方徐根，楊 敏，梁利霞

（浙江建科節(jié)能環(huán)保科技有限公司，浙江 杭州310012）

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，建筑規(guī)模和綜合化隨之也不斷擴(kuò)大，采用一、二級(jí)冷凍水循環(huán)泵的中央空調(diào)系統(tǒng)越來(lái)越廣泛被采用?！睹裼媒ㄖ┡L(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50736—2012）》第8.5.4條對(duì)二級(jí)泵系統(tǒng)的選用條件作出了規(guī)定：“系統(tǒng)作用半徑較大、設(shè)計(jì)水流阻力較高的大型工程，宜采用變流量二級(jí)泵系統(tǒng)。當(dāng)各環(huán)路的設(shè)計(jì)水溫一致且設(shè)計(jì)水流阻力接近時(shí)，二級(jí)泵宜集中設(shè)置；當(dāng)各環(huán)路的設(shè)計(jì)水流阻力相差較大或各系統(tǒng)水溫或溫差要求不同時(shí)，宜按區(qū)域或系統(tǒng)分別設(shè)置二級(jí)泵?！保?］傳統(tǒng)的一、二級(jí)泵控制模式為：一級(jí)泵采用定流量控制，確保冷水機(jī)組的額定流量；二級(jí)泵根據(jù)負(fù)荷側(cè)的需求采用變頻控制。究其原因：其一是一級(jí)泵變頻控制的可靠性存在很大的疑問(wèn)，易引起冷水機(jī)組的保護(hù)停機(jī)；其二是如何選用被控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷側(cè)、二級(jí)泵的水量平衡以及一次環(huán)路與二次環(huán)路的水量平衡。針對(duì)以上存在的問(wèn)題，筆者提出采用壓差控制方式來(lái)進(jìn)行一、二級(jí)泵變流量控制，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，挖掘中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的最大節(jié)能潛力。

1 控制原理

一、二級(jí)泵空調(diào)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是將空調(diào)系統(tǒng)中常規(guī)的冷凍水循環(huán)泵分為兩級(jí)。一級(jí)泵負(fù)責(zé)克服冷水機(jī)組的阻力，一級(jí)泵與冷水機(jī)組一一對(duì)應(yīng)；二級(jí)泵用來(lái)克服負(fù)荷側(cè)的阻力。一級(jí)泵、冷水機(jī)組、旁通管、供回水管路等構(gòu)成一次環(huán)路。二級(jí)泵、負(fù)荷側(cè)設(shè)備、旁通管、供回水管路等構(gòu)成二次環(huán)路。典型的一、二級(jí)泵空調(diào)系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

圖1 一、二級(jí)泵空調(diào)系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)通過(guò)旁通管將冷水系統(tǒng)分為冷凍水制備和冷凍水輸送兩個(gè)部分，形成一次環(huán)路和二次環(huán)路。旁通管將一次環(huán)路與二次環(huán)路連接在一起，使一次環(huán)路與二次環(huán)路既相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系。由于負(fù)荷側(cè)的需求時(shí)刻在變化，很難實(shí)現(xiàn)一次環(huán)路流量與二次環(huán)路流量完全相匹配。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷降低，二級(jí)泵的流量減小，一級(jí)泵流量應(yīng)相應(yīng)減小，否則一次環(huán)路的壓力大于二次環(huán)路的壓力，造成一次環(huán)路的水流通過(guò)旁通管直接流向冷水機(jī)組，使得回水溫度降低，增加了空調(diào)系統(tǒng)的輸送能耗，降低了冷水機(jī)組的效率。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加，二級(jí)泵的流量增大，一級(jí)泵流量應(yīng)相應(yīng)增大，否則一次環(huán)路的壓力小于二次環(huán)路的壓力，造成二次環(huán)路的水流通過(guò)旁通管直接流向用戶(hù)端，使得用戶(hù)側(cè)供水溫度升高，降低了空調(diào)末端的效率，影響了空調(diào)的使用效果。通過(guò)分析，在保證負(fù)荷側(cè)、二級(jí)泵的水量平衡以及一次環(huán)路與二次環(huán)路的水量平衡的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能，控制旁通管兩端壓力平衡成為了最終的控制目標(biāo)。

由于水泵的流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，而水泵的功率則與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。如通過(guò)變頻調(diào)速使水泵的流量由額定值Q降至80%Q時(shí)，轉(zhuǎn)速將由額定值n降至80%n，此時(shí)泵的軸功率由額定值P降至51.2%P，理論上降低了48.8%P的能耗，節(jié)能效果顯著。

2 控制方案

由于空調(diào)系統(tǒng)的回水溫度有一定的滯后性，壓差控制具有反應(yīng)靈敏，控制穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，因此壓差控制得到了廣泛的應(yīng)用和研究。一、二級(jí)泵空調(diào)系統(tǒng)壓差控制原理圖見(jiàn)圖2：二級(jí)泵壓差控制的測(cè)量點(diǎn)選擇P2、P3的壓力差跟蹤設(shè)定的壓力差進(jìn)行二級(jí)泵的變頻控制。一級(jí)泵壓差控制的測(cè)量點(diǎn)選擇P1、P2的壓力差跟蹤設(shè)定的壓力差進(jìn)行一級(jí)泵的變頻控制。

智能控制器根據(jù)監(jiān)測(cè)的壓差信號(hào)和實(shí)際控制要求，執(zhí)行PID智能控制算法［2］，計(jì)算出控制量后，將控制信號(hào)輸出給變頻器，變頻器實(shí)現(xiàn)一、二級(jí)水泵的調(diào)速，改變一、二次環(huán)路的水流壓力和流量，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)荷側(cè)、二級(jí)泵的水量平衡以及一次環(huán)路與二次環(huán)路的水量平衡，并最終實(shí)現(xiàn)一、二次環(huán)路水流的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。PID智能控制原理見(jiàn)圖2。

圖2 PID智能控制原理

PID智能算法：

式中：Kp為比例增益；

TI為積分時(shí)間常數(shù)；

TD為微分時(shí)間常數(shù)；

u（t）為控制量（控制器輸出）；

e（t）為被控量與給定量的偏差。

3 具體案例及控制效果

義烏市某醫(yī)院中央空調(diào)工程改造是中央公共建筑節(jié)能改造示范項(xiàng)目的主要組成部分，改造前一級(jí)冷凍泵與冷水機(jī)組一一對(duì)應(yīng)，采用定流量運(yùn)行，二級(jí)泵采用供回水溫差變頻控制。項(xiàng)目于2018年9月實(shí)行節(jié)能改造，實(shí)現(xiàn)一、二級(jí)泵壓差變頻控制。項(xiàng)目改造前后的空調(diào)系統(tǒng)配置見(jiàn)表1。

表1 改造前后的空調(diào)系統(tǒng)配置

控制系統(tǒng)的下位機(jī)采用西門(mén)子S7-200系列的PLC，控制器采用CPU226，擴(kuò)展模塊采用EM223、EM232、EM235、CP243-1，上位機(jī)操作軟件采用西門(mén)子的WINCC軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)EM235模塊采集冷凍水系統(tǒng)的壓力信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送入CPU226，與設(shè)定的控制值進(jìn)行PID運(yùn)算，通過(guò)EM232模塊輸出4～20 mA的模擬信號(hào)至變頻器，控制水泵的運(yùn)行頻率，調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量。截止目前，項(xiàng)目正常運(yùn)行已超過(guò)1年，通過(guò)能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析，改造后空調(diào)系統(tǒng)的一級(jí)泵能耗較改造前降低了約16.3%，運(yùn)行與節(jié)能效果良好。

監(jiān)測(cè)控制主要功能為：

1）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供回水的溫度、壓力，水泵頻率，能耗監(jiān)測(cè)，旁通管的水流方向和流量等。

2）統(tǒng)計(jì)每臺(tái)主機(jī)和水泵的運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷需求自動(dòng)選擇主機(jī)、水泵的運(yùn)行順序和臺(tái)數(shù)。

3）當(dāng)水泵或變頻器故障時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)將備用泵或備用變頻器投入并將故障水泵鎖定，同時(shí)向控制系統(tǒng)發(fā)出故障信息。

4）壓差、PID等參數(shù)的設(shè)定。

5）設(shè)置變頻調(diào)節(jié)的最低運(yùn)行頻率（一般為30 Hz）。

6）自動(dòng)判定系統(tǒng)的最不利環(huán)路，選擇最不利環(huán)路的壓力進(jìn)行壓差控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）采用壓差閉環(huán)自動(dòng)控制方式，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)一、二級(jí)泵水流量的方法達(dá)到控制一、二次環(huán)路之間冷凍水流量與負(fù)荷變化之間的平衡，并通過(guò)工程實(shí)踐得以驗(yàn)證。

2）在保證冷卻水、一級(jí)泵適當(dāng)流量的情況下，不會(huì)造成制冷主機(jī)的損壞。

3）該控制方案簡(jiǎn)單、造價(jià)低、控制精度良好，可廣泛應(yīng)用于一、二級(jí)冷凍水循環(huán)泵的中央空調(diào)系統(tǒng)。

4）應(yīng)滿(mǎn)足供水最不利環(huán)路的阻力需求，變頻水泵應(yīng)設(shè)最低頻率限制。

5）一、二級(jí)泵壓差變頻控制，壓差的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際情況合理設(shè)定，先調(diào)試二級(jí)泵的壓差變頻控制，后調(diào)試一級(jí)泵的壓差變頻控制。

筆者認(rèn)為，這是一種簡(jiǎn)單而行之有效的參數(shù)設(shè)定方法，特此提出與讀者共同探討。