集中空调冷冻站若干节能优化控制方法分析.doc

集中空调冷冻站若干节能优化控制方法分析
　　　　来源:《智能建筑与城市信息》
　作者：王 志
时间：2009-08-12 09:27:51

【关键词】冷冻站 冷却塔效率 湿球温度 固定逼近度

1 冷冻站常规监控内容
（1）冷水机组：控制冷水机组启停控制、监测冷水机组运行状态、监测冷水机组故障报警、监测冷冻出水的水流状态、监测冷却出水的水流状态、控制冷却出水管上电动蝶阀的开启，并监测阀门状态、建筑设备智能监控系统预留一个通讯接口与机组群控主板通讯。
（2）一次冷冻泵：控制一次冷冻泵启停、监测一次冷冻泵运行状态、检测一次冷冻泵的故障报警。
（3）二次冷冻泵：控制二次冷冻泵启停、监测二次冷冻泵运行状态、检测二次冷冻泵的故障报警、根据冷冻水供回水总管压差值进行二次冷冻泵变频控制。
（4）冷却水泵：控制冷却水泵启停、监测冷却水泵运行状态、检测冷却水泵的故障报警。
（5）冷却塔：监视冷却塔风机的运行状态、故障报警、对风机进行变频控制、控制冷却塔进出水支管上的蝶阀开启，并监测蝶阀状态、根据冷却塔总供水温度调节冷却供回水旁通阀，并联动冷却塔风机启停台数。
（6）补水泵、软化水箱：监视补水泵的运行状态、监测补水箱低液位报警状态。

2 冷水机组节能优化控制方法
《公共建筑节能设计标准》中对冷热源系统的控制基本要求：①对系统冷、热量的瞬时值和累积值进行监测，冷水机组优先采用由冷量优化控制运行台数的方式；②技术可靠时，宜对冷水机组出水温度进行优化设定。下面对上述两种优化控制方法简要作分析。
（1）冷水机组台数控制
依据冷量的冷水机组台数控制方法主要是通过计算冷冻站总输出冷量来启停冷水机组。
控制条件为计算冷量值：
计算公式：
公式（1）
其中：QC—— 制冷量kW ；GC—— 冷冻水的流量m3/h ；CP——水的定压比热容4.186kj/kg· ℃ ； —— 水的密度1000kg/m3；TC,in，TC,out——冷冻水的进、出口水温℃；△ TC—— 冷冻水供回水温差℃。

每增加新一组设备时，判断冷量条件为计算冷量超出机组总标准冷量的15%，例如现在已经开启一组，而冷量要求超出900 冷吨的15%，再延时20~30 分钟后判断负荷继续增大时，即开启新一组设备。
关闭一组设备的判断冷量条件为计算冷量低于机组总标准冷量的90%，例如现在已经开启两组设备均为900 冷吨机组，且冷量在逐渐下降，在冷量要求低于900 冷吨的90% 以下，且延时20~30 分钟后判断冷量条件无变化，即关闭其中一组运行时间较长的冷水机组及附属设备。
（2）冷冻水出水温度优化设定
冷冻水供水温度的优化控制用来优化冷水机组和冷冻水分配系统的运行，在满足建筑冷负荷需要的同时，实现制冷水机组和冷冻水泵能耗的最小。
当冷冻水的供水温度升高时，空调末端系统的传热效果将会恶化，因此需要更多的冷冻水量，冷冻水泵能耗将增加。当冷冻水供水温度降低时，末端的传热效果将会改善，因此需要较少的冷冻水量，但是随着冷冻水量的减少，制冷水机组蒸发温度及蒸发压力也会降低，因此会增加制冷压缩机的能耗，合理的优化方法应该使冷水机组和冷冻泵的总能耗最小。
通过我方与香港理工大学的共同研究，对不同冷冻水出水温度条件下冷水机组和水泵的能耗进行了分析研究（如图1、2 所示）。

图1 冷水机组和冷冻水泵分项能耗变化

图2 冷水机组和冷冻水泵总能耗变化

结果表明，随着冷冻水供水温度的升高，水泵功耗增加，而制冷水机组的功耗减少；当供水温度从4.5℃变化到7.0℃时，总功耗呈现的是减少的趋势，而当温度达到7.0℃以上时，总功耗呈现增加趋势。当冷冻水的温度升高到7.0℃，达到最小总功耗5131kW，与设计工况下供水温度5.5℃下的总功率相比减少了23kW，即降低了0.44％。

实际应用过程中，应依据不同项目的设备性能参数，建立冷水机组和冷冻水泵的能耗模型，通过求取能耗最小值，得到冷冻水供水温度优化设定值。

3 冷冻水供回水压差设定值
空调一次泵系统和二次泵系统都涉及冷冻水供回水压差设定值的问题，不同之处在于一次泵系统常用压差设定值调节分集水器间的旁通阀开度，二次泵系统常用压差设定值控制二次冷冻泵的运行频率。
压差设定值的作用经常被施工单位和调试人员所忽视，如果设置适当，压差控制系统或压差旁通阀便形同虚设。从水力工况来分析，压差设定值偏低，旁通阀容易打开，造成流经末端的冷冻水流量较少，末端设备供冷不足，造成室内环境温湿度无法保证，而压差设定值偏大，对于一次泵系统，旁通阀门旁通流量偏小，影响冷水机组正常所需运行台数的调节，增加空调系统冷水系统的电耗；对于二次泵系统，二次泵接近额定转速而达不到节能目的。
设计过程应重视压差设定值对整个系统的影响正确合理确定参数值，满足末端用户供冷需求，同时实现对空调系统的经济运行调节。

4 冷却塔节能优化控制方法 冷却塔是冷冻站的组成部分，功能是排除冷水机组冷凝器侧的热量，其性能的优劣将直接影响冷水机组的能耗。
常规的冷却塔控制方法是依据冷却水回水温度控制冷却塔开启台数或风机频率，这是大部分空调冷却水系统现行的控制方法。通过冷却塔效率的实时监测，可大致判断冷却塔的运行效果。

其中：Tin——冷却塔进口温度℃ ；Tout——冷却塔出口温度℃ ；Twb——室外湿球温度℃。国内权威部门经过多次现场实测，控制理想的冷却塔效率能够达到70% 以上，实际系统中若发现该数值偏小，应检查冷却塔控制策略和冷却塔本身性能。一般冷却塔风机采用皮带轮传送方式，容易出现打滑、丢转等现象，而且据现场勘查部分建筑由于附近居民反映冷却塔噪声等问题，冷却塔周围被完全遮挡，造成通风效果较差。
冷却塔冷却效果的评价客观而言，应该利用冷却塔出水温度与室外湿球温度的差值，也就是研究领域称为的固定逼近度，运行良好的冷却塔的出水温度应该比室外湿球温度高3℃ ~5℃。实际工程中可利用楼宇自控系统中已设置的室外温湿度，计算室外湿球温度，通过比较冷却塔出水温度和室外空气湿球温度来实时监测冷却塔运行效果，冷却塔控制策略可使用冷却水回水温度和室外湿球温度的差值控制冷却塔运行台数和风机频率。

对于单台冷却塔拥有多台风扇的情形，应尽可能开启所有风扇以提高冷却塔效率，例如对于一台冷却塔有4 台风扇，分高低速两档，调节过程应该为1 低－ 2 低－ 3 低－4 低－ 1 高3 低－ 2 高2 低－ 3 高1 低－ 4 高。

5 冷却水进水温度优化设定
在冷却水系统中，冷水机组和冷却水泵、冷却塔的性能在很大程度上是相互关联、相互影响的。较低的冷却水供水温度可以提高冷水机组的性能系数，进而消耗较低的电能。然而较低的冷却水供水温度要求较大的冷却水量和较大的风量来增加冷凝器侧的排热能力，因而冷却水泵和冷却塔风机将会消耗更多的电能。尽管较高的冷却水供水温度能够节省冷却水泵和冷却塔风机的功耗，但它降低了冷凝器的传热效果，为了获得相同的空调冷负荷而需要冷水机组消耗更多的电能，因此冷却水进水温度必须要优化以减少冷水机组、冷却水泵、冷却塔风机的总功耗，优化方法同冷冻水，使冷水机组、冷却泵和冷却塔总能耗最小。

6 不合理旁通控制方法
在空调系统中，部分冷水机组停止运行时，冷冻水和冷却水依然流经不运行的冷水机组，很多建筑的空调系统中都存在此类问题。在自控系统中可方便的设置一些电动开关型水阀杜绝这些问题，下面简要阐述旁通问题导致的能耗浪费现象。
以两台冷水机组和两台冷冻泵的空调一次泵系统为例，如果仅有一台冷水机组和冷冻泵运行，而冷冻水流经未开启冷水机组，则依据水力工况可知，流经工作冷水机组的流量仅为冷冻泵流量的一半，若按常规空调系统冷冻水回水温度为12℃，供水温度为7℃，实际冷冻水总供水平均温度仅为9.5℃。如果停止冷水机组水阀关闭，冷冻水没有旁通，则达到同样的空调输送冷量，运行冷水机组送水温度可以提高2.5℃，水量达到额定水量，冷水机组COP 可提高7% 左右。如果旁通的冷水机组数量更多，则对运行的空调系统能耗影响更大。
冷却水侧旁通的问题同上，由此可见，空调系统中存在的旁通“小问题”有时可大大增大其运行能耗水平，通过设置对应的电动水阀，及时联锁关闭停止冷水机组的冷冻水阀和冷却水阀，将极大提高冷水机组运行效率，降低能源消耗，这也是小方法大节能的有效途径。

7 结束语
对空调系统冷冻站的控制策略进行优化， 通过BAS 实现优化控制。凡是装备BAS 的建筑理论上来讲都具备实现自动控制的条件，但实际上控制的好与不好、是否节能，很大程度上取决于BAS 系统的设定值和控制策略是否合适。在建筑投入使用后，使用功能有可能同设计阶段所设想的不一样，需要对冷冻站的控制策略进行必要的调整。通过对空调系统冷冻站系统和设备性能的逐步摸索，采用节能优化运行控制技术，实现对空调系统中的能耗重点部位冷冻站节能降耗目标。