中央空调系统节能控制技术浅析

【摘 要】 本文对医院中央空调节能控制的有关技术进行分析。

【关键词】 中央空调；节能；控制技术

【中图分类号】 TU831.6 【文献标识码】 B 【文章编号】 1727-5123（2013）01-074-02

1 空调系统概况

医院中央空调采用离心冷水机组进行制冷、螺杆冷水机组备用进行制冷、离心冷水机系统两用一备冷冻水泵，冷却水泵两用一备，8台冷却塔风机、冷期为6个月，每个月运行30天。螺杆冷水机组系统1用2备、冷却水泵1用2备、12台10kw风机，冷期为3个月，每个月运行30天。空调系统的循环泵和风机所消耗的电能约占系统能耗60%：提高中央空调整体能效值（cop）能解决中央空调系统冷冻水系统的大时滞性、大惰性控制、滞后问题、冷量分配不均，供需不平衡以及梯流量，能耗大等问题是十分必要的。

2 中央空调能源管理控制现状

解决中央空调冷却水变流量引起主机工况变化实现中央空调循环泵、风机的整体综合节能。通常冷冻、冷却水管路设计温差为5～6℃，而一般情况空调实际运行管路大部分时间温度为2～3℃，冷冻水系统供水温度，回水温度、流量、压差等用简单PID线性控制是不能满足。

3 中央空调能源管理新方案

3.1 中央空调冷、热量的模糊预判断控制是一种“超前控制”、通过对冷冻水系统的供水、回水温度、流量、压差等参数和室外环境温度的检测，利用数据库对各项运行参数进行统计、分析、运算、推理、预测出空调系统未来时刻的负荷（需求冷量）提前一个时间t产生控制动作，对冷冻水流量进行调节，使系统提供的冷量与负荷需求的冷量相匹配，消除供需之间冷量数量差与时间差。

3.2 传统恒压差与温差控制模式属于“跟随控制”，适用于无时滞的被控对象和过程恒压差控制，不能准确反映空调负荷的变化，温差控制能反映负荷变化，但时滞又太大，控制作用总是落后于偏差发生时间的一个时滞。

4 中央空调多区域冷热量均衡分配节能技术控制

在多区域供冷过程，某个区域的冷冻水所供给的冷量Q是否与末端负荷需求相匹配，直接反映在环路的回水温度和温差上。当环路的回水温度或温差等于设定值时，则表明所提供的冷量与末端负荷的需求相匹配，否则就不匹配，造成空调冷量输送的极大浪费。

节能技术控制是以各个环路的回水温度或温差，作为被控变量根据实测的各个环路的回水温度或温差、计算其设定温差值的偏差及偏差变化率，通过DDC控制器调节相应环路供水端的水泵频率（或台数）对相关区域的水流量进行动态调节，使得各个区域水流量所提供的冷量与末端负荷需求的冷量相匹配，回水温度或温差趋于一致，接近设定温差，保证冷量供需与冷量分配平衡达到极其显著地节能效果。

5 中央空调主机高效能的主机群控制

传统主机群控有回水温度控制法，供、回水温差控制法，流量控制法、压差控制法和温差/流量控制法，存在、判断不明确，适应性较差，尤其在温差小时，误差大，同时在控制过程中忽略对主机COP能效值的考虑，高效能的主机群控制，充分考虑主机在加、减机过程中保持主机比较高的能效（COP）控制描述：

5.1 负荷计算公式：Q=41.868×L×C （T1——T2）

Q：系统所需冷量 L：为流量 C：为水的比热容

T1：冷冻水出水温度 T2：冷冻水回水温度

通过分水器的供水干管和集水器的回水干管上的温度传感器以及流量传感器来计算实际负荷，通过实际负荷来实现主机的加减机台数控制。

5.2 对于系统负荷和机组制冷量之间的关系，用下式计算：Q2=K×（N×C）（Q2：系统负荷量，K：比例常数，N：冷水机组制冷量，C：当前冷水机组运行台数）

加机条件为：（必须同时满足以下三个约束条件）

①Q1≥K×（N×C） K=85% （负荷值约束）

②T回水≥T设定 （回水温度约束）

③t时间≥t设定 （延时时间约束）

减机条件为：（必须同时满足以下三个约束条件）

①Q1≤K×（（N-1）×C） K=65% （负荷值约束）

②T回水≤T设定 （回水温度约束）

③t时间≥t设定 （延时时间约束）

延时和温差约束条件下加减机的过程曲线

制冷机的加载，卸载，加机延时，减机延时的作用关系图

分析：加机过程中，在满足第一个约束条件的情况下（即空调负荷Q1已经满足Q1≥K×（N×C），K=85%这个条件）。

P1点冷冻水回水温度开始大于基准设定温度T0，加机开始计时。

P2点冷冻水回水温度开始回落，由于延时t

P3点冷冻水回水温度又上升到基准设定温度T0，加机重新开始计时。

P4点冷冻水回水温度持续在T0以上的时间超过ts，加机。

P5点冷冻水回水温度开始超过T0+T（T制冷机逐台加机的温差），再次加机开始计时。

P6点冷冻水回水温度持续在T0+T以上（T制冷机逐台加机的温差）的时间超过ts，再次加机。

P7点冷冻水回水温度开始超过T0+2T（T制冷机逐台加机的温差），再次加机开始计时。

P8点冷冻水回水温度持续在T0+2T（T制冷机逐台加机的温差）的时间超过ts，再次加机。

减机过程中，在满足减机的第一个约束条件的情况下（即空调负荷Q1已经满足Q1≤K×（（N-1）×C），K=65%这个条件）

P9点冷冻水回水温度开始回落到T0+2T-δT以下（δT制冷机逐台减机的温差），减机开始计时。

P10点冷冻水回水温度虽然远远低于减机点，但持续时间小于减机延时时间t

P11点冷冻水回水温度持续在T0+2T-δT以下（δT制冷机逐台减机的温差）的时间超过tf，减机。

P12点冷冻水回水温度开始回落到T0+T-δT以下（δT制冷机逐台减机的温差），再次减机开始计时。

P13点冷冻水回水温度开始回落到T0 -δT以下（δT制冷机逐台减机的温差），再次减机开始计时。

P14点冷冻水回水温度不但回落到T0+T-δT以下，而且回落到T0 -δT以下。但回落到T0+T-δT以下的时间超过tf，回落到T0+T-δT以下的时间大于tf，减机一台。

P15点冷冻水回水温度回落到T0 -δT以下，且持续时间t≥tf，再次减机一台。

当两台小制冷量制冷都启动时，只启动1#制冷机，如果制冷量还不足再启动其他制冷机组，如果当所需制冷量减小时，停1#制冷机机组，启动一台小的制冷机。

传统是采用冷却水主机进出水温差或主机进水温度的PID变频调节水泵频率，但忽略冷却水流量改变会带来主机工况的改变，降低主机COP使整体能耗上升，起不到节能效果。在变负荷工况下，整个空调系统的能效值COP=制冷能力（KW）/耗电量（KW），控制系统在确定了空调系统在某一负荷下对应的冷冻水的流量和温度的情况下，实现基于空调性能综合优化（即保证空调系统能效值COP最高）的冷却水自适应控制，对于空调冷冻水流量的任意变化，寻找一个保证整体空调能效最佳的冷却水流量，其具体控制措施：在空调变负荷的情况下，控制系统根据系统历史数据库自动的寻找在空调的某一负荷和某一环境温度下最佳的空调系统整体COP值，在数据库中自动扫描寻找出与此COP值相对应的冷却水温度，这个温度就是在此负荷和此环境温度下的最佳冷却水温度，通过冷却水泵的变流量调节，达到一个最佳的节能控制效果。

动态双向变流量节能控制：在二次侧每个区域之间以及每个环路供需之间的冷量控制平衡的情况下（每个环路的进出水温差都控制为5度），在一次侧和二次侧之间的桥管上增设双向流量传感器，根据桥管上产生流量的方向和数值来控制一次泵的变频以及台数，达到一次侧流量和二次侧流量（也即一次侧输送冷量和二次侧需求冷量）的动态平衡，达到节能控制的效果。

针对空调系统冷冻水一次泵、冷冻水二次泵及冷却水水泵等并联泵组的变流量，根据并联水泵的效率特性，确定水泵的流量输送范围，从而确定水泵的频率工作区间，系统自动控制任何一台水泵都运行在其高效区。系统流量需求增加时，当水泵频率运行到其上限效率时，系统自动运行能耗运算，如果增开一台水泵后经济性更好则系统自动增开另一台水泵，否则则不变；同样系统流量需求减少时，当水泵频率运行到其下限效率时，系统自动进行能耗运算，如果停止一台水泵后经济性更好则系统自动停止其中一台水泵，否则则不变；这种控制策略可以再满足空调系统需求的流量和扬程的情况下得到水泵泵组最佳的运行台数和运行频率搭配，从而使泵组消耗的能耗最低。