中央空调系统变水量节能在实际中的应用

郑 彬

（河南信息工程学校，河南 郑州450000）

0 前言

随着现代高层建筑及智能大厦的普及，中央空调得到广泛的应用，但是其高能耗占据了整个建筑能耗的很大部分，其节能技术也受到广泛的关注。

按照国家标准，中央空调系统的最大负载能力是按照气温最高、负荷最大的工作环境且再留有充足余量来设计的，而实际上系统又很少在这些极限条件下工作。据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的70%以上，而中央空调设备97%的时间在70%负荷以下波动运行，所以实际负荷总不能达到满负荷（俗称“大马拉小车”），造成大量的能源浪费。

1 中央空调系统概述

1.1 中央空调系统的结构和制冷原理

中央空调系统一般主要由冷冻机组、冷冻水循环系统、盘管风机系统、冷却水循环系统和冷却塔风机系统等组成，如图1所示。

图1 中央空调系统结构框图

在冷冻水循环系统中，液态制冷剂在蒸发器蒸发吸热，将通过蒸发器盘管中的常温水变成了低温（7℃）冷冻水（称“出水”），由冷冻机组流出并通过冷冻泵加压送入盘管风机系统，在各房间内进行热交换；随后冷冻水的温度上升（12℃），并流回冷冻机组(称“回水”)，如此不断循环。

在冷却水循环系统中，气态制冷剂经过压缩机压缩后，进入冷凝器与冷却水进行热交换并逐渐冷凝成液态制冷剂，经过节流装置后进入蒸发器。冷却水吸收制冷剂释放的热量后，水温升高（37℃），冷却泵将升温的冷却水(称“出水”)压入冷却塔，在冷却塔中其与大气进行热交换，然后再将降温的冷却水（32℃）送回到制冷机组(称“回水”)，如此不断循环。

1.2 中央空调系统的能耗组成

冷冻机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔风机等制冷设备耗电约占中央空调系统总耗能的60%～70%，风机盘管系统耗电约占空调系统总耗能的30%～40%。

目前，中央空调系统普遍采用变流量控制技术，包括中央空调变水量系统（VWV）、变风量系统（VAV）、变制冷剂流量系统（VRV）等。在变水量和变风量控制系统中，普遍采用变频技术，根据实际的负荷需求对水泵、风机的转速进行动态调节，以减少部分负荷状态下拖动设备的耗能，实现中央空调系统节能。

1.3 变频节能原理

由水泵、风机的工作原理可知：水泵、风机的流量（风量）与其转速成正比；水泵、风机的压力（扬程）与其转速的平方成正比；而水泵、风机的消耗功率等于流量与压力的乘积，故水泵、风机的消耗功率与其转速的三次方成正比（即与电源频率的三次方成正比）。根据上述原理可知：改变水泵、风机的转速（电源频率）就可调整流量，同时改变其消耗功率。例如：当供电频率由50Hz降为45Hz，功率只有原来的72.9%；当频率降为40Hz，功率只有原来的51.2%。可见，变频节能的效果是十分显著的。

本文主要对中央空调系统的变水量节能控制作一简要的讨论。

2 中央空调变水量节能控制系统

中央空调水循环回路包括两个独立的回路：冷冻水循环回路和冷却水循环回路。传统的定水量循环系统通常有两个特点：一是绝大部分时间内在远低于额定负荷情况下运转。二是水循环系统出回水温差低于设定值，导致空调水系统效率低下，浪费能源。因此变水量运行方式是节能的合理选择。

下面以某学校综合实训楼为例讨论中央空调变水量节能控制。

2.1 工程概况

综合实训楼共8层，1、2楼为图书馆与阅览室，3～6层为实训室，7、8层为办公室。中央空调为一次泵系统，采用两台（一用一备）水冷冷冻机组，额定功率146kW；冷冻泵两台（一用一备），电动机功率为15kW；冷却泵两台（一用一备），电动机功率为20kW。该空调系统原为定流量设计，大部分时间工作在部分负荷条件下，冷冻水和冷却水的出回水温差都约为2℃，远低于5℃的设计标准。

2.2 冷冻水变水量控制方式

冷冻水变水量控制方式最常用的有定压差变频控制和定温差变频控制两种方式。定温差控制适用于一次泵定流量系统的改造，施工较容易。

定温差变频控制方式如图2所示。空调系统的冷负荷与冷冻水的出回水温差以及冷冻水的流量成正比，温差的变化某种程度上反映了空调冷负荷的变化。将出回水温差△T′与系统设定温差△T（5±0.5℃）进行比较，如果温差△T′大，说明室内温度高，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度以增加流量；反之温差△T′小，则说明室内温度低，可降低冷冻泵的转速以降低流量，节约电能。

一般而言，冷冻水系统的出回水温差取为5℃，冷冻水出水温度取7℃，回水温度取12℃。在本系统中，冷冻机组自带的控制系统可以较好的将出水温度控制在设定值，因此只需通过调节冷冻水流量将回水温度控制在12℃即可。

图2 冷冻水定温差变频控制框图

2.3 冷却水变水量控制方式

冷却水变水量控制方式有定温差控制法和冷却水出水温度控制法，本系统采用冷却水出水温度控制法，同时调整冷却塔风机转速来控制冷却水回水温度，如图3所示。

图3 冷却水变水量控制框图

冷却水系统中主要有两组拖动设备——冷却泵和冷却塔风机，冷却泵主要调节的是冷却水的流量，冷却塔风机主要用来控制冷却水的回水温度。冷却水循环系统中，一般要求冷却水回水温度不高于32℃，出水温度控制在37℃。在满负荷或者外界环境温度比较高时，冷却水如果只与外界环境进行热交换，其回水温度会高于32℃，此时需要调节冷却塔风机转速来降低冷却水回水温度。当部分负荷工况或者外界环境温度较低时,冷却水出水温度会变小，可以降低冷却泵的转速，减少冷却水流量来提高冷却水出水温度，此时只需冷却水与外界环境热交换或者冷却塔风机无需工频运转就可以将冷却水回水温度降低到32℃或者更低。因此，冷却塔风机变频控制的节能潜力更大。

3 结束语

正常情况下，系统运行在变频节能状态，其频率下限为30Hz，上限为50Hz，可自动或手动调节频率；当节能系统出现故障时，可以起动原工频回路运行，两台冷却泵(或冷冻泵)可以手动切换。

本综合实训楼中央空调系统节能改造完成后，至今已运行三年有余，整个节能系统工作正常，节能效果显著，充分证明了本系统变水量节能方案是可行的。

［1］唐进.变频器在中央空调节能改造中的应用[J].低压电器，2009（07）.

［2］何耀东.中央空调实用技术[M].北京：机械工业出版社，2010.