摘要：中央空调系统设计首先是气象参数和室内空调设计参数计算冷负荷，按分区结构特点，根据产品样本选择相应的设备，组合成一个系统。但空调系统绝大部分时间是在部分负荷的情况下工作。在部分负荷工作的控制方式不合理，系统能效比会大大降低……

关键词：中央空调系统 节能 冷却水系统

一、调水泵节能介绍

1、中央空调运行控制方法分析
中央空调系统设计首先是气象参数和室内空调设计参数计算冷负荷，按分区结构特点，根据产品样本选择相应的设备，组合成一个系统。但空调系统绝大部分时间是在部分负荷的情况下工作。在部分负荷工作的控制方式不合理，系统能效比会大大降低。
从美国制冷协会标准880-56数据可见，平均年负荷在60%左右。

冷负荷率	75-100	50-75	25-50	<25
占总运行时间的百分数	10	50	30	10

表1 空调负荷的全年分布（%）

　　现在空调系统在运行调节方式上，风水系统主要是阀门（手动、自动阀门调节），主机利用卸荷方式，而这些方式是牺牲了阻力能耗来适应末端负荷要求，造成运行成本居高不下。
若采用变频控制，能量的传递和运输环节控制为变水量（VWV）和变风量（VAV），使传递和运输耦合并达到最佳温差置换，其动力仅为其它控制系统的30~60%，而且节能是双效的，因为对制冷主机的需求能耗同时下降。
主机采用变频节能控制，保持设计工况下的制冷剂运动的物理量（如温差、压力等）变化，节能较其它调荷方式明显，如约克（YORK）的YT型离心式冷水机组，配置变频机组在部分负荷下能效比可降至0.2kw/冷吨，可见变频控制方式在空调系统中应用前景十分广阔。
过去在中央空调系统中应用变频技术为什么推广难呢？可能是价格太高的原因吧？在变频技术、计算机自动化控制技术非常成熟的今天，用此技术与暖通空调专业技术相结合，它并不是一门高价的技术，在小功率空调中其经济性都可承受，在中央空调系统中更不应该成问题：（1）中央空调运行时间更长，节能问题更突出；（2）变频控制在整个系统中所占的造价比例不高；（3）变频控制器的容量越大，每千瓦功率单价越低。
中央空调系统采用变频器是可行的，其投资回收一般在3～12个月，以变频控制器使用寿命10年计，其净收益在10倍投资额以上。
2、中央空调调速节能原理
中央空调系统中大部分设备是风机和水泵，是将机械能转变成流体的压力能或动能的设备，若流体为液体工质称其为泵；若流体为气体工质称其为风机。空调系统中的风机、水泵一般在结构上为透平式类。

参数	水泵	风机
透平式	离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵	离心风机、斜流风机、轴流风机
参数	水泵	风机
容积式	略	略
其它式	略	略

表2 泵和风机的分类表（按工作原理分）

风机和水泵的理论压力方程式表示为：
Hth=1/g(u2cu2－u1cu1)
对于轴流式
Hth=1/g(cu2－cu1) (∵u1=u2=u)
式中，Hth--理论扬程，m；
cu1、cu2--分别为叶轮进出口处绝对速度的周向分量，m/s。
但由于空气和水密度相差800多倍，所以升压也相差800多倍。
在现场，常根据用户需要改变风机和水泵的流量和压力，即改变工况点位置，这种以变应变的人工干预称为调节，因用户需求的"变化"是绝对的、经常的，而不变化却是相对的、暂时的，因此调节是一个至关重要的技术。
根据相似定律可知：

参数	仅n≠no	流量Q	Q=Qvo(n/no)
扬程H	H=Ho(n/no)2	全压P	P=Po(n/no)2
功率P	P=Po(n/no)3	效率n	n=no

注："o"为变化前参数，H对于风机称有头，第四项又称比例律。

表3 风机、水泵相似工况下参数变化

　从管网特性曲线可以看出，一般情况下，风机转速变化相似工况点连线过原点，由于水泵有静扬程存在，当转速变化时，相似共况点连线不通过坐标原点，转速变化前后工况点亦不再保持相似，所以效率也随之不再保持不变，也就是说，此时不满足比例律，如图2 a、b所示：

　　在图2（a）中，no为原转速，A为原工况点，转速降低到n1或提升到n2时的工况点分别为B和C。A、B、C均为相似工况点，其连线过坐标原点O，恰好与管网特性线R重合，Hst=0。
在图2（b）中，Hst>0，转速变化前后的特性线与管网特性线交于B和C点。
A、B、C是工况点，但不是相似工况点，因此效率也不是相似工况点，实际流量（减少时）的转速要比按一次方计算转速高，实际功率比按转速比二次方计算功率大。
从实际水系统的装置特性来看，不管是冷却水系统还是冷冻水（热水）系统，其进水势能与出水势能相差不大。
装置扬程H=Hz [(p"-p′)/r] KQ2,m
式中，Hz-----压出池液面与吸入液面高度差；
p"、p′----分别为密闭吸入池和压出池液面处压力，若是开口池（容器），均为大气压力；
K-------与吸入管路、压出管路等有关的阻力系数；
Q-------体积流量。

　　在图3中，分析偏离O点的差值
¤H2高度差在冷冻水密闭管路中接近零，在冷却水中差距很小；
¤P″、Pˊ在系统中差值小，所以，在空调水系统中作水泵节能分析时，可按相似律作粗略分析，即 H2 （P″-Pˊ）/r趋近零。
所以，在以下分析中，分机水泵的节能均按相似定律计算。
根据相似定律，可作出恒速调节和变速调节的能耗关系。

　　当风机或水泵稳定工作在工况点A1（Q1，P1）上，当需要减少流量到Q2时，（1）关小阀门开度，使管网曲线R2。值得注意的是：Q2的实现是靠人为节流引起的损失ΔP的代价换来的。（2）采用变速调节，将速度降到n2时，既可满足流量的要求，其功率降低显著。
因此，变转速调节是风机、泵经济运行的首选方式。
采用变频调速方式，对普通系列三相异步电动机拖动进行控制，是当前无级调速的主流。它的基本原理如下，当电动机极对数P选定后，运行时改变供电电源F1，就可改变其步转速n1。当同步转速n1改变了，电动机转轴转速n则随之而变。采用变频调速有以下特点：
　　（1） 从基频往下调速，为恒转矩调速方式；
　　（2） 调速范围大；
　　（3） 电动机转速稳定性能好；
　　（4） 运行时，电动机转速接近其同步转速，运行效率高；
　　（5） 频率F1可以连续调节，因此为无级调速方式；
　　（6） 基本上做到负载需要多少功率，就从电源输入多少功率。

二、中央空调水泵系统变频改造模型介绍
因为中央空调系统是由主机、冷冻水、冷却水等若干个子系统组成的一个较为复杂的系统，所以对每个子系统进行改造时，都要考虑器对整个系统的影响。因此我们在中央空调系统变频改造时采用了神经元网络和模糊控制的方法，保证整个系统的最优化运行。
1、冷却水系统（包括一次及二次系统）：
冷却水的进出口温度差为5℃时，空调主机的热交换率最高，同时为了保证正常供水，还要保证冷却水的压力和流量。因此将进口温度、出口温度、管网压力、管网流量等信号输入控制柜的中央控制器中，由中央控制器根据当前的具体数据计算出所需流量值，确定冷却水泵投入的台数及工作频率，保证能耗最低且系统最优工作方式。

2、冷冻水系统：
为了使空调主机效率最高，应保证冷冻水进出主机温度差为5℃，同时为了保证供水需求，必须保证冷冻水的压力和流量，而且必须保证冷冻水的温度不能过低，避免主机结冰。因此将进口温度、出口温度、管网压力、管网流量等信号输入控制柜的中央控制器中，由中央控制器根据当前的具体数据计算出所 需流量值，确定冷冻水泵投入的台数及工作频率，保证能耗最低且系统最优工作方式。

三、中央空调末端节能改造介绍
1、原中央空调末端简介
中央空调原末端采用比例阀进行机械式调温，调节冷冻水入水口阀门的开度，即控制进入热交换器中冷冻水的流量，风机推动热交换热源一方（即空气），在热交换器中进行热交换，从而达到调节冷风温度的目的，其调节对象为冷源介质。控制简图如下：

　　其过程如下：风机盘管出风口处安装一个温度传感器，采样冷风的实际温度，并将该信号送给比例阀控制器，比例阀根据实际检测的温度与设定的温度进行比较，自动调节调节热交换器进水口阀门的开度。实际温度比设定温度高则增加阀门开度，实际温度比设定温度低则减少阀门开度，以达到调温的目的。实际上有些末端并不采用自动调节，而是采用人工调节。感觉冷风不够则增加阀门开度，而且往往不是采用比例调节，而是以档位方式进行调节。
2、 中央空调末端分析
首先，中央空调末端由比例阀控制器调节热交换器进水口阀门开度的过程中，是以增加进水的阻力来减少流体（冷冻水）在热交换器中的流动速度，这样就以浪费一大部分冷冻水的动能来达到调温，然而浪费的这一部分动能恰恰是中央空调的冷冻泵所给予，冷冻泵电机是要消耗电能，也就是采用比例阀调温浪费了一部分的电能。
其次，盘管风机是以电机来驱动的，然而电机长期是以满速运行（即以工频运行），这样风机的机械转动部分易产生磨损，机械磨损之后增加了风机电机的负载，甚至引起电机故障，减少了电机的使用寿命。
最后，有些中央空调末端采用的是开环档位控制，凭感觉调温。感觉温度过高则增加阀门开度，感觉温度过低则减少阀门开度，该调节方式是人工调节而不是自动恒温调节。另外比例阀性能不稳定也造成调温效果不理想。
3、中央空调末端改造
我们现主要针对以上几个问题对中央空调末端进行如下改造：
将原有的中央空调末端采用比例阀进行机械式调温改造为变频器进行电气调温。将进水阀门的开度固定，动态调节风机转速，来达到恒温调节目的，调节的对象为热源。其过程如下：风机盘管出风口处安装一个温度传感器，采样冷风的实际温度，该信号经温度变送器转换为标准的电流信号，送给变频器，变频器将实际检测的温度与上位机给定的温度进行PI运算，运算结果给出控制信号，自动控制风机转速。实际温度比设定温度高则增加风机转速，实际温度比设定温度低则减少风机转速，以达到调温的目的。控制系统简图如下：

　　中央空调末端经过改造之后，中央空调末端不是通过调节热交换器进水口阀门开度来调温而是通过电子方式来调温，这样节省了一大部分的电能，而且风机电机不是以满速运行，盘管风机电机是根据室内的负荷变化有效地调节风机电机的转速，来调节风量达到调温目的，这样既节省了电能，又大大地减少风机的机械转动部分磨损，增加了电机的使用寿命；同时还消除了各个热交换器进水口阀门之间的影响。还有在改造之后，风机电机采用交流变频调速技术后，实现了零电流、零电压的软启动，消除了电机启动时对电网的冲击，而且还大大地降低电机运行时的噪音。

4、改造前后比较
改造前
a、 机械调温效果不明显。
b、 比例阀性能不稳定。
c、 风机长期处于满速运行，风机用久易产生机噪音及电能的浪费。
d、 无法实现温度闭环自动控制
改造后
a、 用电气调温，调温精度高。
b、 响应速度快，调温动态性能好。
c、 风机经常不处于满转速运行，机械损耗小，风机的噪音可降低，风机的用电量可下降。
d、 实现全自动远程监控及温度闭环控制。
e、 实现了软启动、软停止，消除了电机启动时对电网的冲击，而且还大大地降低电机运行时的噪音。