水冷中央空調(diào)節(jié)能控制及運行策略研究

王瑾烽，鄭麗軍

（1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231；2.浙江中天智匯安裝工程有限公司，浙江 杭州 310015）

隨著全球變暖等問題的加劇，世界各國都在轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，走“綠色、低碳、循環(huán)”的發(fā)展道路[1]。2021年4月在“中美領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會”上中國政府向全世界作出了“2030年前碳達峰、2060年前碳中和”的莊嚴承諾，同年11月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了國家標(biāo)準GB55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》。建筑碳排放計算作為強制要求，對精細化、集約化利用建筑能源做出了可操作性部署。

建筑耗能、工業(yè)耗能和交通耗能是我國三大“耗能大戶”。建筑能耗80%以上是由建筑物中的機電設(shè)備、照明運行產(chǎn)生的，其中采暖、空調(diào)能耗約占60%~70%[2]。公共建筑中大多采用水冷中央空調(diào)系統(tǒng)，水冷空調(diào)主要包含冷水機組、冷凍水、冷卻水和冷卻塔等系統(tǒng)。冷水機組完成制冷劑在低溫低壓氣體、高溫高壓氣體、常溫高壓液體、低溫低壓液體4個狀態(tài)的重復(fù)循環(huán)。高溫高壓氣體冷凝為常溫高壓液體的過程中釋放的熱量由冷卻水循環(huán)帶出在冷卻塔散發(fā)；低溫低壓液體氣化為低溫低壓氣體時吸收熱量將冷凍水制冷；冷凍水流經(jīng)風(fēng)機盤管，在盤管與空氣熱交換使空氣降溫送至各冷源用戶。

中央空調(diào)系統(tǒng)原理并不復(fù)雜，是成熟的系統(tǒng)，但中央空調(diào)系統(tǒng)的供冷（熱）、供水、供氣以及輔助的監(jiān)測與控制、凈化、處理等設(shè)備分布在公共建筑的各個角落，要讓數(shù)以千計的設(shè)備穩(wěn)定工作，保證系統(tǒng)在低能耗運行并非易事?？照{(diào)耗電中，制冷機房系統(tǒng)（含制冷機、水泵及冷卻塔）耗電量又占空調(diào)總耗電量的85%左右[3]。因此，制冷機房的節(jié)能是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的核心。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)運行能效現(xiàn)狀

我國的家用空調(diào)有成熟的評價體系，每臺空調(diào)都貼有“中國能效標(biāo)識”，注明能效等級。但中央空調(diào)系統(tǒng)的能效評價基本屬于盲區(qū)。中央空調(diào)的系統(tǒng)能效差距非常大，社會平均水平3.2左右，中央空調(diào)綜合能效（COP）分布如圖1所示。綜合能效是反應(yīng)制冷時空調(diào)電能轉(zhuǎn)化制冷量效率的一個重要指標(biāo)。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)能效比（COP）分布圖

由于空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備種類多、布置分散、管道連接多，設(shè)備間耦合性強，存在時滯性、非線形、時變性和不確定性等因素，空調(diào)系統(tǒng)高能耗運行問題一直沒有很好地解決[4]。造成我國公共建筑中央空調(diào)系統(tǒng)綜合能效不高的原因是多方面的，主要表現(xiàn)如下。

1.1 中央空調(diào)高能效責(zé)任主體不明

中央空調(diào)的建設(shè)與使用被分割成設(shè)計、安裝與運維3大環(huán)節(jié)。該體系可以保證空調(diào)安全穩(wěn)定運行，但沒有一個環(huán)節(jié)對能效負責(zé)?？照{(diào)能效沒有明確的責(zé)任主體。

中央空調(diào)系統(tǒng)是按照建筑最大需求冷量即最高氣溫的最高冷負荷設(shè)計的，為了保證可靠性，設(shè)計還會考慮10%~20%的余量。實際上系統(tǒng)在最大負荷運行的時間不到10%[5]。施工單位有機電安裝工程經(jīng)驗，但一般不是空調(diào)業(yè)內(nèi)人士，調(diào)試與運行也不在合同范圍內(nèi)。因此，施工單位大多按圖施工，不會對空調(diào)系統(tǒng)提出優(yōu)化。使用單位關(guān)心空調(diào)的舒適度，運維企業(yè)關(guān)注設(shè)備的故障率。中央空調(diào)高能耗的成本變相轉(zhuǎn)嫁給消費者。

1.2 中央空調(diào)高能效評價體系缺失

中央空調(diào)全生命周期中，有設(shè)計、施工和驗收規(guī)范。由于中央空調(diào)是集成系統(tǒng)，除了各個廠家的單體設(shè)備外，還有大量的介質(zhì)管道。因此，缺乏統(tǒng)一的評定標(biāo)準，目前還沒有中央空調(diào)高效機房工程評定的國家標(biāo)準。地方質(zhì)監(jiān)站對中央空調(diào)驗收的時候，主要對設(shè)計方案、安裝工藝和功能進行驗收，考核系統(tǒng)運行效率沒有依據(jù)。

1.3 用戶不節(jié)能行為約束機制空白

末端調(diào)節(jié)對能耗的影響很大，室內(nèi)舒適度與溫度、濕度、空氣流速等相關(guān)。過冷的溫度、過高的風(fēng)速、門窗不關(guān)等都造成較大的能耗浪費。國家倡導(dǎo)節(jié)約、反對浪費，但對個體的不節(jié)能行為并沒有約束機制。

2 大型水冷空調(diào)的節(jié)能分析

2.1 空調(diào)負荷的計算

空調(diào)負荷計算是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)。隨著計算機技術(shù)的深入應(yīng)用，負荷計算從最初的計算穩(wěn)定負荷發(fā)展到動態(tài)負荷計算。無論負荷計算怎么演變，其本質(zhì)是“得熱量和冷負荷”的關(guān)系?？照{(diào)動態(tài)負荷影響因素較多，有外墻及屋頂瞬變傳熱、玻璃窗瞬變傳熱、玻璃窗日照得熱、設(shè)備散熱、照明散熱、人體散熱、食物散熱、新風(fēng)的顯熱和潛熱等多個變量[6]。隨著《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》的實施，對建筑空調(diào)負荷的計算必須考慮動態(tài)負荷。由于負荷計算的復(fù)雜性，工程技術(shù)人員一般都用專業(yè)計算軟件，國內(nèi)常用的建筑能耗分析軟件有鴻業(yè)暖通空調(diào)、天正軟件暖通系統(tǒng)等。通過軟件模擬，可以估算日負荷和年負荷。年動態(tài)負荷不僅用來確定空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方案、優(yōu)化控制方式，還促進建筑圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改善門窗結(jié)構(gòu)等。

設(shè)計負荷與實時運行負荷是不匹配的。在不同的季節(jié)、時間、人流、光照條件、朝向、建筑圍護結(jié)構(gòu)、地理條件、室內(nèi)設(shè)備下，其冷熱負荷在同一建筑體內(nèi)相差達1~10倍，而且是隨時變化的，如圖2所示。

圖2 空調(diào)的實際負荷變化曲線圖

2.2 冷水機組的節(jié)能分析

冷水機組是中央空調(diào)系統(tǒng)的核心，風(fēng)冷式冷水機組單機容量小，受氣象條件的影響較大，使用壽命短。雖無冷卻塔和冷卻水循環(huán)泵，但總耗電量與水冷式相當(dāng)。因此，水冷式冷水機組的應(yīng)用場景更廣。

冷水水機組的工作過程就是不同介質(zhì)之間的熱交換過程，第1個是制冷劑在蒸發(fā)器里與冷凍水的熱交換，第2個是制冷劑在冷凝器熱里與冷卻水的熱交換。此外，還有2個次生熱交換，冷凍水在風(fēng)機盤管中熱交換是中央空調(diào)的最終輸出，冷卻水在冷卻塔中熱交換是輔助制冷劑的狀態(tài)循環(huán)，從而間接保證了冷水機組的工作循環(huán)。冷卻水、冷凍水的溫度都影響冷水機組的能效。冷卻水進水溫度升高，冷水機組效率減小；冷凍水供水溫度升高，冷水機組效率增大[7]。

中央空調(diào)系統(tǒng)一般采用3～5臺同銘牌的冷水機組集群控制，根據(jù)季節(jié)、時段進行不同的控制策略，把空調(diào)制冷季節(jié)分為低負荷過渡季節(jié)（4、5、10、11月）、中負荷季節(jié)（6、9月）和高負荷季節(jié)（7、8月）三檔，系統(tǒng)運行在不同強度。在每種策略下根據(jù)實時負荷，自動調(diào)整運行強度，調(diào)整冷水機組的運行臺數(shù)。在低負荷時段減少主機開機臺數(shù)，主機負荷率控制在55%~85%區(qū)間，使冷量和冷凍水流量雙平衡。即節(jié)約冷水機組運行能耗，又節(jié)約配套的水泵、冷卻塔的電耗，達到中央空調(diào)系統(tǒng)低能耗運行[8]。

2.3 冷凍水泵的節(jié)能分析

冷凍水在蒸發(fā)器降溫后，由冷卻泵抽出經(jīng)分水器流至各支管，分水器各支路安裝電動調(diào)節(jié)閥，通過合理壓差控制，保證該路的所有末端設(shè)備冷凍水循環(huán)。冷凍水在末端設(shè)備完成熱交換后回到集水器，再回流到蒸發(fā)器完成冷凍水1個循環(huán)。在末端風(fēng)機盤管內(nèi)，空氣與冷凍水管熱交換降溫后，供給各樓層。

冷凍水的流量反應(yīng)用戶側(cè)負荷需求，流量與轉(zhuǎn)速成正比。因此，冷凍泵的轉(zhuǎn)速要隨著負荷的變化不斷調(diào)整，水泵改變轉(zhuǎn)速來調(diào)整管道流量是最佳流量調(diào)整方式，而改變水泵轉(zhuǎn)速最節(jié)能的方式是水泵電動機的變頻調(diào)速。冷凍水一次泵的變頻調(diào)速常規(guī)有溫差控制和壓差控制2種。溫差控制適用于房間小、功能單一的場所；大多數(shù)場所采用供水管和回水管之間的壓差信號進行變頻調(diào)速控制[9]。

根據(jù)冷凍水供水和回水的溫度、流量、壓差等參數(shù)，通過動態(tài)水力平衡控制模型，調(diào)整支路流量，使冷量和冷凍水流量同時實現(xiàn)平衡。并推測出系統(tǒng)下一時段冷量需求，提前進行供水流量調(diào)節(jié)，使空調(diào)系統(tǒng)的冷量供需達到新的平衡。

2.4 冷卻水泵和冷卻水塔的節(jié)能分析

制冷劑從氣體凝結(jié)為液體時釋放的熱量由冷卻水帶出，冷卻水雖不直接參與室內(nèi)熱交換，但保證了制冷劑的循環(huán)。冷凝器出來的熱水經(jīng)冷卻泵抽出，由冷卻水管道輸送到冷卻水塔，在冷卻水塔內(nèi)釋放熱量降溫后回到冷凝器。

冷卻水循環(huán)的能耗包括冷卻水水泵電動機的能耗和冷卻塔風(fēng)機電動機的能耗。調(diào)節(jié)冷卻水的流量以及進出水的溫差可滿足主機的冷凝要求，降低冷卻水進水溫度能減少冷卻泵和冷水主機的能耗。

冷卻水高溫回水的散熱在冷卻塔完成，大型冷卻塔為提高降溫效果大多采用機械通風(fēng)濕式冷卻塔，高溫冷卻水從塔頂撒播到填料層，冷卻塔風(fēng)機把低溫空氣從塔底抽向塔頂，水與空氣的熱交換以及水的蒸發(fā)都使冷卻水降溫。冷卻水的進水溫度、流量、冷卻塔的風(fēng)量以及空氣的濕球溫度等都會影響冷卻塔的降溫效果。

冷卻水溫度高低影響空調(diào)水冷機組的能耗。冷卻水溫度越低，水冷主機效率越高。但要使冷卻水出水溫度進一步降低，冷卻水泵與冷卻塔都會增加能耗。所以冷卻水溫度與主機能耗正相關(guān)，與冷卻塔風(fēng)機和冷卻水水泵能耗負相關(guān)。冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制，就是根據(jù)負荷動態(tài)精準調(diào)整冷卻水泵的工作頻率，同時把冷卻塔的冷卻能力最大化，把冷卻水回水溫度盡可能降低，從而降低主機能耗。

2.5 水冷空調(diào)的運行策略

中央空調(diào)系統(tǒng)的運行應(yīng)采用集中控制平臺，避免手動模式運行帶來的不確定性。

（1）主機應(yīng)根據(jù)末端回水溫度，確定主機開機負荷。根據(jù)負荷情況，確定主機開機臺數(shù)。通過合理壓差控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的水力平衡，保證回水溫度的穩(wěn)定。通過采集分水器和集水器上各支路水溫、壓力、溫差、壓差等信號計算出各支路的負荷需求，實時調(diào)整各支路的調(diào)節(jié)閥，使各分區(qū)的流量需求與負荷需求匹配，保證了各區(qū)域中央空調(diào)運行效果。

（2）冷凍泵開啟多臺水泵聯(lián)合變頻，電機運行頻率25~40 Hz，水泵變流量運行。每路供回水均獨立控制，通過控制合理的壓差，保證冷凍水末端設(shè)備。根據(jù)負荷情況決定開啟水泵臺數(shù)，根據(jù)主機和末端的循環(huán)量需求調(diào)整冷凍水循環(huán)，使其揚程和流量達在最佳匹配參數(shù)范圍內(nèi)運行。

（3）冷卻泵開啟多臺水泵聯(lián)合變頻，電機運行頻率25~40 Hz，水泵變流量運行。通過控制水泵頻率控制合理的壓差，保證冷卻水可以送到塔盤，且沒有壓頭損失。實時跟蹤機組負荷變化和冷凝溫度，根據(jù)冷卻塔的冷卻效果調(diào)整冷卻水循環(huán)，使其揚程和流量在最佳匹配參數(shù)范圍內(nèi)運行。

（4）冷卻塔所有風(fēng)機按同一個頻率變頻運行，運行頻率在25~40 Hz區(qū)間。常年開啟全部冷卻塔風(fēng)機，利用多臺塔的散熱面積提高冷卻效果。風(fēng)機在近濕球溫度運行，讓冷卻塔出水溫度逼近環(huán)境濕球溫度。通過布水優(yōu)化，讓所有填料上都形成水膜，提高散熱效率。根據(jù)環(huán)境溫濕度、進出水溫度尋找冷卻塔的最佳運行工況。

3 河南信陽信合萬達廣場應(yīng)用案例

3.1 項目概況

河南信陽信合萬達廣場，總占地426畝，總建筑面積100萬m2，其中商業(yè)綜合體面積約30萬m2，空調(diào)面積約20萬m2。采用水冷中央空調(diào)系統(tǒng)對整棟建筑進行集中供冷。水冷中央空調(diào)系統(tǒng)的基本配置見表1。

表1 信陽信合萬達廣場空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備配置

3.2 節(jié)能措施

（1）超高效系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化。根據(jù)業(yè)態(tài)需求計算末端負荷，通過調(diào)整使用面積或增大末端風(fēng)機柜制冷量來提高冷負荷，達到冷量需求。取消二次泵，異程改同程，取消平衡閥。通過BIM深化設(shè)計，調(diào)整水平干管走向，減少彎頭，降低管阻。冷卻塔并聯(lián)，取消電動開關(guān)閥，安裝塔間均水裝置，保證塔的布水均勻。

（2）模塊化控制技術(shù)應(yīng)用。采用中央空調(diào)集中能效控制平臺，集成了供電系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和冷卻塔系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)全自動運行，遠程智能控制。

（3）末端負荷動態(tài)控制。實時監(jiān)控末端負荷狀態(tài)，根據(jù)末端負荷，調(diào)整冷凍水流量，保證主機和末端系統(tǒng)的能量平衡和流量平衡。

3.3 運行策略

根據(jù)末端需求開啟主機臺數(shù)，優(yōu)先開啟變頻離心機，主機定流量，冷卻塔和末端變流量。根據(jù)需求設(shè)出水溫度，根據(jù)溫度調(diào)節(jié)各支管路的流量，以動態(tài)水力平衡控制和雙變流量控制技術(shù)，保證末端不同區(qū)域的空調(diào)效果，提高系統(tǒng)的運行效率。

3.4 節(jié)能效果

河南信陽信合萬達廣場項目2021年投入運行，該項目經(jīng)歷了1 a運行，總體情況較好。全年制冷機房輸出總制冷量1 523.5萬kW·h，制冷機房設(shè)備總電耗275.5萬kW·h，年制冷機房COP在5.0以上。

4 結(jié)論

在“雙碳戰(zhàn)略”的大背景下，中央水冷空調(diào)系統(tǒng)的高能效運行迫在眉睫。除了思想上重視、管理上改善之外，要在以下方面開展工作。

（1）明確責(zé)任主體，出臺能效標(biāo)準，加強運維管理的力度。

（2）根據(jù)業(yè)態(tài)需求，校正末端負荷；根據(jù)水力平衡，確定同程、異程。

（3）通過BIM深化設(shè)計，優(yōu)化管路布局，減少彎頭，減少管阻。

（4）優(yōu)化中央空調(diào)系統(tǒng)的控制模式及運行策略。

（5）加強水質(zhì)維護，管道及設(shè)備除垢，降低系統(tǒng)阻力。