng)則負責將冷凍水送入冷卻塔進行冷卻處理，以得到常溫水并提供給系統(tǒng)做循環(huán)使用[4]。而盤管風機的作用是根據(jù)建筑內(nèi)使用需求，通過風機向空調(diào)區(qū)域傳輸冷風量并保證室內(nèi)溫濕度恒定[5]。

2 中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)分析

冷凍水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)共同構(gòu)成了中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)，該系統(tǒng)以水為媒介完成熱量的交換與傳遞。制冷劑在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)完成熱量的吸收，在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中又將熱量通過冷凝器和冷卻塔傳遞出去。循環(huán)水系統(tǒng)具備兩個特征：一是復雜性;二是時延性。

3 中央空調(diào)循環(huán)變水量控制方案設計

3.1 ? ?變水量控制基本原理

水系統(tǒng)運行時涉及熱量的交換與傳遞，該過程可用物理學公式表示：

式中，Q為循環(huán)水系統(tǒng)負荷;C為常數(shù)值，表示水的比熱容;W為冷水流量;Δt為供回水溫差。

Q值通常是一個變量。為了保證式（1）的成立，系統(tǒng)常通過調(diào)整W或Δt的值使之與負荷相匹配，而所謂變水量控制即保持供回水溫差Δt不變，通過調(diào)節(jié)W的值來滿足實際負荷的變化需求。為實現(xiàn)變水量控制，就需要改變水泵電動機的轉(zhuǎn)速，典型的三相異步電機的轉(zhuǎn)速n往往可以由式（2）計算得到：

式中，n為電機轉(zhuǎn)速;f為電源頻率;p為電動機定子繞組磁極對數(shù);s為電動機轉(zhuǎn)差率。一般來說，中央空調(diào)水系統(tǒng)往往采用離心泵作為輸送動力，離心泵的各項參數(shù)需滿足以下特性：

式中，P為水泵機軸輸出功率;Q為水泵液體流量;H為水泵揚程;n為水泵轉(zhuǎn)速;K1～K5為常數(shù)系數(shù)。

從式（3）可以看出，若保持水泵機軸輸出功率P不變，對Q進行調(diào)節(jié)，水泵揚程H的值將會發(fā)生變化，Q越小，H越大，但在實際工作環(huán)境下，揚程H是一個基本不變的值，因此Q若變小，將會產(chǎn)生揚程富余的情況。我們對式（3）做進一步變形和換算可得式（4），根據(jù)式（4）可知，水泵機軸輸出功率P同時也與n3呈正相關(guān)，因此，只要降低水泵轉(zhuǎn)速，就可以相應調(diào)節(jié)Q，使之減小，從而可以對H進行自由調(diào)節(jié)。在Q為定值的情況下，P與n2呈正比，因此在供水流量一定的前提下，n越低，功耗P也就越小。

綜上所述，我們可以通過變頻器調(diào)整電源頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，最終調(diào)節(jié)循環(huán)水流量以匹配負荷，降低轉(zhuǎn)速的同時，系統(tǒng)能耗同樣也會得到降低。

3.2 ? ?冷凍水變水量控制方案設計

在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，供水溫度通常為7 ℃，回水溫度為12 ℃，從式（1）可以看出，若供水溫度恒定在7 ℃，那么回水溫度與供水溫度之間的溫度差就代表了此時空調(diào)的負荷大小，冷凍水變水量控制方案的設計就是以此為基礎，保證供水溫度恒定，并設定回水溫度為12 ℃，通過溫度傳感器檢測回水實時溫度，比較回水溫度與設定值的大小，判斷房間內(nèi)負荷是否需要調(diào)整。若實際回水溫度大于設定值，則表示中央空調(diào)系統(tǒng)負荷增大，此時應增加冷凍水泵轉(zhuǎn)速;若實際回水溫度小于設定值，則表示中央空調(diào)系統(tǒng)負荷減小，此時應降低冷凍水泵轉(zhuǎn)速，控制過程如圖1所示。此外，需要注意的是，水冷機組通常對冷凍水流量有一定要求，不能低于額定的下限閾值，否則會導致機組控制系統(tǒng)保護停機，因此我們需要設置變頻器的下限頻率，確保電源頻率始終在下限頻率之上。本方案中冷凍水泵的變頻控制系統(tǒng)設計如圖2所示。

3.3 ? ?冷卻水變水量控制方案設計

冷卻水變水量控制方案一般可以分為兩種：一種是定溫差控制方案，另一種是冷凝溫度控制方案，我們一般根據(jù)冷卻水泵與冷水機組功率比值選定合適的控制方案。本文所討論的重點是冷凝溫度控制方案，冷卻水變頻控制方案與冷凍水變頻控制方案類似。若冷卻水出水溫度高于設定值，此時應當增大電源頻率，提高冷卻水泵轉(zhuǎn)速以增大冷卻水流量，反之，若冷卻水出水溫度低于設定值，則應當通過變頻器降低電源頻率，減小冷卻水流量直至冷卻水出水溫度恢復設定值，一般設定值為37 ℃，冷卻水變頻控制系統(tǒng)設計如圖3所示。

4 結(jié)語

本文以降低中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的能耗為目標，介紹了中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的基本特征，并以此為基礎分析了變水量控制基本原理。針對循環(huán)水系統(tǒng)中的兩個子系統(tǒng)——冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，分別制定了其變水量控制方案，期望本文的研究內(nèi)容可以對相關(guān)自控設計人員起到借鑒作用，并促進樓宇自動化的可持續(xù)發(fā)展。

[參考文獻]

[1] 馮國良.中央空調(diào)循環(huán)水泵變頻控制與節(jié)能分析[J].科技經(jīng)濟導刊，2019，27（18）：39.

[2] 倪曉晨.中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)化研究[D].西安：西安工程大學，2019.

[3] 馮東磊.中央空調(diào)循環(huán)水電子除垢技術(shù)研究與開發(fā)[D].石家莊：河北科技大學，2019.

[4] 張東來.中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探討[J].住宅與房地產(chǎn)，2018（28）：73.

[5] 秦沖.一種基于PLC和變頻器的中央空調(diào)循環(huán)水節(jié)能控制系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2018（3）：167-169.

收稿日期：2020-02-04

作者簡介：吳霄陽（1989—），男，北京人，研究方向：樓宇自控（弱電控制編程）。