在能源紧缺与环境污染问题日益严重的当前, 节能减排逐渐引发人类广泛关注。建筑中央空调系统涵盖冷机、水系统、风道系统、控制系统等, 其中建筑能耗在能源消耗中的占比较大, 而建筑的空气调节系统耗能又是整体建筑能耗的主要方面, 且以空调水系统耗能占比最大。在中央空调系统方案设计过程中, 往往采用高配比设计方案, 考虑建筑系统部分负荷特性。研究表明:建筑空调系统很少在满负荷下工作, 大部分是在75%左右负荷条件下运行, 需不断优化控制系统。因此, 为降低中央空调系统整体耗能水平, 需从优化中央空调水系统节能技术入手。

中央空调水系统包括制冷机组、冷冻/冷却水泵、供/回水管路、冷却塔及末端装置等, 其中制冷机组可采用蒸汽压缩式系统、吸收/吸附式系统、喷射式系统等, 系统运行的冷凝热由冷却水泵送至冷却塔处理后排出, 蒸发器内, 冷冻水与低温低压冷媒进行充分换热, 利用低压液态冷媒的蒸发吸热作用降低冷冻水温度, 并通过冷冻水泵送至室内末端, 一般为风机盘管末端, 并通过末端电动调节阀装置进行流量调节。末端装置内空气-水侧的换热温差一般为7～12℃, 冷冻水温度通常通过冷机及电动调节阀进行调节, 末端风机盘管装置主要包括翅片管式换热器、贯流式风机, 翅片管换热器可实现冷冻水与空气的充分换热 (当冷机状态切换转为制热运行时, 风机盘管装置内循环的是冷却水) , 通过对冷冻水/冷却水温度及流量的控制满足房间内空气调节的舒适性需求。

中央空调水系统的主要耗能部件为水泵, 空调水系统变频节能也需从冷冻水及冷却水水泵的变频节能入手。传统空调水系统均采用定频式水泵设计, 水泵转速不变, 因而水系统中水流量通常是恒定的, 这种定频式方案主要考虑到流速对换热系数、管壁腐蚀及防冻结特性的影响, 流速越大, 换热系数越高, 但相应水泵耗功会增大;降低水泵频率, 会降低水泵耗功, 但换热系数会降低, 同时管内杂质易沉淀, 造成管道腐蚀或堵塞, 且当管内流速过低时, 水系统管道还有冻结的风险。从实际应用上看, 管道流速降低产生的上述影响也不是特别明显, 因此, 对水系统的变频节能展开合理的设计可提升建筑中央空调系统整体的节能特性及控制特性。

空调系统水系统的变频节能设计需考虑整体系统的部分负荷运行特性, 在各部分负荷点通过电机频率的无级调节, 适当降低水泵频率, 在不影响空调系统整体负荷及运行稳定性的前提下, 降低水泵耗功, 从而实现性能提升的目的, 并实现整个中央空调系统的节能控制。依据水泵工作原理, 可得到流量Q、扬程H、转速n与耗功p之间的平衡式:

因此, 当水泵转速降低时, 耗功受影响程度比流量受影响程度更大, 因此与传统系统中通过阀开度调节流量相比, 采用变频水泵调节技术能更好地降低水系统能耗, 进而实现整个中央空调系统能耗的优化控制。

涉及冷冻水及冷却水系统节能, 优化后的水系统结构如图1所示, 冷却水泵用于将系统冷凝侧热量排至冷却塔进行耗散, 而冷冻水泵则将低温水送至室内侧末端, 吸收室内侧热量, 达到制冷目的。在冷冻水和冷却水泵前后均布置温度传感器检测泵前水系统温度, 系统内冷却水及冷冻水泵均采用无级变频型水泵。

在上述系统运行时, 温度传感器探测到冷却水进出口温度及冷冻水出口温度后, 将温度信号传至水泵的变频驱动模块, 变频驱动模块对此类温度模拟信号进行识别, 并传至PLC模块, 继而根据温差值进行流量判定, 根据流量判定值 (偏大或偏小) 设定流量系数, 水泵会根据流量系数进行转速调整或水泵开启数量的控制与切换, 因此水泵内流量的控制主要受输入变频模块的温度信号进行控制, 同时, 为确保水系统运行的安全性与稳定性, 避免流量过低造成管道腐蚀或水系统冻结, 需设置流量保护限值, 当水系统流量低于某范围值时, 此时系统判定流量过低, 开启强制升频操作, 以维持系统稳定运行。在通常控制中, 冷却水进出水温差增大时, 水泵升频;反之, 水泵降频。

在实际应用中, 受安装环境、机组性能、水系统及风系统设计方案的影响, 中央空调水系统的节能方案设计也不尽相同, 需结合具体工程应用采取合理的节能优化方案, 因此, 结合具体项目应用, 采取合适的改造方案, 并进行后续的效益评价, 评估方案可行性。

某项目为商用写字楼建筑中央空调系统, 系统中制冷主机采用溴化锂吸收式系统, 设备机房位于地下1层, 该商业写字楼项目中央空调水系统结构如图2所示, 在水系统中, 分别配置了2台冷冻水水泵与4台冷却水水泵, 改造前水泵均为定频运行, 运行时转速不变, 存在启动电流大、振动和损耗大等问题, 由于定频水泵在启动时频率直接升至工作频率, 启动电流会超过水泵电机额定电流, 易发生水锤现象, 运行过程中, 电机噪声大, 外壳温度高。此外水泵定频运行时, 对水系统中冷却水及冷冻水的量要求较高, 也会加剧污染, 且降低水泵运行效率, 不利于整个水系统能耗的有效控制。

考虑到该空调水系统中水泵及冷却塔数量配置, 存在多种改造方案组合, 理论上讲, 对各水泵均配置1台变频驱动模块可达到最优控制效果, 同时也会造成系统初投资的增加, 因此在系统改造方案中, 充分衡量经济效益、节能效益及运维的安全可靠性等因素, 确定最终系统节能改造方案为:对2台冷冻水水泵各配置1台变频驱动模块, 而对每2台冷却水泵配置1台变频驱动模块, 冷却塔风机配置1台变频驱动模块进行统一控制。其中各变频驱动模块的配置均考虑各功能件 (水泵、风机) 的运行转速及耗功性能, 实现较好匹配。

在变频驱动控制方面, 通过冷冻水进出水温差控制冷冻水泵转速, 实现流量控制, 并设置系统最小流量限制, 以确保系统运行稳定性, 而冷却水流量控制主要受冷却水温度的影响, 并通过冷却塔风机的联动控制实现水系统主要运行部件间的协调性, 配置冗余备用系统, 可根据实际运行状况及环境温度条件进行变频运行及定频运行状态的切换。

根据本系统改造前后实际运行数据的对比, 变频改造系统控制方案具有较好适用性, 能确保系统在高效稳定运行的前提下, 提升水泵及风机运行效率, 进而实现系统提效、降低能耗的目的, 因此具有较好的推广应用价值。

性能对比方法为:在空调季, 根据环境温度特性, 选取气候条件较为接近的2天进行改造前后空调运行性能对比试验, 主要监测参数为系统耗能情况, 当然也要确保空调系统的日平均负荷率一致。数据对比结果表明:冷冻水泵节电率最高, 达55%;整个对比试验表明:通过对系统进行节能改造, 系统整体耗能将降低约20%。

建筑能耗在能源消耗中的占比较大, 而建筑的空气调节系统耗能又是整体建筑能耗的主要方面, 且以空调水系统耗能占比最大。为优化建筑系统整体耗能水平, 需从空调水系统节能入手, 在各个部分负荷点通过电机频率的无级调节, 适当降低水泵频率, 在不影响空调系统整体负荷及运行稳定性的前提下, 降低水泵耗功, 从而实现性能提升的目的, 实现整个中央空调系统的节能控制, 更有助于实现中央空调系统的节能减排。