中央空調冷凍水變水流量調節控制應用

隨著國家對能源的可持續利用以及綠色節能的大力倡導，要求各行各業都要本著資源節約型與環境友好型發展創新。據不完全統計建筑行業在全國總能源用量中就占了大約11.7%。建筑中能耗最高的當屬中央空調系統，其約占建筑總能耗的30%-50% 以上，而在一些大城市，中央空調的用電量占了總城市用電量的30% 左右。然而中央空調系統的能耗主要由制冷機組的能耗和循環水泵與風機的能耗構成, 其中制冷機組的能耗占總能耗的60% 以上, 水泵風機能耗約占總能耗的40%。
現在建筑節能問題越來越被大家關注，那么如何最大限度的降低空調系統的能耗成為在暖通空調系統的設計中亟待解決的問題。正如我們所知目前大部分的暖通空調系統都是定冷凍水流量系統，為了滿足不同需求的運行工況這就要求水泵工作在一個比較高的運行條件下。但是由于一棟建筑物的負荷需求是隨著時間和人員的流通情況動態變化的。這時就帶來一個問題，當室內負荷需求下降時，就會導致空調系統出現“大流量、小負荷" 的情況。傳統的空調系統不能根據實際需求來供冷，造成了大量的能量浪費。為了解決這部分巨大的能量浪費，變流量空調系統憑借出色的節能優勢被人們所廣泛接受。
近年來針對變水流量空調系統，國內外的學者做出了不少研究和探討。1997 年，清華大學的江億院士給出了水系統變流量調節時, 各用戶支路可調性和穩定性的定量定義及它們的具體計算方法與現場實測方法。2006 年，中南建筑設計院的高養田就定速泵與變速泵并聯使用問題做出了具體的分析與計算。2009 年張子鵬等就空調的不規則負荷變化提出模糊控制的方案，研究了針對變流量空調的控制器。2015年Thomas Hartman, P.E. 通過對制冷機組的冷凍水進行變流量分析，得出了冷凍水分配系統的設計和控制策略
由此可見變流量空調系統的發展前景越來越明朗，以下我將對變流量空調系統中冷卻盤管的熱力特性與循環水泵的能耗以及流量調節閥的特性做出簡要的計算與分析。
1、變冷凍水流量空調系統
變流量空調系統(Variable Water Volume，簡稱VWV) 的工作原理是在保證室內的負荷需求及系統的安全運行的情況下，實時的對系統末端的實際情況做出調整。根據末端的負荷及溫度的要求，改變空調管道中的水流量。末端需要多少流量，水泵就輸出多少流量，避免出現“大流量、小負荷" 的情況。與此同時控制器會根據制冷機組制冷量的變化或當地氣候條件改變所帶來的機組溫度的變化，實時監測制冷機組發熱量的變化，并對冷卻水的水流量做出實時調整，增加換熱溫差調高換熱效率，控制制冷機組的COP 值，使其處于較佳狀態。
2、冷卻盤管的熱力特性分析
就目前而言空調末端的冷卻盤管具有一個共同的地方，當管內的水溫及工作條件相同的情況下，盤管的供冷量和管內水流量是成一條曲線關系，如圖1 所示為某型號的冷卻盤管在外部條件相同的情況下，供冷量和管內水流量的變化關系，從圖中可以看出當管內水流量降低至60% 的情況下，盤管的供冷量仍可達到80% 左右。
但是目前大多的空調系統中冷卻盤管內的流量為一恒定值，甚至超出當初的設計流量，系統經常處于“大流量，小負荷”的狀態下運行。
利用空調末端冷卻盤管的熱力特性與水流量之間的關系，在保證盤管供冷量滿足室內負荷需求的條件下，選擇一個合適的水流量，對系統能耗的降低有至關重要的作用。以下將分析水流量對水泵功率的影響。
3、變冷凍水水流量分析
為了減少系統中水泵所消耗的能量，如圖2 在二級回路中加入了一臺可變速水泵，為了將蒸發器端的恒定水流量與二級回路中的變量水流量分離開來。設計了一種雙泵裝置，分別為每一個負載的調節閥設置一個變速驅動裝置，來操控二次回路中冷凍水的水泵。主要的定速冷凍水泵在冷水機組中連續工作。

圖1　冷卻盤管熱力特性曲線

圖2　主/ 次冷水循環
對于二次回路，傳統的設計手冊規定水路系統的控制閥在全流量運行的條件下進行精確控制，該閥門全開時的壓力降至少為閥門關閉時總系統壓力降的30％。稱為閥權度，并且經驗法則規定他應該等于或者大于通過負載的壓力降。在本系統中負載為冷卻盤管。在系統中保持閥門比較高的壓力降，是為了實現閥門動作和輸送到負載冷卻效果之間有一定的線性度。同時比較高的壓降也能使每個閥門和冷卻盤管裝置的操作與其他裝置分離。
首先計算一下在全流量工況下二次水泵的總水頭，然后計算所需的泵送功率。 根據物理位置和管道長度，通過冷卻盤管所引起的壓力降有6 米，通過閥門所引起的壓力降有9米，在全流量條件下，在二次回路管道上有12 米的壓力降。 假設所有負載線圈的全流量要求為227m³/h ，我們可以計算全流量時的理論泵功率如下：（本文假設所有泵的效率為100%）。

圖3　主/ 次冷水循環與壓差式傳感器和控制器
如圖3 所示，確保在閥門和冷卻盤管保持15 米的壓力降。如果所有的冷卻盤管大部分運行時間都在低于設計容量的情況下運行，那么管道水頭的損失就會隨著水流的減少而下降。通過冷卻盤管的壓力下降同樣會減少，但是這部分損失將會被排除在外，因為控制器在閥門和冷卻盤管兩端要保持恒定的壓力，所以閥門中的損失會隨著冷卻盤管中的損失減小而升高。如果假定所有線圈的負載情況都是合理的，那么管道中水頭的壓降將隨著流量的平方而增加。在75% 流量中，管道頭損失是:12× 0.752=9米
　使用這個新的壓降來計算水泵的功率為：
　泵功率=227×0.75×9.81×1000（15+9）/3600=11134 W
　類似的在50% 設計流量時，管道損失為：12×0.5=6 米。
　泵功率=227×0.5×9.81×1000（15+6）/3600=6495 W
然后，在結合適當的泵效率，模擬或者估算水泵泵與冷水盤管在不同工況下的運行流量，通過上面的計算方法計算出水泵的功率。如果系統在大部分時間內都在低負荷的條件下運行，則來自可變流量二級回路系統中能量的節省將是巨大的。
上述簡化分析顯示，通過將可變流量應用于HVAC系統中典型的水循環回路，可以大幅降低能耗。
4、閥門的選擇對系統的影響
一個高性能的便流量空調系統在閥門控制和水泵控制相結合的情況下，選擇調節控制閥閥來降低壓力下降，以處理線性和可控性的問題。假設相同的管道和冷卻盤管是在前面的例子中選擇的，但是調節閥在設計流量上是1.5 米的壓力下降。現在，在全負荷條件下，通過冷卻盤管所引起的壓力降有6 米，橫跨閥門有1.5 米的壓力降，以及在二級管道上的水頭損失為12 米。在227m³/h 的滿載流量中，理論上的全負荷泵功率可以計算為:

相比于之前的16701w 水泵的傳統循環水路的設計。雖然這個設計需要選用尺寸較大的閥門在滿載流量的情況下實現較低的壓降, 但是此時水泵和變頻驅動組件都只有72% 的傳統設計所需, 這意味著設計的機械部件的總體成本可能是相同或低于最初的設計。
在較低的負載下，泵的能量計算更加復雜，因為冷凍水溫度和循環壓力都將由高性能的DDC 系統調整，以滿足不同負荷的具體要求。提高冷卻水溫度可以提高冷卻水的流量，但同時也提高了冷卻裝置的效率，并產生了額外的能量消耗。當負載減少時，減少總回路壓力降，將會增加節省下來的能量，而不是減少流量。我們可以假定系統的平均負荷為總負荷的75%。降低供水溫度為6℃ ：
　此時系統水流量為 L= 75%×227×6/5= 204.3.3m³/h
　對應管路和盤管的損失分別為：
　管路：12×（204.3/227）2 =9.72m
　盤管：6×（204.3/227）2 = 4.86m
通常情況下，通過閥門的水頭損失可以與管道和線圈頭損失相同的比例降低，但情況并非總是如此。保守地說，在這個例子中假設閥門的水頭損失保持在1.5m 根據這些假設，此時水泵的功率為：
這個設計雖然增加了一些額外的抽水量，但是提升了1℃的冷凍水供水溫度。相比于在循環水泵上提高水流量所帶來的能量消耗的增加，在制冷機組上提高了1℃供水水溫所節省下來的能量就尤為可觀。很明顯，使用綜合控制和低壓降的調節閥可以為這個冷卻水系統節省大量的能源。
5、總結
變流量空調技術是控制專業和暖通專業綜合作用下的一門技術，如果沒有一個優秀的控制方法和工程實踐所總結的經驗和教訓，變流量空調系統達不到預期效果。在此背景下，研究討論變流量空調系統中的自動控制，有著十分重要的意義。在上述討論中主要在于閥門的開度和對水流量的控制。為使變流量水泵在工作條件下具有較好得調節特性，一方面要保證冷卻盤管進出口水的水溫。另一方面還要保證調節閥具有足夠的閥權度。合理的選擇閥門種類及調節方案，可以滿足暖通空調系統的舒適節能性要求，使系統高效、穩定同時經濟的運行。


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