摘要：定流量中央空調(diào)供冷系統(tǒng)中，冷凍水泵及冷卻水泵工頻運行，總供水量不隨冷負荷的變化而變化。此運行方式能量損耗顯著，采用變流量控制系統(tǒng)對定流量空調(diào)制冷系統(tǒng)進行節(jié)能改造，實現(xiàn)中央空調(diào)制冷系統(tǒng)高效節(jié)能運行。

　　關鍵詞：機械助理工程師論文,定流量,冷水機組,變頻,壓差旁通

　　目前廣州地鐵的空調(diào)制冷系統(tǒng)主要采用水冷式冷水機組，分集中冷站供冷和獨立供冷兩種方式。獨立供冷車站，由定流量水冷式冷水機組向整個車站中央空調(diào)系統(tǒng)提供冷源。通過對定流量冷水機組的能量損耗進行分析，提出變流量控制節(jié)能改造的建議。

　　1.定流量水冷式冷水機組結(jié)構(gòu)

　　圖1-1 定流量水冷式冷水機組系統(tǒng)圖

　　分析圖1-1，可以將定流量水冷式冷水機組分成以下幾個系統(tǒng)：

　　1.1制冷劑循環(huán)系統(tǒng)

　　由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器及之間的管道封閉連接組成。制冷劑從蒸發(fā)器吸熱，吸收的熱量送到冷凝器那里后放熱。

　　1.2冷凍水系統(tǒng)

　　由定頻冷凍水泵，連接管道及相關附件組成。通過冷凍水泵做功，將冷凍水送到末端設備的表冷器，由表冷器完成與環(huán)境空氣的熱量交換，產(chǎn)生的低溫空氣。

　　1.3冷卻水系統(tǒng)

　　由冷卻水泵，冷卻塔和連接管道及附件組成。通過本系統(tǒng)將冷水機組制冷劑在冷凝器中釋放的熱量帶給冷卻塔，在冷卻塔中釋放給大氣。

　　2.定流量水冷式冷水機組能量損耗分析

　　2.1部分負荷下的能量損耗嚴重

　　冷水機組運行工況的轉(zhuǎn)換是由自身所攜帶的微電腦根據(jù)冷水溫度自動控制。冷凍水泵的流量不隨末端負荷的變化而改變。經(jīng)過末端設備的水量，由壓差旁通控制器根據(jù)壓差變化進行控制。末端負荷需求變小時，管道中的二通閥開度關小，壓差旁通管的壓差增大，流入末端的水量變小，一部分水量通過旁通管直接進入回水系統(tǒng)。

　　圖1-2 冷水機組冷凍水流程示意圖

　　如圖1-2 冷水機組冷凍水流程示意圖

　　其中： + =

　　因為：×(12℃-7℃)= ×( -7℃) (1-1)

　　=7℃+(12℃-7℃) ×()

　　是混合后的水溫，公式(1-1)是一個熱量平衡關系。

　　根據(jù)公式，得出旁通系統(tǒng)造成的能耗浪費表現(xiàn)在下述三個方面：

　　(1)根據(jù)熱力學的基本原理，當?shù)睦鋬鏊?7℃)與末端系統(tǒng)回水(12℃)混合時，發(fā)生的過程是不可逆的熵增過程，造成機械能的損失。

　　(2)冷凍水回水溫度越高，蒸發(fā)器效率越高，則主機效率也越高，然而部分負荷情況下，混合后的冷凍回水溫度低于末端回水溫度，導致主機熱交換效率降低。

　　(3)冷負荷需求減少時，需要的水量減少。因定流量的關系，冷凍水泵輸出功率不變。如圖，空調(diào)末端系統(tǒng)只需要冷機供出部分的水量，但在定流量系統(tǒng)中，水泵必須對部分的水量做功，即水泵的功耗浪費，其中一部分用浪費在推動多余的水量循環(huán)，另一部分損失在克服管道阻力。另外，冷卻泵也存在與冷凍泵運行一樣的浪費能耗的現(xiàn)象。

　　2.2 設計問題導致能量損耗

　　空調(diào)設計的配置原則：冷水機組按遠期高峰負荷配置設備的容量，水泵按所有末端設備滿負荷時總水量設計。

　　根據(jù)歷史運營數(shù)據(jù)，中央空調(diào)系統(tǒng)80%左右的時間是在部分負荷工況下運行。長期低溫差、大流量的運行狀態(tài)，造成能量利用率低。

　　同時，在實際測試中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的實際運行與設計的運行狀態(tài)有偏離，選用水泵偏大，導致水泵處于“大流量、低效率、高功耗”的不利工況下運行。

　　3.節(jié)能改造需解決的主要問題

　　定流量制冷系統(tǒng)能量損耗顯著，因此進行節(jié)能改造是必須的。而制冷系統(tǒng)由制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵等主要組成部件，對其行節(jié)能改造，主要需解決的問題為：

　　(1)冷水機組：將冷水機組進出水溫度控制在7℃～12℃左右，保證機組在制出足夠的冷量時在最高效率點運行。

　　(2)冷凍水泵組：配合主機，隨著末端工況變化，及時調(diào)節(jié)輸送水量，給主機提供12℃左右的進水，降低輸送能耗。

　　(3)冷卻水泵組及冷卻塔：配合主機，用最小的能耗將冷凝器釋放的熱量傳輸?shù)酵獠凯h(huán)境。

　　(4)保冷水機組平穩(wěn)安全運行。即冷凍水、冷卻水的流量不小于冷水機組允許最小流量。同時，冷凍、冷卻水的流量變化速率須小于冷水機組允許的變化速率。

　　4.變流量控制系統(tǒng)的節(jié)能原理

　　變流量控制系統(tǒng)由模糊智能控制器，變頻器，溫度、壓力、壓差、流量傳感器等設備組成。模糊智能控制技術(shù)適合沒有準確的控制模型、多變量及時變量的非線性系統(tǒng)中。變頻器是關鍵節(jié)能執(zhí)行部件，控制水泵的運行工況。溫度、壓力、壓差、流量傳感器的檢測值反饋到系統(tǒng)中，進行差值控制。

　　在保證制冷系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，實時響應末端負荷變化，按照末端溫度的要求，動態(tài)改變冷凍水的水流量。同時，根據(jù)冷凝器及天氣等其他情況，動態(tài)改變冷卻水的水流量，提高冷水機組的熱交換效率，控制主機的COP值處于最佳狀態(tài)。 　　車站制冷系統(tǒng)在BAS系統(tǒng)的控制下，根據(jù)冷負荷需求自動確定開啟冷機的數(shù)量，同時制冷主機根據(jù)負載的變化隨之加載或卸載，為此，冷凍、冷卻水泵成為控制的主要對象。

　　4.1冷凍水系統(tǒng)的節(jié)能

　　當環(huán)境溫度、空調(diào)末端負荷發(fā)生變化時，各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量亦隨之變化，流量計、壓差傳感器和溫度傳感器將檢測到的這些參數(shù)送至變流量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)控制器依據(jù)所采集的實時數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)，實時計算出末端空調(diào)負荷所需的制冷量，以及冷凍水供水流量的最佳值，并以此調(diào)節(jié)各變頻器輸出頻率，控制冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，改變流量，實現(xiàn)冷凍水流量按照末端負荷的需求供應，使空調(diào)系統(tǒng)在各種負荷情況下，都能既保證末端用戶的舒適性，又最大限度地節(jié)省了系統(tǒng)的能量消耗。

　　4.2 冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能

　　當環(huán)境溫度、空調(diào)末端負荷發(fā)生變化時，制冷主機的負荷率將隨之變化，主機冷凝器的最佳熱轉(zhuǎn)換溫度也隨之變化。系統(tǒng)控制器依據(jù)所采集的實時數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)，計算出主機冷凝器的最佳熱轉(zhuǎn)換溫度及冷卻水最佳出、入口溫度，并以此調(diào)節(jié)冷卻水泵的輸出頻率及冷卻塔風機的運行臺數(shù)，控制冷卻水泵轉(zhuǎn)速和冷卻塔風機臺數(shù)，動態(tài)調(diào)節(jié)冷卻水的流量和冷卻塔風機的數(shù)量，始終保持最佳的能效比(即COP值)，從而降低了制冷系統(tǒng)的能量消耗。

　　5.采用變流量控制系統(tǒng)的節(jié)能空間

　　由能量損耗分析可見，能量損耗主要發(fā)生的部分負荷工況下。采用變流量控制技術(shù)，將定流量系統(tǒng)轉(zhuǎn)為變流量系統(tǒng)后，帶來的節(jié)能空間如下：

　　(1)最大程度的利用機組冷凝器及蒸發(fā)器的換熱面積，進而提高機組的制冷效率。

　　(2)制冷機冷凝器換熱面積被充分利用時，可以給冷卻水泵讓出了變頻節(jié)能的空間。

　　(3)在系統(tǒng)負荷需求降低并保證系統(tǒng)供回水溫差時，水量需求降低，水泵的輸送量減少降低功耗的同時，流體在管路中的揚程損失按平方關系降低，從而需要水泵提供的揚程也降低，進一步降低了水泵的輸送功耗。

　　(4)充分利用冷卻塔的散熱功能，可以給冷卻水泵開辟更大的節(jié)能空間。

　　6.結(jié)論

　　采用變流量控制技術(shù)，綜合考慮制冷系統(tǒng)各設備能耗之間的相互關系，克服定流量系統(tǒng)的缺點，充分挖掘部分負荷下制冷系統(tǒng)的節(jié)能潛力，實現(xiàn)中央空調(diào)水冷式制冷系統(tǒng)的節(jié)能、高效運行。

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　　作者簡介：

　　張軍輝，助理工程師，從事中央空調(diào)系統(tǒng)研究，機電設備管理方向。