基于末端定溫差控制的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能性研究

杜芳會(huì)，梁棟棟，李飛龍

(廣東艾科技術(shù)股份有限公司，廣東 佛山528000)

一次泵變流量集中空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性已有較多的研究[1-2]，多是以水系統(tǒng)的合理控制為出發(fā)點(diǎn)，研究如何實(shí)現(xiàn)水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，文獻(xiàn)[3]論述了PID調(diào)節(jié)技術(shù)和定壓差技術(shù)，為了保證各個(gè)末端的水力平衡，末端串聯(lián)定流量閥來消耗由于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)多余的壓差，從而產(chǎn)生能量的浪費(fèi)?？照{(diào)末端的負(fù)荷是動(dòng)態(tài)變化的，負(fù)荷的變化對(duì)應(yīng)的是水系統(tǒng)供冷量的變化以及末端需求風(fēng)量的變化，然而風(fēng)機(jī)的功耗經(jīng)常被忽略。一次泵變流量系統(tǒng)主要解決了水系統(tǒng)運(yùn)行過程中大流量小溫差的問題，實(shí)現(xiàn)水系統(tǒng)的輸送節(jié)能。文章提出一種裝置，基于空調(diào)末端設(shè)備表面換熱器定溫差控制策略，該設(shè)備的實(shí)施保證了末端室內(nèi)熱舒適的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)末端的定溫差運(yùn)行。文章從實(shí)際項(xiàng)目出發(fā)，對(duì)末端風(fēng)機(jī)盤管定溫差技術(shù)的節(jié)能性進(jìn)行了研究。

1 末端定溫差控制技術(shù)

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該控制裝置通過設(shè)定房間溫度和冷凍水供回水溫差，控制器同時(shí)對(duì)送風(fēng)量和冷凍水流量進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，經(jīng)調(diào)節(jié)后，空調(diào)房間溫度能快速達(dá)到穩(wěn)定值，并且風(fēng)機(jī)盤管的冷凍水進(jìn)、出水溫差達(dá)到設(shè)定值，即在滿足室內(nèi)舒適性的前提下，可保證末端冷凍水供回水溫差，克服“大流量小溫差”的問題。風(fēng)機(jī)盤管控制器安裝示意圖如圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)盤管控制器安裝示意圖

1.2 理論機(jī)理

文獻(xiàn)[4]通過系統(tǒng)仿真和將實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)表冷器的換熱特性進(jìn)行了研究，研究了冷凍水流量和送風(fēng)量對(duì)風(fēng)機(jī)盤管的換熱性能和冷凍水出水溫度的影響，得到了換熱量、冷凍水出水溫度與冷凍水流量、送風(fēng)量的關(guān)系如下：

表冷器的回水溫度隨著冷凍水流量的增加呈飽和特征，冷凍水流量變化對(duì)表冷器的回水溫度影響不大，即冷凍水調(diào)節(jié)范圍具有較大的空間。

在大風(fēng)量范圍內(nèi)(30%-100%)，風(fēng)量對(duì)出水溫度的影響并不顯著；風(fēng)量在10%-30%范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)冷凍水出水溫度變化影響比較大。

在低風(fēng)量時(shí)，冷凍水流量的變化對(duì)表冷器的換熱量影響甚微。在實(shí)際的運(yùn)行過程中，如果通過表冷器的風(fēng)量過低，調(diào)節(jié)冷凍水的流量并不能有效地改變表冷器的換熱量，這會(huì)導(dǎo)致表冷器的出力不足。這也說明在低負(fù)荷時(shí)，如果風(fēng)量降低，冷凍水流量也可大幅度減少，從而減少輸送能耗。

冷凍水流量在小流量區(qū)間(相對(duì)流量0.1-0.4)內(nèi)的增減對(duì)換熱量的影響較大。

根據(jù)上述結(jié)論可以將影響風(fēng)機(jī)盤管換熱量的水量和風(fēng)量在一定調(diào)節(jié)范圍內(nèi)進(jìn)行解耦控制。

1.3 控制原理

該末端控制系統(tǒng)，通過設(shè)定供回水溫差與房間溫度，結(jié)合對(duì)供、回水溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)末端的按需調(diào)節(jié)風(fēng)量和水量。通過對(duì)風(fēng)機(jī)盤管送風(fēng)量和水流量同步連續(xù)調(diào)節(jié)[5]，避免風(fēng)機(jī)盤管供回水溫差過低；減少風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗，減少空調(diào)系統(tǒng)的輸送能耗，整體提升空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能效。其控制原理如圖2。

圖2 基于定溫差的末端風(fēng)水聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)控制原理圖

2 工程案例

2.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目是華南地區(qū)某大型商業(yè)項(xiàng)目，總建筑面積為34635.59m2，空調(diào)系統(tǒng)由獨(dú)立的冷源系統(tǒng)提供7/12℃冷水供冷，末端采用風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)形式。地上一層主要為餐飲，二、三層主要為商鋪。

冷源機(jī)房配置見表1。

表1

2.2 建筑能耗模擬分析

根據(jù)DEST對(duì)建筑全年的逐時(shí)負(fù)荷模擬結(jié)果，建筑負(fù)荷額定負(fù)荷信息見表2、表3。

表2 地上三層商業(yè)面積、負(fù)荷表

表3 全年負(fù)荷分布區(qū)間統(tǒng)計(jì)表

從表3可以得到，系統(tǒng)大多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在部分負(fù)荷工況下，超過68%時(shí)間的平均負(fù)荷率約為20%-50%，近30%時(shí)間的負(fù)荷率為50%-80%。超過80%負(fù)荷的時(shí)間僅占1.75%。

3 節(jié)能效益分析

末端風(fēng)機(jī)盤管的調(diào)節(jié)控制對(duì)能耗的影響主要有三方面，第一方面是通過冷水流量的降低，減少輸送能耗；第二方面是降低末端設(shè)備的送風(fēng)能耗，也就是降低風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)機(jī)電耗；第三方面是提高了冷凍回水溫度帶來的主機(jī)效率的提高。

本次對(duì)比分析選擇方案1(普通三速風(fēng)機(jī)盤管+電動(dòng)兩通閥)與性價(jià)比較高的方案2(直流無刷風(fēng)機(jī)盤管+浮點(diǎn)閥+定溫差風(fēng)盤控制器)進(jìn)行節(jié)能性對(duì)比。

3.1 控制方案（見表4）

表4 末端設(shè)備控制方案

方案1控制模式如下：

(1)末端采用定風(fēng)量、水閥通斷控溫模式；

(2)水泵與主機(jī)一對(duì)一工頻運(yùn)行，主機(jī)臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)；

(3)冷水主機(jī)出水溫度為7℃；

方案2控制模式如下：

(1)末端采用定溫差控制的風(fēng)水聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)模式；

(2)水泵與主機(jī)一對(duì)一工變頻運(yùn)行，主機(jī)臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)；

(3)冷水主機(jī)出水溫度為7℃-12℃；

3.2 傳統(tǒng)方案能耗分析

根據(jù)DEST能耗模擬結(jié)果，常規(guī)控制模式下，該商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)年能耗為252.69萬kWh，各子系統(tǒng)年能耗值統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 常規(guī)模式下全年能耗統(tǒng)計(jì)表

3.3 能耗對(duì)比

常規(guī)方案水系統(tǒng)的水力平衡工況按照較為理想的平均4℃溫差，與末端定溫差控制的5℃溫差進(jìn)行對(duì)比，相應(yīng)部分的能耗對(duì)比如表6。

表6 定溫差模式下全年能耗統(tǒng)計(jì)與傳統(tǒng)模式對(duì)比表

方案1與方案2保持冷凍水出水溫度一致，通過末端風(fēng)水聯(lián)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)回水溫度恒定，增加水泵的變頻變壓差控制，與常規(guī)的定壓差控制模式相比，可使主機(jī)節(jié)能6.44%，冷凍水泵能耗節(jié)能30.60%，冷卻水泵節(jié)能31.11%，冷卻塔節(jié)能24.92%，末端節(jié)能62.63%，可使中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率達(dá)到23.30%，年節(jié)能量588778.64kWh，產(chǎn)生節(jié)能效益588778.64元(電價(jià)1元/kWh)。

4 結(jié)束語

文章介紹了一種基于定溫差控制的風(fēng)機(jī)盤管控制器，結(jié)合表冷器的傳熱特性，論述了該控制器的控制機(jī)理。結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，通過建筑能耗模擬軟件對(duì)項(xiàng)目的負(fù)荷特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，全年的負(fù)荷分布中，負(fù)荷率在50%-80%區(qū)間的運(yùn)行時(shí)長僅占全年空調(diào)運(yùn)行的30%左右，空調(diào)系統(tǒng)的配置大多數(shù)是按最大負(fù)荷進(jìn)行配置。

對(duì)常規(guī)方案和末端定溫差方案的運(yùn)行能耗進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果表明，在仍保持主機(jī)出水溫度為7℃，只通過末端冷凍水定溫差調(diào)節(jié)以及水泵的變流量調(diào)節(jié)技術(shù)，空調(diào)末端采用定溫差控制方案比傳統(tǒng)方案系統(tǒng)節(jié)能量為588778.64kWh/a，系統(tǒng)節(jié)能率23.3%，末端節(jié)能量為303308.41kWh，末端節(jié)能率為62.63%；冷凍水輸送能耗節(jié)能量為81154.23kWh，冷水輸送節(jié)能率為30.6%。按照商業(yè)電價(jià)1元/kWh計(jì)算，全年的系統(tǒng)節(jié)能收益為588778.64元。