定流量中央空调制冷系统节能改造浅析

摘要：定流量中央空调供冷系统中，冷冻水泵及冷却水泵工频运行，总供水量不随冷负荷的变化而变化。此运行方式能量损耗显著，采用变流量控制系统对定流量空调制冷系统进行节能改造，实现中央空调制冷系统高效节能运行。

关键词：定流量;冷水机组;变频;压差旁通

目前广州地铁的空调制冷系统主要采用水冷式冷水机组，分集中冷站供冷和独立供冷两种方式。独立供冷车站，由定流量水冷式冷水机组向整个车站中央空调系统提供冷源。通过对定流量冷水机组的能量损耗进行分析，提出变流量控制节能改造的建议。

1.定流量水冷式冷水机组结构

图1-1 定流量水冷式冷水机组系统图 分析图1-1，可以将定流量水冷式冷水机组分成以下几个系统：

1.1制冷剂循环系统

由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器及之间的管道封闭连接组成。制冷剂从蒸发器吸热，吸收的热量送到冷凝器那里后放热。

1.2冷冻水系统

由定频冷冻水泵，连接管道及相关附件组成。通过冷冻水泵做功，将冷冻水送到末端设备的表冷器，由表冷器完成与环境空气的热量交换，产生的低温空气。

1.3冷却水系统

由冷却水泵，冷却塔和连接管道及附件组成。通过本系统将冷水机组制冷剂在冷凝器中释放的热量带给冷却塔，在冷却塔中释放给大气。

2.定流量水冷式冷水机组能量损耗分析

2.1部分负荷下的能量损耗严重

冷水机组运行工况的转换是由自身所携带的微电脑根据冷水温度自动控制。冷冻水泵的流量不随末端负荷的变化而改变。经过末端设备的水量，由压差旁通控制器根据压差变化进行控制。末端负荷需求变小时，管道中的二通阀开度关小，压差旁通管的压差增大，流入末端的水量变小，一部分水量通过旁通管直接进入回水系统。

图1-2 冷水机组冷冻水流程示意图 如图1-2 冷水机组冷冻水流程示意图 其中： + = 因为：×（12℃-7℃）= ×（ -7℃） （1-1） =7℃+（12℃-7℃） ×（） 是混合后的水温，公式（1-1）是一个热量平衡关系。 根据公式，得出旁通系统造成的能耗浪费表现在下述三个方面：

（1）根据热力学的基本原理，当的冷冻水（7℃）与末端系统回水（12℃）混合时，发生的过程是不可逆的熵增过程，造成机械能的损失。

（2）冷冻水回水温度越高，蒸发器效率越高，则主机效率也越高，然而部分负荷情况下，混合后的冷冻回水温度低于末端回水温度，导致主机热交换效率降低。

（3）冷负荷需求减少时，需要的水量减少。因定流量的关系，冷冻水泵输出功率不变。如图，空调末端系统只需要冷机供出部分的水量，但在定流量系统中，水泵必须对部分的水量做功，即水泵的功耗浪费，其中一部分用浪费在推动多余的水量循环，另一部分损失在克服管道阻力。另外，冷却泵也存在与冷冻泵运行一样的浪费能耗的现象。

2.2 设计问题导致能量损耗

空调设计的配置原则：冷水机组按远期高峰负荷配置设备的容量，水泵按所有末端设备满负荷时总水量设计。

根据历史运营数据，中央空调系统80%左右的时间是在部分负荷工况下运行。长期低温差、大流量的运行状态，造成能量利用率低。

同时，在实际测试中发现，系统的实际运行与设计的运行状态有偏离，选用水泵偏大，导致水泵处于“大流量、低效率、高功耗”的不利工况下运行。

3.节能改造需解决的主要问题

定流量制冷系统能量损耗显著，因此进行节能改造是必须的。而制冷系统由制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵等主要组成部件，对其行节能改造，主要需解决的问题为：

（1）冷水机组：将冷水机组进出水温度控制在7℃～12℃左右，保证机组在制出足够的冷量时在最高效率点运行。

（2）冷冻水泵组：配合主机，随着末端工况变化，及时调节输送水量，给主机提供12℃左右的进水，降低输送能耗。

（3）冷却水泵组及冷却塔：配合主机，用最小的能耗将冷凝器释放的热量传输到外部环境。

（4）保冷水机组平稳安全运行。即冷冻水、冷却水的流量不小于冷水机组允许最小流量。同时，冷冻、冷却水的流量变化速率须小于冷水机组允许的变化速率。

4.变流量控制系统的节能原理

变流量控制系统由模糊智能控制器，变频器，温度、压力、压差、流量传感器等设备组成。模糊智能控制技术适合没有准确的控制模型、多变量及时变量的非线性系统中。变频器是关键节能执行部件，控制水泵的运行工况。温度、压力、压差、流量传感器的检测值反馈到系统中，进行差值控制。

在保证制冷系统安全稳定运行的前提下，实时响应末端负荷变化，按照末端温度的要求，动态改变冷冻水的水流量。同时，根据冷凝器及天气等其他情况，动态改变冷却水的水流量，提高冷水机组的热交换效率，控制主机的COP值处于最佳状态。

车站制冷系统在BAS系统的控制下，根据冷负荷需求自动确定开启冷机的数量，同时制冷主机根据负载的变化随之加载或卸载，为此，冷冻、冷却水泵成为控制的主要对象。

4.1冷冻水系统的节能

当环境温度、空调末端负荷发生变化时，各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至变流量控制系统，系统控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，实时计算出末端空调负荷所需的制冷量，以及冷冻水供水流量的最佳值，并以此调节各变频器输出频率，控制冷冻水泵的转速，改变流量，实现冷冻水流量按照末端负荷的需求供应，使空调系统在各种负荷情况下，都能既保证末端用户的舒适性，又最大限度地节省了系统的能量消耗。

4.2 冷却水系统的节能

当环境温度、空调末端负荷发生变化时，制冷主机的负荷率将随之变化，主机冷凝器的最佳热转换温度也随之变化。系统控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，计算出主机冷凝器的最佳热转换温度及冷却水最佳出、入口温度，并以此调节冷却水泵的输出频率及冷却塔风机的运行台数，控制冷却水泵转速和冷却塔风机台数，动态调节冷却水的流量和冷却塔风机的数量，始终保持最佳的能效比（即COP值），从而降低了制冷系统的能量消耗。

5.采用变流量控制系统的节能空间

由能量损耗分析可见，能量损耗主要发生的部分负荷工况下。采用变流量控制技术，将定流量系统转为变流量系统后，带来的节能空间如下：

（1）最大程度的利用机组冷凝器及蒸发器的换热面积，进而提高机组的制冷效率。

（2）制冷机冷凝器换热面积被充分利用时，可以给冷却水泵让出了变频节能的空间。

（3）在系统负荷需求降低并保证系统供回水温差时，水量需求降低，水泵的输送量减少降低功耗的同时，流体在管路中的扬程损失按平方关系降低，从而需要水泵提供的扬程也降低，进一步降低了水泵的输送功耗。

（4）充分利用冷却塔的散热功能，可以给冷却水泵开辟更大的节能空间。

6.结论

采用变流量控制技术，综合考虑制冷系统各设备能耗之间的相互关系，克服定流量系统的缺点，充分挖掘部分负荷下制冷系统的节能潜力，实现中央空调水冷式制冷系统的节能、高效运行。

参考文献：

[1]陈晓峰.中央空调变流量节能运行控制系统的研究和实现[D].重庆：重庆大学，2006.

[2]梁春生，智勇.中央空调变流量控制节能技术[M].北京市：电子工业出版社，2005.

[3]孙一坚.空调水系统变流量节能控制[J].暖通空调，2001（6）.

作者简介：

张军辉，助理工程师，从事中央空调系统研究，机电设备管理方向。