魏漢光　李宇成

[摘要]在不同季節(jié)、不同天氣、不同時段下，空調冷凍機制冷負荷變化較大，普通定頻定流量系統(tǒng)，空調冷卻水系統(tǒng)大部分時間在大流量、小溫差狀態(tài)下運行，既不節(jié)能，也不利于空調冷凍機正常、安全運行。通過分析空調冷卻水系統(tǒng)特點和運行要求，將冷卻水系統(tǒng)與變頻器及測控設備有機結合，形成閉環(huán)變頻控制系統(tǒng)。當空調負荷變化或外界溫、濕度變化，造成冷卻水出水溫度變化時，通過調整冷卻泵運行頻率，達到降低綜合能耗，同時保證冷凍機安全、正常運行的目的。

[關鍵詞]空調冷卻水系統(tǒng) 變頻 控制 節(jié)能

中圖分類號：TP2文獻標識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0110016-02

近年來，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，中央空調系統(tǒng)已廣泛應用于賓館、飯店、寫字樓、商場、醫(yī)院、地鐵站、文化娛樂設施等各類民用建筑，空調能耗增長很快，空調耗電占大型公共建筑總耗電量的50%以上，空調冷凍泵、冷卻泵耗電約占建筑空調耗電的20%左右，但國內建筑物單位面積的耗電量約為國外同等規(guī)模同檔次建筑物耗電量的兩倍，節(jié)能潛力很大，分析、研究空調冷卻水泵變頻節(jié)能智能控制，不僅有利于保障空調冷凍機正常運行工況，而且可以大大降低空調水泵自身的運行能耗和整個系統(tǒng)的綜合能耗，降低建筑空調能源消耗和運營成本，對整個社會的節(jié)能和環(huán)保都具有非常重要的現(xiàn)實意義。

眾所周知，民用建筑物空調系統(tǒng)是按照天氣最熱、負荷最大季節(jié)、時段設計，并留有10%以上的余量，但季節(jié)不同、天氣不同、時段不同時，建筑空調需求差異很大，實際上每年絕大部分時間，空調都不需要在最大負荷狀態(tài)下運行，根據(jù)美國暖通制冷空調工程師協(xié)會（ASHRAE）給出的建筑物全年實際運行負荷的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建筑物在全年的80%的運行時間里，實際空調需求負荷低于設計負荷的75%。目前，空調冷凍機一般都可以按照冷凍水出水溫度設定，根據(jù)負荷變化自動加載或減載，空調冷凍水泵變頻調節(jié)也已廣泛應用，具有較為靈活的調節(jié)性能，但因涉及到空調冷凍機運行控制和冷凝器、蒸發(fā)器運行保護及冷卻塔運行要求，受以往技術和傳統(tǒng)設計觀念所限，冷凍機側的冷卻水泵變頻調節(jié)控制系統(tǒng)分析研究和應用較少，絕大部分仍采用傳統(tǒng)的定頻冷卻水泵，不能隨負荷和天氣變化相應調整運行工況，無論季節(jié)、天氣和負荷變化，都在工頻狀態(tài)下全速運行，能量的巨大浪費是顯而易見的，節(jié)能潛力很大，而且，當冷卻水溫較低時，還會影響冷凍機正常運行工況，給系統(tǒng)運行安全帶來隱患。

一、水泵調節(jié)的方法和性能

以往水泵常用的調節(jié)方法有調節(jié)進口閥門、調節(jié)出口閥門，后來又陸續(xù)發(fā)展到利用轉差率調節(jié)轉速、改變三相交流電頻率來調節(jié)轉速等，雖然都可以達到調節(jié)水泵流量的目的，但實際能耗情況差異很大，變頻調速方式最接近理想狀態(tài)，在不同工況流量調節(jié)中最節(jié)能，是目前比較理想的流量調節(jié)手段。眾所周知，改變泵的轉速，可使泵的性能曲線升高或降低，系統(tǒng)流量和揚程隨之變化，在一定范圍內，流量、揚程和能耗分別與水泵運行頻率的一次方、二次方、三次方近似成正比。

二、空調冷凍機對冷凍水、冷卻水變流量的要求

按照以往技術和設計慣例，為了冷凍機運行穩(wěn)定、安全，冷凍機側一次冷凍水、冷卻水保持定流量運行，進、出口水溫差控制在5～6℃，蒸發(fā)器和冷凝器管束內的水流速約2.0～2.8m/s。長期以來，冷凍機側一次冷凍水泵很少考慮變頻變流量設計和改造，冷卻泵變頻變流量的分析、研究和工程實例更少。作者查閱特靈、約克等著名冷凍機生產(chǎn)商資料，冷凍機蒸發(fā)器或冷凝器最小安全流量約為額定流量30～40%，空調冷凍機側一次冷凍泵和冷卻泵的變頻調節(jié)控制的最小頻率必須保證滿足最小安全流量和對應的最小壓差，否則，不起保護作用，甚至可能出現(xiàn)蒸發(fā)器局部冰凍、冷卻水上不了冷卻塔、冷凝溫度過高等事故。

三、空調冷卻水泵變頻調節(jié)分析

（一）空調冷卻水泵變頻節(jié)能可行性分析

對于空調冷卻泵變頻節(jié)能，目前在工程技術領域大致有兩種觀點：（1）冷卻泵變頻降低流量，會導致空調冷凍機能耗增加，沒有節(jié)能效果，甚至危及冷凍機運行安全；（2）空調冷卻泵變頻節(jié)能和冷凍水泵變頻控制方法和效果基本一樣。受第一種觀點的影響，空調冷卻泵變頻節(jié)能研究和應用很少，受第二種觀點影響，空調冷卻泵變頻節(jié)能成功的工程實例較少。

空調冷凍機冷凝器散熱量Qr=C*M*△T，Q與冷凍機運行負荷成正比，傳熱系數(shù)C接近是定值，M是冷卻水流量，與冷卻泵運行頻率f近似成正比，△T=T2-T1是進、出冷凝器冷卻水溫差。由此可以看出，提高冷卻水溫度和減小冷卻水流量會導致冷凝器散熱量減小，冷凝溫度升高，按常規(guī)設計條件（設計溫差5℃）估算，流量下降20%，冷卻水溫差也會增大約20%，即上升約1℃，冷卻水入口溫度T1基本不變的情況下，冷卻水出口溫度T2升高約1℃，從而導致冷凍機冷凝器冷凝溫度升高約1℃。

從理論上分析，對空調制冷循環(huán)來說，冷凝溫度升高，會增大制冷能耗，冷凝溫度升高1℃，制冷能耗增大約相當于冷凍機電機功率的1～2%。但從大多工程實例看，空調冷卻泵電機功率大致相當于冷凍機電機功率的8～12%，當冷凍機負荷較小或冷卻水溫度較低時，假如冷卻泵運行頻率從50Hz減小至40Hz，按理論計算，冷卻水流量減小約20%，冷卻泵消耗功率減小約40%以上，減少量相當于冷凍機電機功率額的3～4.8%，同時，冷凍機冷凝溫度約升高1℃，制冷能耗增大約1～2%，兩者相比，綜合能耗降低大約相當于冷凍機電機功率額的2%，節(jié)能效果依然比較顯著。

從空調冷凍機運行實踐分析，冷凍機運行需要保持冷凝壓力和蒸發(fā)壓力一定的壓差，例如，根據(jù)世界著名的空調冷凍機廠商特靈公司資料，R22制冷劑空調冷凍機冷凝壓力和蒸發(fā)壓力的最小差值宜保持在400kPa左右，這樣，在冷凍水出水溫度基本不變的情況下（一般設定為6～7℃），冷卻水溫度不宜過低，流量不宜過大，尤其是部分負荷情況下，壓差過小，會使回油困難，噪音和振動增大，甚至造成冷凍機報警和故障。隨著高檔公共建筑增多，尤其是智能化建筑增多，空調冷凍機運行時間明顯延長，半年甚至全年運行，各季節(jié)天氣情況和空調需求負荷變化很大，冷卻水溫度也經(jīng)常大大低于設計溫度，在這種背景下，空調冷卻泵變頻控制不僅可以節(jié)省能耗，而且是空調冷凍機安全正常運行的需要。

（二）空調冷卻水泵變頻調節(jié)控制參數(shù)選定

因為冷凝器散熱量Qr=C*M*△T，當冷凍機在某一負荷運行時，冷凝器散熱量Qr基本穩(wěn)定，調整冷卻泵運行頻率，冷卻水流量M近似與運行頻率f正比變化，進出冷凝器水溫差（△T=T2-T1）則近似與運行頻率f反比變化。

如果用冷卻水進出水溫差△T作為控制參數(shù)來控制冷卻泵運行頻率，則冷卻泵運行頻率主要與冷凍機運行負荷相關聯(lián)，春、秋、冬季節(jié)，如果冷凍機負荷較大時，雖然冷卻水進出水溫差△T比較大，但冷卻水整體溫度卻比較低，不僅不能有效利用冷卻水低溫時的節(jié)能潛力，而且冷卻水溫度較低時，還會使冷凍機運行工況差，甚至出現(xiàn)故障的情況。

冷卻水系統(tǒng)與冷凍水系統(tǒng)不同的是它的溫度不僅與冷凍機負荷相關，還與外界環(huán)境溫度、濕度和冷卻塔工況等相關，進入冷凍機冷凝器的冷卻水溫度T1（或冷卻塔出水溫度）主要取決于環(huán)境溫度、濕度和冷卻塔工況，受冷凍機運行狀況影響不大，出冷凍機冷凝器的冷卻水溫度T2（或冷卻塔進水溫度）則主要取決于冷凍機的運行負荷、冷凝器換熱工況和冷卻水流量、進口溫度等。所以可以采用出冷凍機冷凝器的冷卻水溫度T2（或冷卻塔進水溫度）作為控制參數(shù)調節(jié)冷卻水泵頻率，則可以較大限度地利用冷凍機低負荷和外界環(huán)境溫度、濕度較低時兩種情況下的節(jié)能潛力。

（三）工程實例和分析

北京某著名大廈數(shù)據(jù)中心服務器設備很多，空調供冷需求量大、時間長（全年供冷），所以，對制冷系統(tǒng)安全可靠和節(jié)能降耗要求很高，除了采用常規(guī)的控制和節(jié)能技術外，還特別考慮了冷卻水系統(tǒng)變頻節(jié)能技術應用。作者在接受這個項目后，通過分析、研究，最初確定按如下設定控制冷卻水泵運行頻率：

但在系統(tǒng)調試中發(fā)現(xiàn)，容易出現(xiàn)如下問題：

1．大部分冷凍機油冷卻器采用冷卻水冷卻，油冷卻器的發(fā)熱量隨冷凍機運行負荷變化不大，冷卻泵運行頻率和流量過小，會影響冷凍油冷卻，致使油溫過高，所以，冷卻泵的最小安全流量和頻率不能過小，具體數(shù)值應根據(jù)冷凍機技術資料和運行測試分析取得，本項目冷卻水泵最小安全頻率原設定30Hz過低，容易使冷凍機運行工況變差，油溫高、噪音大等，一般最小安全頻率宜設定在35Hz以上，不宜過??；

2．按照冷卻水出水溫度分段斷點階躍設定冷卻泵運行頻率，當冷卻水溫在不同范圍之間波動時，容易造成冷卻泵頻率變動頻繁，冷凍機和變頻器運行不穩(wěn)定，而且冷卻水溫度設定值較高，如50Hz運行頻率的設定范圍為T2≥37℃，也會使夏季冷凍機冷凝溫度長時間保持較高數(shù)值，對冷凍機安全、高效運行都不利。

經(jīng)過多次運行測試和分析，比較合理的方法是適當降低溫度設定范圍值，提高最小安全頻率設定值，在每個冷卻水出水溫度區(qū)間范圍內冷卻水泵運行頻率按照斜率平滑調節(jié)，不要采取分段斷點階躍調節(jié)，保證空調冷凍機安全高效運行和冷卻水泵頻率平穩(wěn)調節(jié)，如下表控制參數(shù)設定：

空調冷卻水系統(tǒng)控制邏輯原理關系如右圖：

夏季高溫、高濕度和冷凍機大負荷運行時，冷卻水經(jīng)過冷卻塔處理后進入冷凍機冷凝器的入水溫度T1較高，設定冷卻水出冷凍機冷凝器溫度T2≥32℃（大大低于設計溫度37℃）時，冷卻水泵在50Hz頻率下運轉，保證充足的冷卻水流量，加強高溫時冷凍機冷凝器傳熱效果，從而保證冷凍機運行安全、高效；當空調冷凍機運行負荷較低或春、秋、冬季低溫、低濕度情況下，經(jīng)過冷卻塔處理后進入冷凍機冷凝器的冷卻水溫度T1較低，出水T2也比較低，當冷卻水出水溫度24℃≤T2＜32℃時，冷卻水泵運行頻率在35～50Hz間平穩(wěn)調節(jié)，穩(wěn)定在某個頻率運行，在40Hz頻率運行時，冷卻水流量約流量的80%，冷卻水泵電耗約為工頻（50Hz）運行時的一半，最低安全頻率35Hz運行時，冷卻水流量約工頻流量的70% ，冷卻水泵電耗約為工頻運行時的34%，節(jié)能效果相當可觀，更為重要的是在低負荷、低冷卻水溫度情況下，冷凍機冷凝器、蒸發(fā)器壓差過小，回油困難，冷凍機運行噪音、振動較大，適當降低冷卻泵運行頻率和冷卻水流量，可以適當提高冷卻水出水溫度和冷凝溫度、冷凝壓力，有利于保持冷凍機正常運行狀態(tài)。

四、冷卻水泵變頻控制系統(tǒng)設置

（一）空調冷卻水系統(tǒng)控制原理

兩臺空調冷卻水泵（1用1備）共用1臺變頻器，配有變頻器和Y-△啟動轉換開關控制，夏季高溫時采用Y-△系統(tǒng)工頻供電；低負荷、低溫運行時，轉換到變頻器系統(tǒng)供電運行；變頻器或Y-△故障時，可啟動另一套系統(tǒng)供電，不影響冷卻泵運行，保證系統(tǒng)安全可靠性。兩臺冷卻泵定期輪換運行，24小時輪換一次。

冷凍機冷卻水進出口采用壓差傳感器，根據(jù)冷凍機額定流量、壓差和最小流量、壓差以及最小上冷卻塔揚程值，來設定最小安全保護壓差，當冷卻泵未啟動或流量過小時，冷卻水進出口壓差小于最小安全保護壓差值，冷凍機保護停機。

（二）冷卻水出冷卻塔溫度T1控制

當冷卻塔為單扇型，冷卻塔風扇應配變頻器控制，設定冷卻水出塔溫度T1（如20℃），來控制風扇變頻器頻率；當冷卻塔為多風扇型，可以設定冷卻水出塔溫度T1（如20℃），來控制風扇開啟臺數(shù)，保證出塔冷卻水溫度穩(wěn)定。

五、結論

上述工程項目2008年5月份投入運行，空調冷卻水系統(tǒng)變頻節(jié)能改造經(jīng)過今年春、夏、秋三季運行、測試，在保證空調冷凍機安全、正常運行的前提下，夏季空調冷卻泵大多在工頻狀態(tài)運行，春、秋季隨空調需求和外界溫、濕度情況自動調節(jié)運行頻率，尤其是進入九月底以來，外界環(huán)境溫、濕度變化較大，空調冷卻泵經(jīng)常在40Hz附近運行，電耗約為工頻（50Hz）運行時的一半，進入深秋和冬季運行，節(jié)能效果會更顯著。