中央空调冷冻水变水流量调节控制应用

随着国家对能源的可持续利用以及绿色节能的大力倡导，要求各行各业都要本着资源节约型与环境友好型发展创新。据不完全统计建筑行业在全国总能源用量中就占了大约11.7%。建筑中能耗最高的当属中央空调系统，其约占建筑总能耗的30%-50% 以上，而在一些大城市，中央空调的用电量占了总城市用电量的30% 左右。然而中央空调系统的能耗主要由制冷机组的能耗和循环水泵与风机的能耗构成, 其中制冷机组的能耗占总能耗的60% 以上, 水泵风机能耗约占总能耗的40%。
现在建筑节能问题越来越被大家关注，那么如何最大限度的降低空调系统的能耗成为在暖通空调系统的设计中亟待解决的问题。正如我们所知目前大部分的暖通空调系统都是定冷冻水流量系统，为了满足不同需求的运行工况这就要求水泵工作在一个比较高的运行条件下。但是由于一栋建筑物的负荷需求是随着时间和人员的流通情况动态变化的。这时就带来一个问题，当室内负荷需求下降时，就会导致空调系统出现“大流量、小负荷" 的情况。传统的空调系统不能根据实际需求来供冷，造成了大量的能量浪费。为了解决这部分巨大的能量浪费，变流量空调系统凭借出色的节能优势被人们所广泛接受。
近年来针对变水流量空调系统，国内外的学者做出了不少研究和探讨。1997 年，清华大学的江亿院士给出了水系统变流量调节时, 各用户支路可调性和稳定性的定量定义及它们的具体计算方法与现场实测方法。2006 年，中南建筑设计院的高养田就定速泵与变速泵并联使用问题做出了具体的分析与计算。2009 年张子鹏等就空调的不规则负荷变化提出模糊控制的方案，研究了针对变流量空调的控制器。2015年Thomas Hartman, P.E. 通过对制冷机组的冷冻水进行变流量分析，得出了冷冻水分配系统的设计和控制策略
由此可见变流量空调系统的发展前景越来越明朗，以下我将对变流量空调系统中冷却盘管的热力特性与循环水泵的能耗以及流量调节阀的特性做出简要的计算与分析。
1、变冷冻水流量空调系统
变流量空调系统(Variable Water Volume，简称VWV) 的工作原理是在保证室内的负荷需求及系统的安全运行的情况下，实时的对系统末端的实际情况做出调整。根据末端的负荷及温度的要求，改变空调管道中的水流量。末端需要多少流量，水泵就输出多少流量，避免出现“大流量、小负荷" 的情况。与此同时控制器会根据制冷机组制冷量的变化或当地气候条件改变所带来的机组温度的变化，实时监测制冷机组发热量的变化，并对冷却水的水流量做出实时调整，增加换热温差调高换热效率，控制制冷机组的COP 值，使其处于较佳状态。
2、冷却盘管的热力特性分析
就目前而言空调末端的冷却盘管具有一个共同的地方，当管内的水温及工作条件相同的情况下，盘管的供冷量和管内水流量是成一条曲线关系，如图1 所示为某型号的冷却盘管在外部条件相同的情况下，供冷量和管内水流量的变化关系，从图中可以看出当管内水流量降低至60% 的情况下，盘管的供冷量仍可达到80% 左右。
但是目前大多的空调系统中冷却盘管内的流量为一恒定值，甚至超出当初的设计流量，系统经常处于“大流量，小负荷”的状态下运行。
利用空调末端冷却盘管的热力特性与水流量之间的关系，在保证盘管供冷量满足室内负荷需求的条件下，选择一个合适的水流量，对系统能耗的降低有至关重要的作用。以下将分析水流量对水泵功率的影响。
3、变冷冻水水流量分析
为了减少系统中水泵所消耗的能量，如图2 在二级回路中加入了一台可变速水泵，为了将蒸发器端的恒定水流量与二级回路中的变量水流量分离开来。设计了一种双泵装置，分别为每一个负载的调节阀设置一个变速驱动装置，来操控二次回路中冷冻水的水泵。主要的定速冷冻水泵在冷水机组中连续工作。

图1　冷却盘管热力特性曲线

图2　主/ 次冷水循环
对于二次回路，传统的设计手册规定水路系统的控制阀在全流量运行的条件下进行精确控制，该阀门全开时的压力降至少为阀门关闭时总系统压力降的30％。称为阀权度，并且经验法则规定他应该等于或者大于通过负载的压力降。在本系统中负载为冷却盘管。在系统中保持阀门比较高的压力降，是为了实现阀门动作和输送到负载冷却效果之间有一定的线性度。同时比较高的压降也能使每个阀门和冷却盘管装置的操作与其他装置分离。
首先计算一下在全流量工况下二次水泵的总水头，然后计算所需的泵送功率。 根据物理位置和管道长度，通过冷却盘管所引起的压力降有6 米，通过阀门所引起的压力降有9米，在全流量条件下，在二次回路管道上有12 米的压力降。 假设所有负载线圈的全流量要求为227m³/h ，我们可以计算全流量时的理论泵功率如下：（本文假设所有泵的效率为100%）。

图3　主/ 次冷水循环与压差式传感器和控制器
如图3 所示，确保在阀门和冷却盘管保持15 米的压力降。如果所有的冷却盘管大部分运行时间都在低于设计容量的情况下运行，那么管道水头的损失就会随着水流的减少而下降。通过冷却盘管的压力下降同样会减少，但是这部分损失将会被排除在外，因为控制器在阀门和冷却盘管两端要保持恒定的压力，所以阀门中的损失会随着冷却盘管中的损失减小而升高。如果假定所有线圈的负载情况都是合理的，那么管道中水头的压降将随着流量的平方而增加。在75% 流量中，管道头损失是:12× 0.752=9米
　使用这个新的压降来计算水泵的功率为：
　泵功率=227×0.75×9.81×1000（15+9）/3600=11134 W
　类似的在50% 设计流量时，管道损失为：12×0.5=6 米。
　泵功率=227×0.5×9.81×1000（15+6）/3600=6495 W
然后，在结合适当的泵效率，模拟或者估算水泵泵与冷水盘管在不同工况下的运行流量，通过上面的计算方法计算出水泵的功率。如果系统在大部分时间内都在低负荷的条件下运行，则来自可变流量二级回路系统中能量的节省将是巨大的。
上述简化分析显示，通过将可变流量应用于HVAC系统中典型的水循环回路，可以大幅降低能耗。
4、阀门的选择对系统的影响
一个高性能的便流量空调系统在阀门控制和水泵控制相结合的情况下，选择调节控制阀阀来降低压力下降，以处理线性和可控性的问题。假设相同的管道和冷却盘管是在前面的例子中选择的，但是调节阀在设计流量上是1.5 米的压力下降。现在，在全负荷条件下，通过冷却盘管所引起的压力降有6 米，横跨阀门有1.5 米的压力降，以及在二级管道上的水头损失为12 米。在227m³/h 的满载流量中，理论上的全负荷泵功率可以计算为:

相比于之前的16701w 水泵的传统循环水路的设计。虽然这个设计需要选用尺寸较大的阀门在满载流量的情况下实现较低的压降, 但是此时水泵和变频驱动组件都只有72% 的传统设计所需, 这意味着设计的机械部件的总体成本可能是相同或低于最初的设计。
在较低的负载下，泵的能量计算更加复杂，因为冷冻水温度和循环压力都将由高性能的DDC 系统调整，以满足不同负荷的具体要求。提高冷却水温度可以提高冷却水的流量，但同时也提高了冷却装置的效率，并产生了额外的能量消耗。当负载减少时，减少总回路压力降，将会增加节省下来的能量，而不是减少流量。我们可以假定系统的平均负荷为总负荷的75%。降低供水温度为6℃ ：
　此时系统水流量为 L= 75%×227×6/5= 204.3.3m³/h
　对应管路和盘管的损失分别为：
　管路：12×（204.3/227）2 =9.72m
　盘管：6×（204.3/227）2 = 4.86m
通常情况下，通过阀门的水头损失可以与管道和线圈头损失相同的比例降低，但情况并非总是如此。保守地说，在这个例子中假设阀门的水头损失保持在1.5m 根据这些假设，此时水泵的功率为：
这个设计虽然增加了一些额外的抽水量，但是提升了1℃的冷冻水供水温度。相比于在循环水泵上提高水流量所带来的能量消耗的增加，在制冷机组上提高了1℃供水水温所节省下来的能量就尤为可观。很明显，使用综合控制和低压降的调节阀可以为这个冷却水系统节省大量的能源。
5、总结
变流量空调技术是控制专业和暖通专业综合作用下的一门技术，如果没有一个优秀的控制方法和工程实践所总结的经验和教训，变流量空调系统达不到预期效果。在此背景下，研究讨论变流量空调系统中的自动控制，有着十分重要的意义。在上述讨论中主要在于阀门的开度和对水流量的控制。为使变流量水泵在工作条件下具有较好得调节特性，一方面要保证冷却盘管进出口水的水温。另一方面还要保证调节阀具有足够的阀权度。合理的选择阀门种类及调节方案，可以满足暖通空调系统的舒适节能性要求，使系统高效、稳定同时经济的运行。


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