浅谈中央空调系统节能与控制

浅谈中央空调系统节能与控制

赵桂阳

深圳市住宅工程管理站广东深圳518000

摘要：空调已经成为现代建筑不可或缺的重要组成部分，大大提升了人们的生活品质。然而在空调运行过程中将会消耗大量的电力资源，是耗能大户。所以，行业技术人员不断进行深入分析，对中央空调系统节能设计不断完善。此外，还提出了中央空调节能控制技术，助力中央空调节能系统效率的提升，从而有效降低能耗。本文主要分析了中央空调节能系统，并提出了中央空调节能系统应用的控制技术，为业界人士提供参考依据。

关键词：中央空调；系统调节；分析；控制

前言：

面临能源严重紧缺的问题，人们越来越关注和重视节能技术的研发应用。尤其在建筑行业，中央空调系统是楼宇不可或缺的组成部分，也是能耗大户。技术工作者应将工作重点放在如何降低中央空调能耗问题上。由此，关于中央空调节能系统的研究和实践逐渐增多。

一、中央空调系统能耗现状分析

在现代建筑中，中央空调是舒适生活和工作环境所不可或缺的重要设备。它在给人们带来舒适生产和生活环境的同时，也消耗了巨大的能源，从而提高了建筑运营成本，是现代建筑的主要耗能部分。在中央空调系统传统方案设计中，其制冷压缩机组、冷冻、冷却循环水系统系统等的容量大部分是按照建筑物最大制冷、制热负荷选定的，且留有一定比例的余量。据相关统计，中央空调用电量占各类大厦总用电量的60%以上，但中央空调设备80%的时间在较低负荷以下运行。有资料称，实际空调负荷平均只需设备能力的50%左右就能满足使用要求，因而出现了“大马拉小车”的现象，这样就造成了大量能源浪费。在定流量和定风量中央空调系统中，无论空调负荷如何变化，各设备都长期固定在工频状态下全速运行，造成能量浪费；当系统运行在部分负荷时，设备无法进行相应调节，电能无法降低，系统的整体运行效率很低；冷冻水流量只能通过压差旁通阀来进行调节，造成水系统长期处于“大流量、小温差”的高能耗运行状态，造成电能大量浪费。

二、中央空调系统节能分析

中央空调主要的耗能设备是主机、空调水泵和末端换热设备。由于建筑物内部负荷以及外部环境是不断变化的，所以不同季节或者时段空调系统的负荷是不同的，因此合理的空调控制系统需要根据负荷的变化进行相应的调节，从而达到节能的目的。但传统的空调系统设计基本采用定流量运行模式，无论在哪种负荷条件下都运行在最大负荷工况之下，各末端设备都工作在满载荷状态。鉴于这种情况，设计一种能够根据空调末端负荷的变化和空调主机的运行工况，自动对空调水系统的各设备进行相应工作状态的动态调节，是节能控制的研究重点。使系统冷冻水流量能够根据末端冷负荷的变化而进行水流量的相应调节对空调系统的节能具有很重要的意义。本文主要讨论空调水系统节能。

三、空调水系统节能

传统空调水系统基本都是定流量系统，在定流量水系统中，无论末端负荷以及外部环境如何变化，水系统的动力设备都保持在满负荷工作状态。因此，根据负荷和外部环境的变化动态调节水系统的流量，可以减少空调系统的很大一部分无用能耗。空调水系统包括两个独立的回路，即冷冻水回路和冷却水回路。下面讨论这两个系统的变流量节能控制。

1、冷冻水系统节能

大部分传统的冷冻水系统采用定流量系统，定流量系统通常采用压差旁通阀进行冷冻水流量调节，低负荷工作时回水温度达不到设定值的要求，比设定值小，因此，冷冻水系统工作在“大流量，小温差”的工况下，造成冷水泵电能的浪费。这种系统通常具有如下弊端：总水流量大、回水温度低、机组的运行效率低。由于空调系统负荷以及外部环境的多变性，在部分负荷的工况下，冷冻水系统通常工作在大流量、小温差的状况下，造成冷冻水泵电能的浪费。因此根据负荷的变化调节冷冻水流量对节能具有重要意义。

中央空调水系统之所以大多采用定流量的方式，主要原因有：（1）变流量系统成本建造初投资相对较高，如变频器价格昂贵、系统运行调试复杂等，而定流量系统则比较简单，系统投资低；（2）变流量系统会影响冷水机组的传热性能，减小冷冻水流量会导致蒸发器蒸发温度过低，冷冻水温度过低，导致安全问题。随着控制技术以及空调主机技术的进步，上述问题已经可以有效的解决，众多工程实例证明，变流量系统是可行的，并不会对冷水机组产生安全上的故障。

实现冷冻水变流量运行最有效直接的方法是采用变频调速技术，即根据末端负荷的变化通过改变水泵的转速来调节水泵流量，从而实现电能的节约，由水泵的工作原理可知，当改变水泵的转速时，水泵的效率基本是不变的，但它的流量G、扬程H以及轴功率N会发生变化，因此，可以通过调节水泵的转速，改变水泵的H-G特性曲线，同时水系统管路特性曲线是不变的，这时水泵的工作点却发生了改变。当前一般采用变频调速技术来实现对水泵的调速。采用变频调速技术可以把50Hz的固定频率电源转换为频率可以连续可调的电源，这样就可以实现对电机的无级调速，从而使电机工作在低转速、低功耗的状态下，达到节能降耗目的，节能效果显著。

目前，冷冻水变流量控制方式最常用的是压差控制方式。这种控制方式是以压差为被调参数。在变流量水系统中，当末端盘管、风柜等设备使用电动二通阀来调节水流量时，会造成供、回水管之间的压差变化。因此，可以选择在冷冻水供回水管路的适当位置安装压力传感器，将检测到的压力差传给控制器，然后与压差设定值进行比较，根据误差的大小调节控制变频器的输出频率，从而调节水泵转速，实现冷冻水流量的改变。在压差控制方式中，负荷的分布和变化对节能控制的效果影响很大。

2.冷却水系统节能

根据能量守恒可知，冷却水的流量也一定程度上反映了空调系统的冷负荷，对于节能的中央空调系统而言，冷却水系统能够与冷水系统、冷水机组协调运行，从而以最少的能耗动态跟踪空调系统的负荷，实现系统的节能降耗。

中央空调系统的实际运行中，大多数时间都是运行在在部分负荷的工况下。因此，冷却水流量也应该以变流量的方式运行。由于同一空调系统中冷却水系统和冷冻水系统是相关联的，当空调系统的末端冷负荷变化时，冷水流量以及冷水机组的制冷量也在发生变化，冷却水携带的热量也会发生变化，如果冷却水采用定流量的运行方式，流量始终不变，会导致冷却水工作在大流量、小温差的低效率工况下导致能耗的浪费。因此，冷却水变水量运行是十分必要的。对于冷却水系统变流量工作方式，人们普遍担心的是冷却水变流量运行会造成冷水机组能耗增大。冷却水系统变流量运行的目的是防止在部分负荷工况下冷却水系统大流量、小温差运行，导致能耗的浪费。根据空调主机冷却需求调节冷却水流量，可采用定温差控制方法，随着负荷变化，改变冷却水流量，对系统节能是有利的。在部分工况下，冷凝器的冷却需求减小，如果保证冷却水供回水温差恒定，就可以通过调节冷却水流量，达到大幅度减小冷却水泵的能耗。

冷却水系统的变流量运行是通过调节水泵的转速来实现的。理论上，水泵流量与转速成正比，转速与电机频率成正比，电机的输出功率与流量的三次方成正比，因此，冷却水泵采用变频调速，当流量减少时，相应减小水泵的转速，则电动机所需输出的功率就会大幅下降，从而提高了水泵的电机效率，获得显著的节能效果。

通过以上对中央空调水系统变流量运行方式的讨论和分析可知，定流量运行方式无法根据负荷调节流量，既造成了冷量的浪费，又浪费了大量的水泵输送能耗，还会影响冷水机组的性能。冷冻水系统和冷却水系统采用变流量的方式运行，根据负荷调节冷冻水流量和冷却水流量，既可以保证负荷需求，制造输送足够的冷量，又能够达到大幅降低水泵能耗，同时保证冷水机组安全和经济的运行。

结束语：

总之，为了有效提升中央空调节能系统的能效，技术人员需要对系统运行特点和影响因素给予高度重视和关注，采用合理有效的控制技术，制定科学的控制策略，同时采取相应的控制措施，从而控制中央空调节能系统。如今，我国中央空调节能系统的研发正处于发展阶段，技术人员需要不断加强技术创新。特别是控制技术的应用必须采取有效的控制措施，以确保中央空调系统运行的质量和效率，具有创新和应用的原则。

参考文献：

[1]韩希超，刘鸿雁，严明，李文松.中央空调系统节能设计与运行控制策略研究[J].数学的实践与认识，2009，67（16）：25一26.

[2]邱东，章明华，宋勤锋，朱文海.中央空调节能控制策略[J].制冷空调与电力机械，2007，77（5）：62一63.