小议中央空调变频节能控制系统

中图分类号：TU831.3+5文献标识码： A 文章编号：

前言

当前，随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，中央空调的市场需求飞速增长，使得空调能耗激增。随着空调的大量使用，空调耗电目前已在许多发达城市中占制冷期电力高峰负荷的40%左右，这也是近年来全国2/3省份出现“拉闸限电”问题的主要原因之一。由于目前我国建筑物的保温节能性能差、空调运行效率低、大部分用户尚未形成良好的节能习惯等原因，我国的空调节能潜力非常大。据分析，到2020年我国全面实现小康社会时，空调高峰负荷节电空间约9000万千瓦，相当于5个三峡电站的满负荷容量，是规划中2020年的全国核电总装机容量的2～3倍，相应可减少电力建设投资4000亿元以上。

因此，采用合理的措施和策略来节约空调能耗，对国家来说可以节约资源、保护环境，而且可避免不必要的电力建设投资；对用户来说则可减少空调运行费用的开支，其经济性是显见的。在某种程度上，综合利用各种技术措施达到空调节能，有利于国民经济的可持续发展，是一件利国利民的好事。

一、中央空调变频节能原理

1.1变频技术简介

中央空调变频节能控制系统是采用计算机控制技术、模糊控制技术、变频调速技术和专家控制系统，实现了中央空调系统在运行中的高效节能和安全舒适。

中央空调变频节能控制系统的核心是专家系统、模糊控制及变频无级调速。在控制器中建立了知识库、模糊控制模型和模糊运算规则，形成智能模糊控制。通过全面采集影响空调系统运行的各种参数，按系统最优的原则，经智能模糊运算，得出相应的控制参数。这些控制参数被送到冷冻水子系统、冷却水子系统和冷却塔子系统，从而改变空调系统循环流体的流量和温度，以保证整个系统在各种负荷条件下，均处于最佳工作状态，从而最终达到综合节能的目的。

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，是近年来发展起来的新型控制技术，尤其适合于中央空调这样复杂的、非线性的和时变性系统的控制。

1.2技术特点

中央空调变频节能控制系统与当今普遍使用的定流量中央空调控制模式相比，具有以下技术特点：

（1）实现空调高效节能控制

中央空调变频节能控制系统突破了传统中央空调冷媒系统的运行方式，通过对中央空调能源运行系统的动态监测和闭环控制，将空调主机的定流量运行改为变流量运行，实现空调主机冷媒流量跟随末端负荷需求而同步变化，在空调系统的任何负荷条件下，都能既确保中央空调系统的舒适性，又实现最大的节能。

（2）保障空调主机始终保持高的热转换效率

众所周知，随着中央空调系统负荷的变化，必将导致整个空调系统运行参数偏离空调主机的最佳设计参数，导致主机热转换效率降低，这一直是传统中央空调运行方式无法解决的一大难题。中央空调变频节能控制系统通过专家控制技术和模糊控制技术实现系统寻优,参数重设等方法，使空调主机始终处于优化的工作点上，提高系统能源利用率。

（3）实现中央空调全系统综合性能优化和协调运行

中央空调系统是一个较复杂的系统工程，要实现中央空调系统的最佳运行和节能，从局部去解决问题（如采用通用变频器PID控制）是不可能办到的，必须针对空调系统的各个环节（包括主机、冷冻水系统、冷却水系统等）统一考虑，全面控制，使整个系统协调运行，才能实现最佳综合节能。为此，中央空调变频节能控制系统设计中从系统工程学的理念出发，不仅对中央空调各部分进行全面控制，而且通过系统集成技术将各个控制子系统在物理上、逻辑上和功能上互连在一起，实现它们之间的信息综合、资源共享，在一个计算机平台上进行集中控制和统一管理，实现中央空调全系统的协调运行和综合性能优化。

1.3节电率计算法

冷冻泵、冷却泵节电率计算方法：

对于水泵类变转矩负载特性满足流体动力学关系理论，即以下数学关系成立：

二、中央空调变频节能思路

2.1从系统整体考虑

中央空调系统通常由冷水机组、冷冻水泵系统（分为一次泵和二次泵）、冷却水泵系统和冷却塔等设备组成，不能单一的以节省某一种设备或几种设备的思路去考虑，而应该从中央空调整个系统整体去分析。

中央空调系统比较庞大，任何一种设备的工况的改变都会影响到系统中其它设备的工况改变，比如说，降低冷冻水泵的频率，那么冷冻水泵的能耗下降，即降低了冷冻水的流量，势必会影响到冷水机组效率的下降，冷水机组单位冷量的能耗也会上升，而在实际运行过程中的情况要复杂的多。如何从整体分析，并且找到一个平衡点是关键。

2.2能源监测

我们做节能经常会说：“没有计量就没有节约”，一个节能项目做下来，效果好不好，只能在计量上体现出来。这里所说的计量就是能源的监测。

结合实时的能源监测，可以对系统中出现的问题能够及时的发现，及时的处理，也不失是一个节能的好方式。并且通过24小时计算机的在线应用，提供远程监测、审计、控制、管理等服务，为用户建立可计量、可验证、可持续的节能服务体系，实现对用户节能效益的长期保障。

三、控制策略

3.1中央空调主机系统

通过变频节能系统可以优化冷水机组的运行工况，降低冷凝温度，提高蒸发温度；改进系统水力稳定性和提高控制精度，优化系统阻力特性，保证设备稳定运行，这样可以使冷水机组保持在高效率值（COP）下运行。

群控系统综合利用现代计算机技术、自动化控制技术和变频调速技术。变频节能群控系统通过现场控制器和上位机的通讯实现对空调机房设备及末端设备进行集中管理和监控，从科学的能源管理出发，为用户提供方便舒适的环境的同时，也降低了中央空调的管理成本和运行能耗，实现机房的无人值守，确保中央空调的安全运行，最大限度的提高中央空调系统的运行效率。

3.2冷冻水系统

冷冻水控制系统，采用压力传感器、温度传感器、智能模糊控制器和变频器组成双闭环控制系统，外环为温度控制环，内环为压力流量控制环，回水温度给定与实际回水温度的偏差，经温度调节器运算后，作为内环压力给定；压力给定与实际循环水压力的偏差，经压力调节器运算后，作为变频器的频率设定信号。通过此系统，可把冷冻水回水温度控制在12℃，使冷冻水泵的转速相应于负荷的变化而变化。

3.3冷却水系统

冷却水控制系统，取冷凝器两侧水的温差作为控制参数，采用温度传感器、智能模糊控制器和变频器组成双闭环控制系统。外环为温差控制环，内环为压力流量控制环，温差给定与实际温差的偏差，经温度调节器运算后，作为内环压力给定；压力给定与实际循环水压力的偏差，经压力调节器运算后，作为变频器的频率设定信号。通过此系统，可把冷却水温差控制在5℃，使冷却水泵的转速相应于热负荷的变化而变化，使系统在满足冷水机组工况不变条件下，冷却水系统节能最大。

3.4冷却塔系统

中央空调系统中的冷却塔系统，结合冷水机组运行的实际情况，在控制上实现与冷水机组开联动启停,并可根据温度自动启停。

3.5动态水力平衡控制

中央空调节能控制系统采用基于冷量需求供应平衡的水力动态调节功能，实现空调管网系统的水力状态自动检测及调节，保证各管网需求水力平衡，同时有效的降低了输送环节能耗。

各管网的冷冻水侧控制策略是根据冷冻回水总管温度与冷冻供水总管温度的差值进行控制，根据温差设定表，在不同时间范围内有不同的温差控制参数设置。另外，还可以根据室外温度情况对温差参数进行线性补偿，保证中央空调系统的末端环境更加舒适。

冷冻水泵根据冷冻总管供回水调节控制，对于水力平衡的影响，采用冷冻供回水压差保护策略保护系统水力平衡。

四、节能案例及效果分析

达实智能大厦是深圳达实智能股份有限公司利用自主研发的节能技术，按照美国《绿色建筑评价LEED 标准》金级认证为标准，对自用办公建筑大楼进行了全方位的节能改造，成为深圳市建筑节能示范大厦。

达实大厦原中央空调主机房，冷冻主机冷冻水系统和冷却水系统为定流量运行，在系统负荷较低时存在较大的能源浪费。一楼、二楼、三楼的空调风系统原有控制系统采用开关阀，控制较粗糙，节能效果不理想。四、五、六楼租户在正常工作时间使用中央空调系统，非工作时间使用自有小空调机组，原系统无法远程自动开启和关闭相应阀门。

达实大厦中央空调系统，包含空调主机系统节能改造、一楼、二楼、三楼组合式风柜节能控制改造、三层空调系统节能改造、四、五、六层水分区节能改造。 本次改造实现中央空调主机群控，末端风柜增加恒温控制，三楼采用风机盘管机组+新风机，实现系统实时、分区、及时的集中化控制和管理。

中央空调系统采用了群控系统、中央空调变频节能控制系统和中央空调能源监测系统，对于末端系统又采用了分区控制，分时控制，实时调节末端温度，于2011年6月投入运行。

通过节能改造，降低了大厦的能源消耗，在环境品质不变的情况下可以实现年综合能源消耗量下降20%的节能效果。通过节能控制系统调节控制大厦机房内的中央空调系统设备，监测、显示其运行参数，控制其运行状态，根据外界条件、环境因素、负载变化情况自动调节中央空调系统设备，使其运行于最佳状态。改造后，既减轻了物业管理人员劳动强度提高工作效率，又为客户提供了节能、安全、便捷、舒适的建筑办公环境。

参考文献：

[1]建筑节能技术与工程基础，山东大学智能建筑与节能技术研究中心

[2]实用供热空调设计手册(第二版)，中国建筑工业出版社