中央空调节能控制 1 定流量与变流量水系统 1.1 概述 空调水系统分为定流量和变流量两种。 定流量系统是通过改变供回水温差来满足末端负荷变化要求的，系统中水流量是恒定不变的。当末端负荷减少时，水系统供回水温差随之减小，使系统输送给负荷的能量减少，以满足负荷减少的要求，但水系统的输送能耗并未改变，因此冷媒运送效率急剧下降。 变流量系统是通过改变水流量来满足空调末端负荷变化要求的，所以供水量跟随负荷的变化而改变。当末端负荷减少时，水系统供水流量随之减小，使系统输送给负荷的能量减少，以满足负荷减少的要求。因水流量减少能够大幅度降低水系统的输送能耗，因而具有显著的节能效果。 目前的中央空调系统设计，大都采用冷源侧（即空调主机）定流量运行而用户侧变流量运行的控制方式。之所以采用这种局部定流量、局部变流量的运行方式，原因有两个：一是这种系统简单，不需要较复杂的自控设备；二是普遍认为，减小空调主机水流量是有危险的，水流量减小会造成蒸发器内水的流速不均匀或流速减慢，甚至在管道转变处形成不流动的死水，极容易导致水温过低，甚至出现结冻，主机可能出现喘振等现象，从而对主机造成破坏。 实际上，按照空调主机设计数据，冷冻水流量额定值与最小值间具有比较大的调节空间；另外，现代空调主机本身都具有最小流量保护功能，达不到最小流量时，能自动保护机组停机。实践证明，利用当今先进的计算机智能控制技术，实现整个空调水系统的变流量运行是完全可行的，只要控制准确，完全可以保障空调系统的正常运行，不会造成对空调主机的任何不良影响。 1.2 变流量水系统的实现方式 实现空调水系统变流量的方式很多，诸如： （1） 节流调节 节流调节是在供水水泵出口安装控制阀门，通过改变阀门的开度达到调节水流量的目的。该调节方式将使水泵的工作状态由点1移至点2，利用节流过程的压力损失ΔP（ΔP=P2-P3）使流量由Q1减至Q2。 节流调节方式会使水泵效率由η1降至η2，单位流量的功耗增大。 采用节流调节时，应选择特性曲线较平坦的水泵，节流阀不应设置在水泵的吸水管上。节流幅度不能过大，以免系统压力过高，水泵工作条件恶化。 （2） 台数调节 台数调节一般通过压力等参数的控制，改变水泵的运行台数。 当末端负荷减少（众多末端二通阀关闭）引起水流量需求减少时，水系统压力将上升，当达到一定压力时，自动停泵1台；若水流量继续减小，系统压力继续上升到一定值时，又自动停泵1台。反之，当末端负荷增大（众多末端二通阀开启）引起水流量需求增大时，水系统压力将下降，当降到一定值时，自动增泵1台；若水流量继续增大，系统压力继续下降到一定值时，又自动增泵1台。…… 通过增、减水泵台数来调节流量，可以实现流量的有级调节，达到一定的节能效果。 （3） 变频调速调节 通过改变水泵的转速，使流量适应负荷变化的要求，水泵效率η1 =η2 = const。 根据水泵流量Q、压力P、转速n和功率N间的关系： 流量Q与转速n成正比的关系： 压力P与转速n2成正比的关系： 功率N与转速n3成正比的关系： 则有： 由上式可以看出，如果降低水泵转速，减少水泵流量，可以大幅度（成立方指数关系）降低水泵电机功率消耗，实现有效节能。 变频调速的节电比率如下表： 水流量Q 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 泵转速n 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 水压力P 1.00 0.81 0.64 0.49 0.36 0.25 0.16 电机轴功率N1.00 0.73 0.51 0.34 0.22 0.13 0.07 节电率 0 0.27 0.49 0.66 0.78 0.87 0.93 （4） 台数调节与变频调速调节相结合 采用台数调节并与变频调速调节相结合，可以实现水系统流量的无级调节，能兼收两种调节方式的主要优点，节能效果十分显著。 1.3 各种运行调节方式的能耗比较 各种运行调节方式的能耗比较曲线如下图： （注：论坛上没办显示图表） 从图中可以看出： ◆ 旁通调节时水系统的输配电耗基本上保持不变，不随负荷的减少而减少，能量浪费很大。 ◆ 节流调节时水系统的耗电量比旁通调节少一些，但节电幅度不大。 ◆ 二级泵系统中一次泵定流量，二次泵采用台数调节时，能显著地节省水系统的输送电耗。若适当增加二次泵的台数，能减小流量调节的级差，可以更好地逼近实际能耗曲线，节能效果更好。但也应注意，单台水泵容量越小，其效率也越低。 ◆ 变频调速调节的能耗曲线最接近实际所需的能耗曲线，其节能效果也最好。 2 中央空调节能控制 2.1 恒压差控制 （1） 控制原理 中央空调冷冻水系统的恒压差控制原理图如下： 在冷冻水系统供、回水总管间设置水力压差传感器，通过检测压差ΔP控制变频器，为水泵提供变速调节。 其控制原理是以保持冷冻水供、回水压差的恒定为依据，来调节用户侧冷冻水的供水流量，从而达到节能的目的。其控制过程如下： 当空调实际负荷减少时，随着末端众多二通阀的关闭，冷冻水供、回水压差会增大（偏离了设定值），压差传感器检测出压差的变化后，将信息传送到变频器，变频器的输出频率随之降低，使冷冻水泵电机转速降低，供水流量减少，使冷冻水供、回水压差减小并回到设定值，系统用户侧进入低流量状态。由于水泵电机转速的降低，从而达到节约电能的目的。 反之，当空调实际负荷增加时，随着末端众多二通阀的开启，冷冻水供、回水压差会变小（偏离了设定值），压差传感器检测出压差的变化后，将信息传送到变频器，变频器的输出频率随之升高，使冷冻水泵电机转速提高，供水流量增加，使冷冻水供、回水压差增大并重新趋于设定值，系统用户侧进入新的流量运行状态。 （2） 系统特点 ◆ 优点： ◇ 系统节能30%左右； ◇ 系统增加元件不多，系统结构简单； ◇ 系统价格便宜。 ◆ 缺点： ◇ 只适用于冷冻水系统，不能用于冷却水系统的控制。 ◇ 单参量（压差）的简易控制，只能实现用户侧变流量运行，而冷源侧仍保持定流量运行，节能效果不能达到最佳。 ◇ 不能对系统运行实现有效的安全保护。 ◇ 缺乏现代化的智能控制功能，且只依据水系统压差一个参量进行控制，无法实现系统优化。其系统压差一旦设定后，如果人不去调节，它是固定不变的，无法适应系统工作状态的随机变化，故不能优化主机运行环境，对主机能耗下降无贡献。 2.2 恒温差控制 （1） 控制原理 中央空调水系统的恒温差控制原理图如下： 在水系统供、回水总管上分别设置温度传感器T出和T入，通过PLC检测供、回水温差ΔT的变化来控制变频器，为水泵提供变速调节。 其控制原理是以保持供、回水温差的恒定为依据，来调节用户侧水系统的供水流量，从而达到节能的目的。其控制过程如下： 采用恒温差对空调系统的水泵电机进行控制，它根据需要设定水系统的正常工作温差，并给出最高和最低的运行水温差，在此范围内，可人工调节所需的运行温差。 当空调实际负荷减少时，随着末端众多二通阀的关闭，水系统供、回水温差会变小（偏离了设定值），PLC检测出温差的变化后，经比例积分微分（PID）运算并控制变频器的输出频率随之降低，使水泵电机转速降低，供水流量减少，使供、回水温差增大并回到设定值，系统用户侧进入低流量运行状态。由于水泵电机转速的降低，从而达到节约电能的目的。 反之，当空调实际负荷增加时，随着末端众多二通阀的开启，水系统供、回水温差会增大（偏离了设定值），PLC检测出温差的变化后，经PID运算并控制变频器的输出频率随之升高，使水泵电机转速提高，供水流量加大，使供、回水温差减小并重新趋于设定值，系统用户侧进入新的流量运行状态。 （2） 系统特点 ◆ 优点： ◇ 将定流量变温差系统改为一个变流量定温差系统，可实现节能30%～50%。 ◇ 系统增加元件不多，结构简单。 ◇ 系统价格较便宜。 ◇ 可用于冷冻水一次和二次泵环路系统，也可用于冷却水系统，但不用于冷却塔风机的控制。 ◆ 缺点： ◇ 单参量（温差）简易控制，只能实现用户侧变流量运行，而冷源侧仍保持定流量运行，节能效果不能达到最佳。 ◇ 可实现低温保护，但安全保护仍不完整。 ◇ 采用温差单参量简易控制，对于中央空调这样的多参量非线性系统，很容易引起中央空调水系统的强烈振荡，使温度在较大范围内起伏，且使系统长时间都不能达到设定值的稳定状态，既影响了系统的节能效果，又降低了空调效果，使舒适性降低。 ◇ 缺乏现代化的智能控制功能，且只依据水系统温差一个参量进行控制，无法实现系统优化。其系统温差一旦设定后，如果人不去调节，它是固定不变的，无法适应系统工作状态的随机变化，故不能优化主机运行环境，对主机能耗下降无贡献。 2.3 智能模糊控制 （1） 系统概述 中央空调节能控制应满足两个最基本的前提条件，就是： ◆ 确保中央空调系统主机和外围设备的运行安全，因为节能固然重要，但安全应是第一位的； ◆ 确保空调末端用户环境的舒适性，效益固然重要，但服务超越一切。 这两个条件都是用户的根本利益所在，如果不能满足这两个前提条件，所实现的“节能”则是以牺牲用户的利益（即系统的安全性及空调效果）为代价的。 舒适性中央空调系统是一个多参量复杂的、非线性和时变性系统，恒压差和恒温差控制方式都是依据单参量数据采集对系统进行比例积分微分（PID）控制，其局限性在于：