黃慧麗

(華中科技大學(xué)文華學(xué)院城市建設(shè)工程學(xué)部,湖北武漢 430074）

·低溫與制冷·

機(jī)房群控系統(tǒng)機(jī)組啟停策略研究①

黃慧麗

(華中科技大學(xué)文華學(xué)院城市建設(shè)工程學(xué)部,湖北武漢 430074）

在中央空調(diào)系統(tǒng)中,冷水機(jī)組的能耗占了整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗很大一部分,是整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵。目前,冷水系統(tǒng)常用的系統(tǒng)形式包括一次泵定流量系統(tǒng)、二次泵變流量系統(tǒng)、一次泵變流量系統(tǒng),這三種系統(tǒng)形式的運(yùn)行方式都是不同的,必須根據(jù)具體形式確定冷水系統(tǒng)的控制方式。著重討論了不同系統(tǒng)形式下,冷水機(jī)組的啟動(dòng)和停機(jī)控制策略。

機(jī)房群控;冷水機(jī)組;冷凍水泵

空調(diào)系統(tǒng)在大部分運(yùn)行時(shí)間內(nèi)都在部分負(fù)荷下運(yùn)行,在低負(fù)荷時(shí),需要對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)。而在空調(diào)系統(tǒng)中,冷水系統(tǒng)的能耗占有較大的比例,保證冷水系統(tǒng)在部分負(fù)荷時(shí)節(jié)能高效運(yùn)行是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵。

冷水系統(tǒng)的能耗主要包括冷水機(jī)組的能耗和冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻塔風(fēng)扇能耗。冷水機(jī)組的節(jié)能主要是通過(guò)提高機(jī)組的出水溫度和降低冷卻水溫度來(lái)提高機(jī)組運(yùn)行的 COP,冷凍水泵和冷卻水泵的節(jié)能主要是降低水泵的轉(zhuǎn)速,冷卻塔的節(jié)能主要是降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和減少運(yùn)行臺(tái)數(shù)。

在冷水系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中,冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔的運(yùn)行并不是相互孤立的。冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔對(duì)于冷水機(jī)組來(lái)說(shuō)屬于附屬設(shè)備,它們的運(yùn)行一般是與冷水機(jī)組連鎖運(yùn)行的,所以冷凍機(jī)組的啟停以及運(yùn)行臺(tái)數(shù)控制,對(duì)于整個(gè)冷水系統(tǒng)是很重要的。

本文對(duì)機(jī)房群控系統(tǒng)中的機(jī)組啟?？刂七壿嬤M(jìn)行分析,以期找到在實(shí)際項(xiàng)目中最優(yōu)化的啟停策略,使制冷系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行,并達(dá)到節(jié)能的效果。

1 冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)控制的基本原則

在冷水系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中,冷水機(jī)組產(chǎn)生的冷量總是等于用戶側(cè)消耗的冷量,但是冷水機(jī)組運(yùn)行的 COP和系統(tǒng)能耗是不同的,同樣的用戶負(fù)荷,在不同的運(yùn)行控制策略下,系統(tǒng)的運(yùn)行能耗差別是很大的。

冷水機(jī)組本身一般都有比較完善的冷量調(diào)節(jié)手段,可以根據(jù)機(jī)組出水溫度調(diào)節(jié)冷量輸出,并保證出水溫度的穩(wěn)定。假設(shè)流過(guò)機(jī)組的水流量是恒定的,當(dāng)用戶負(fù)荷降低時(shí),進(jìn)出機(jī)組的水溫差變小,冷凍水平均溫度下降,使機(jī)組 COP下降,所以要盡量避免機(jī)組在低負(fù)荷下運(yùn)行。如果開(kāi)啟一臺(tái)冷機(jī)可以滿足負(fù)荷要求,就盡量不開(kāi)啟第二臺(tái)冷機(jī)。

如果冷水系統(tǒng)的冷源是由多臺(tái)冷機(jī)組成的,冷機(jī)運(yùn)行的臺(tái)數(shù)基本的依據(jù)是用戶側(cè)的負(fù)荷狀態(tài)與冷機(jī)的對(duì)比,如果正在運(yùn)行的冷機(jī)運(yùn)行在最高效率時(shí)產(chǎn)生的冷量仍不能滿足用戶負(fù)荷的要求,就要開(kāi)啟另一臺(tái)冷機(jī),當(dāng)另一臺(tái)冷機(jī)開(kāi)啟后,冷水機(jī)組的供冷能力將會(huì)大于用戶負(fù)荷的需求,所以機(jī)組將運(yùn)行在部分負(fù)荷的狀態(tài),此時(shí)就要通過(guò)適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC機(jī)組高效率運(yùn)行。相反,如果正在運(yùn)行的冷水機(jī)組關(guān)掉一臺(tái)后,剩余冷機(jī)產(chǎn)生的冷量仍然可以滿足用戶負(fù)荷要求,就要關(guān)閉運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的一臺(tái)冷機(jī)。

冷水系統(tǒng)主要有三種形式,即:一次泵定流量系統(tǒng)、二次泵變流量系統(tǒng)、一次泵變流量系統(tǒng),下面將分別對(duì)三種水系統(tǒng)形式的冷水機(jī)組啟?？刂撇呗赃M(jìn)行分析。

2 一次泵定流量系統(tǒng)的機(jī)組啟?？刂?/h2>

一次泵定流量系統(tǒng)是工程中常見(jiàn)的系統(tǒng)形式,這種系統(tǒng)形式的特點(diǎn)是:通過(guò)蒸發(fā)器的水流量基本保持不變,這樣可以保證蒸發(fā)器中不會(huì)有結(jié)冰的危險(xiǎn)。系統(tǒng)形式如圖1所示。

圖1 一次泵定流量系統(tǒng)Fig.1 Constant primary pump system

2.1 一次泵定流量系統(tǒng)的控制方式

用戶側(cè)的負(fù)荷一般是通過(guò)二通閥自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的,當(dāng)用戶側(cè)的冷負(fù)荷增大時(shí),就開(kāi)大二通閥,使冷水流量增加,用戶側(cè)換熱器的平均溫度下降,從用戶側(cè)帶走的熱量增加。當(dāng)二通閥動(dòng)作時(shí),會(huì)引起冷水管網(wǎng)阻力的變化,如果不采取措施,流過(guò)冷機(jī)蒸發(fā)器的水流量就會(huì)發(fā)生變化,所以一般會(huì)在冷水系統(tǒng)的供回水干管上安裝旁通管道,并在旁通管道上安裝二通調(diào)節(jié)閥,并根據(jù)系統(tǒng)壓力的變化來(lái)調(diào)節(jié)旁通閥開(kāi)度,保證機(jī)組蒸發(fā)器流量的穩(wěn)定。

壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇對(duì)于控制蒸發(fā)器流量穩(wěn)定至關(guān)重要,通常有兩種方式。一種是冷水系統(tǒng)供回水干管上安裝壓力傳感器 (或者壓差傳感器DP1）,另一種是在進(jìn)出冷水機(jī)組的干管上安裝壓力傳感器(或者壓差傳感器DP2）。前一種方式由于遠(yuǎn)離水泵,并且一般可以保證安裝位置有比較長(zhǎng)的直管段,所以測(cè)量壓力比較準(zhǔn)確。后一種方式由于傳感器直接安裝在冷水機(jī)組兩側(cè),可以比較可靠地測(cè)量單臺(tái)冷機(jī)的流量。

通過(guò)以上兩種壓差信號(hào)來(lái)控制旁通閥開(kāi)度的控制方式是不同的。在第一種方式中,當(dāng)DP1增大時(shí),說(shuō)明冷機(jī)兩側(cè)的壓力差變小,要增大旁通閥開(kāi)度,使通過(guò)旁通閥的水流量增大,這樣通過(guò)冷機(jī)的水流量就會(huì)增大。在第二種方式中,當(dāng)DP2增大時(shí),說(shuō)明通過(guò)冷機(jī)的水流量增大,要減小旁通閥開(kāi)度,通過(guò)冷機(jī)的水流量就會(huì)恢復(fù)正常。

2.2 冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)一般控制策略

如果流過(guò)冷水機(jī)組的水流量是恒定的,并且等于機(jī)組的設(shè)計(jì)水流量,那么冷水機(jī)組供回水溫差就反映了冷水系統(tǒng)的負(fù)荷比,即:

式中,m為冷水系統(tǒng)的負(fù)荷比;△t=T4-T3,△t0為機(jī)組在全負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的溫差。依據(jù)前述機(jī)組啟停原則,應(yīng)實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)中的冗余冷量,如果冗余冷量大于正在運(yùn)行中的一臺(tái)機(jī)組的設(shè)計(jì)制冷量,就停掉一臺(tái)機(jī)組。

式中,q為單臺(tái)制冷機(jī)的設(shè)計(jì)制冷量;N為實(shí)際運(yùn)行的制冷機(jī)臺(tái)數(shù)。

實(shí)際上,由于冷凍泵不僅要克服冷機(jī)側(cè)的阻力損失,還要克服用戶側(cè)及管網(wǎng)的阻力損失,當(dāng)用戶側(cè)用于負(fù)荷變化調(diào)節(jié)末端閥門(mén)時(shí),必然引起通過(guò)冷水機(jī)組的水流量變化。雖然旁通閥可以根據(jù)冷水機(jī)組流量調(diào)節(jié)旁通閥開(kāi)度,但總是有一定的滯后性。所以在一次泵定流量系統(tǒng)中,通過(guò)冷水機(jī)組的水流量并不是恒定的。

為了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)冷水機(jī)組的負(fù)荷狀態(tài),需要在冷水系統(tǒng)干管上裝設(shè)流量傳感器,并根據(jù)供回水溫差實(shí)時(shí)計(jì)算出系統(tǒng)的冗余冷量。

即,當(dāng)Q＜q· (N-1）時(shí),停掉運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的一臺(tái)冷機(jī)。

式中,Q為用戶側(cè)負(fù)荷。

當(dāng)冷水系統(tǒng)中的冗余冷量小于一臺(tái)機(jī)組的制冷量時(shí),就要盡量提高機(jī)組運(yùn)行的 CO P。對(duì)于一次泵定流量系統(tǒng)來(lái)說(shuō),由于水泵的運(yùn)行,旁通水管的水流總是從供水側(cè)流向回水側(cè),與用戶側(cè)回水混合后進(jìn)入冷水機(jī)組,這就使冷水機(jī)組的回水溫度下降,也就降低了機(jī)組運(yùn)行的 COP。為了保證冷水機(jī)組高效率運(yùn)行,就要盡量減少旁通水管的水流量。如果適當(dāng)提高機(jī)組的出水溫度設(shè)定點(diǎn),使冷水機(jī)組出水溫度提高,用戶側(cè)的二通閥就會(huì)開(kāi)大,使通過(guò)用戶側(cè)的水流量增大,旁通水量就會(huì)減小,機(jī)組COP也會(huì)提高。如果用戶側(cè)的二通閥已經(jīng)開(kāi)到最大,此時(shí)即使冷水機(jī)組出水溫度提高,通過(guò)旁通閥的水流量也不會(huì)減小,此時(shí)可能會(huì)造成用戶側(cè)的供冷量不足,此時(shí)要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶側(cè)供回水溫差T2-T1,當(dāng)此溫差偏小時(shí),說(shuō)明用戶側(cè)的冷量不夠,此時(shí)應(yīng)該降低冷機(jī)的出水溫度設(shè)定值。

如果系統(tǒng)的旁通水量很小,并且機(jī)組的出水溫度達(dá)不到設(shè)定值,說(shuō)明機(jī)組在較高的運(yùn)行 CO P下仍然不能滿足用戶的負(fù)荷要求,就需要再啟動(dòng)一臺(tái)冷水機(jī)組。

綜上所述,一次泵定流量系統(tǒng)的機(jī)組啟停策略如下:

式中,T1,T2,T3,T4如圖1所示。

3 二次泵變流量系統(tǒng)的機(jī)組啟?？刂?/h2>

二次泵變流量系統(tǒng)的特點(diǎn)是,冷源側(cè)一次泵的流量不變,二次泵根據(jù)用戶負(fù)荷調(diào)節(jié)流量,與一次泵定流量系統(tǒng)相比,可以節(jié)省一部分水泵能耗。其系統(tǒng)形式如圖2所示。

圖2 二次泵變流量系統(tǒng)Fig.2 Primary/Secondary pump system

3.1 二次泵變流量系統(tǒng)的控制方式

二次泵變流量系統(tǒng)的一二級(jí)系統(tǒng)相互獨(dú)立,一次泵用來(lái)保證冷水機(jī)組的水流量恒定,跟冷水機(jī)組一起啟動(dòng)。二次泵系統(tǒng)則根據(jù)末端壓差控制水泵的轉(zhuǎn)速,滿足末端用戶的冷水量要求。

在二次泵變流量系統(tǒng)中設(shè)有平衡管,用來(lái)平衡一二次系統(tǒng)的水流量。平衡管是一二次系統(tǒng)的分界線。在供水溫度不變的情況下,用戶負(fù)荷增大時(shí),通過(guò)用戶側(cè)的水流量增大;用戶負(fù)荷減小時(shí),通過(guò)用戶側(cè)的水流量減小。當(dāng)用戶側(cè)的水流量大于一次側(cè)的水流量時(shí),多出的水流從回水干管經(jīng)平衡管流向供水干管 (B→A）;當(dāng)用戶側(cè)水流量小于一次側(cè)的水流量時(shí),一部分一次側(cè)冷水從冷水供水干管經(jīng)平衡管流向回水干管 (A→B）。

3.2 機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)控制策略

由于平衡管把冷機(jī)與用戶側(cè)分為了兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分,通過(guò)冷水機(jī)組的水流量基本上不受用戶側(cè)負(fù)荷的影響,可以認(rèn)為基本不變,m反映了系統(tǒng)的負(fù)荷比。

機(jī)組是否處于全負(fù)荷可以由機(jī)組的出水溫度來(lái)判斷,當(dāng)機(jī)組出水溫度在一段時(shí)間內(nèi)一直大于設(shè)定值,可以認(rèn)為系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到最大負(fù)荷,并且不能滿足用戶負(fù)荷的要求,在這種情況下,就要再開(kāi)啟一臺(tái)冷機(jī)。

綜上所述,二次泵變流量系統(tǒng)的機(jī)組啟停策略如下:

式中,T3如圖2所示。

4 一次泵變流量系統(tǒng)的機(jī)組啟停控制

一次泵變流量系統(tǒng)的特點(diǎn)是,流過(guò)冷水機(jī)組的流量是可變的,可以最大限度地使冷機(jī)負(fù)荷與用戶側(cè)負(fù)荷匹配,并可以最大限度地節(jié)省水泵運(yùn)行能耗,但是控制比較復(fù)雜。其系統(tǒng)形式如圖3所示。

圖3 一次泵變流量系統(tǒng)Fig.3 Variable primary pump system

4.1 一次泵變流量系統(tǒng)的控制方式

一次泵變流量系統(tǒng)采用變頻泵,變頻泵根據(jù)用戶側(cè)的供回水壓差來(lái)改變運(yùn)行頻率。當(dāng)用戶側(cè)負(fù)荷增大時(shí),二通閥開(kāi)度增大,用戶側(cè)的供回水壓差減小,這時(shí)增大冷凍水泵的運(yùn)行頻率,系統(tǒng)供水量就會(huì)相應(yīng)增加。

在系統(tǒng)供回水側(cè)一般設(shè)有旁通管,并設(shè)旁通調(diào)節(jié)閥。旁通調(diào)節(jié)閥的作用是保證冷水機(jī)組的最小流量,當(dāng)通過(guò)機(jī)組的水流量小于設(shè)計(jì)最小流量值時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)旁通閥的開(kāi)度可以保證機(jī)組的最小水流量。監(jiān)測(cè)通過(guò)機(jī)組水流量的方法通常有兩種,一種是機(jī)組兩側(cè)安裝壓差傳感器,然后根據(jù)機(jī)組蒸發(fā)器的阻力特性計(jì)算出水流量,另一種是在供回水總管上安裝流量傳感器。在一般情況下,旁通閥保持關(guān)閉狀態(tài),只有當(dāng)機(jī)組水流量小于設(shè)計(jì)最低值時(shí),旁通閥才會(huì)動(dòng)作來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入冷水機(jī)組的水流量。

4.2 機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)控制策略

在一次泵變流量系統(tǒng)中,冷水機(jī)組的啟停與水泵的啟停并沒(méi)有必然的聯(lián)系。水泵根據(jù)用戶側(cè)的負(fù)荷調(diào)節(jié)水流量,在冷水機(jī)組出水溫度不變的情況下,機(jī)組產(chǎn)生的冷負(fù)荷與通過(guò)的水流量成正比。

當(dāng)通過(guò)冷水機(jī)組的水流量大于機(jī)組設(shè)計(jì)最大水流量時(shí),需要再開(kāi)啟一臺(tái)機(jī)組。當(dāng)運(yùn)行的幾臺(tái)冷水機(jī)組的設(shè)計(jì)水流量大于實(shí)際水流量,并且大于一臺(tái)機(jī)組的設(shè)計(jì)水流量時(shí),停止一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行。

值得注意的是,冷水機(jī)組與水泵并不是連鎖啟停的,當(dāng)啟動(dòng)一臺(tái)冷機(jī)時(shí),并不會(huì)同時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)水泵,此時(shí)通過(guò)正在運(yùn)行的冷水機(jī)組的水流量會(huì)急劇減少,所以在一臺(tái)冷水機(jī)組之前,要將正在運(yùn)行的冷水機(jī)組的負(fù)荷降低,避免冷水機(jī)組水量不足。

綜上所述,一次泵變流量系統(tǒng)機(jī)組啟停策略如下:

當(dāng) G＞NGmax時(shí),啟動(dòng)一臺(tái)冷機(jī)。

式中,G為通過(guò)所有冷水機(jī)組的水流量,Gmax為單臺(tái)冷水機(jī)組的設(shè)計(jì)最大水流量。

5 結(jié) 論

空調(diào)水系統(tǒng)常見(jiàn)的系統(tǒng)形式有一次定流量系統(tǒng)、二次變流量系統(tǒng)、一次變流量系統(tǒng)。在機(jī)房群控系統(tǒng)中,要根據(jù)空調(diào)水系統(tǒng)的具體形式確定冷水機(jī)組的加機(jī)、減機(jī)控制策略,這樣才能保證機(jī)房系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效率運(yùn)行。

[1]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008:2015-2025.

[2]HARTMAN Thomas B.New ho rizons fo r HVAC control[J].HPAC,1995,12(2）:75-84.

The Research of Chiller Un its Start And Stop Method

HUANG Huili
(Huazhong University of Science and Technology Wenhua College,Wuhan 430074,China）

The chiller system consume the most energy in the air condition system,so it is the point of the energy saving.Now,the most common chiller system style are constant primary pump system,primary/secondary pump system,variable primary pump system,and the operate method is different,the control method must base on the chiller system style.This articlemainly discuss the start and stop method of chiller unit,based on the different chiller system style.

chiller system manager;chiller unit;evapo rato r pump

TU 831.6

A

1007-7804(2011）05-0012-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2011.05.003

2011-08-25

黃慧麗 (1984）,畢業(yè)于南昌大學(xué)。華中科技大學(xué)文華學(xué)院助教,研究方向:制冷與低溫。