于振坤，任立娥

（1.山東新力拓節(jié)能服務(wù)科技有限公司，山東青島266109；2.樂(lè)金空調(diào)（山東）有限公司，山東青島266109）

冷水機(jī)組冷卻側(cè)的節(jié)能控制

于振坤1，任立娥2

（1.山東新力拓節(jié)能服務(wù)科技有限公司，山東青島266109；2.樂(lè)金空調(diào)（山東）有限公司，山東青島266109）

主要介紹了中央空調(diào)的冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)機(jī)的幾種節(jié)能控制方式及具體控制方法，結(jié)合項(xiàng)目情況選擇合適的控制方式可達(dá)到最佳節(jié)能效果。

冷卻水泵；冷卻塔風(fēng)扇；變頻；節(jié)能

0 引言

中央空調(diào)系統(tǒng)一般根據(jù)系統(tǒng)全年運(yùn)行的最大負(fù)荷為參考依據(jù)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，而中央空調(diào)的實(shí)際負(fù)荷與季節(jié)、氣溫、人員變化、設(shè)備負(fù)荷率等很多因素有關(guān)，在一年中大部分的實(shí)際負(fù)荷在70%以下，滿載運(yùn)行的時(shí)間甚至只有幾天。常見(jiàn)的中央空調(diào)系統(tǒng)中冷水機(jī)組的負(fù)荷率可以根據(jù)負(fù)荷變化自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但與之配套的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等附屬設(shè)備都不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，幾乎長(zhǎng)期都在100%的負(fù)荷下運(yùn)行，這就造成了很大的能源浪費(fèi)。

近些年來(lái)隨著變頻技術(shù)的日益成熟，通過(guò)計(jì)算用戶側(cè)冷凍水水溫、流量等參數(shù)對(duì)冷凍水泵進(jìn)行變頻控制，冷凍水側(cè)的能源浪費(fèi)情況有了很大的改觀。但冷卻水系統(tǒng)由于與冷水機(jī)組冷凝器的運(yùn)行狀態(tài)關(guān)聯(lián)密切，大多僅能通過(guò)冷水機(jī)組自身的控制器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的聯(lián)動(dòng)控制，導(dǎo)致系統(tǒng)冷卻側(cè)的負(fù)荷不能跟隨系統(tǒng)的負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成能源的浪費(fèi)。本文就該問(wèn)題提出具體節(jié)能解決方案，以供參考。

1 常見(jiàn)冷卻水系統(tǒng)組成

常見(jiàn)的冷卻水系統(tǒng)一般采用如圖1、圖2所示的連接方式。冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)，冷卻水將冷凝器的熱量輸送到冷卻塔去散熱，再返回冷凝器進(jìn)行熱交換。整個(gè)冷卻水系統(tǒng)由配套的冷卻水泵來(lái)提供循環(huán)流量，從而保證冷水機(jī)組的正常高效運(yùn)行[1]。

2 常見(jiàn)冷卻水系統(tǒng)的控制方式

空調(diào)系統(tǒng)中，冷水機(jī)組處于低負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，為保證機(jī)組的正常運(yùn)行需要對(duì)冷卻水溫度進(jìn)行調(diào)整，通常采用冷卻水泵定/變頻控制，結(jié)合冷卻塔風(fēng)扇臺(tái)數(shù)控制或變頻控制的方法進(jìn)行控制。

2.1 冷卻水泵定頻控制，冷卻塔風(fēng)扇啟停臺(tái)數(shù)控制

通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)組冷卻水入口溫度，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，采用步進(jìn)控制的方法來(lái)控制運(yùn)行的冷卻風(fēng)扇的臺(tái)數(shù)，使冷卻水入口溫度接近設(shè)定值，具體控制方法如圖3所示（四臺(tái)風(fēng)扇為例）。

2.2 冷卻水泵定頻控制，冷卻塔風(fēng)扇變頻控制

冷卻塔風(fēng)機(jī)安裝合適規(guī)格的變頻器，實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)組冷卻水入口溫度，并與設(shè)定的冷卻水入口溫度值進(jìn)行比較，通過(guò)PID控制實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變頻器頻率來(lái)調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使機(jī)組冷卻水入口溫度實(shí)測(cè)值趨近于設(shè)定值[2]。

當(dāng)機(jī)組冷卻水入水實(shí)測(cè)溫度高于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)變頻器提高冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增大冷卻塔換熱量，直到實(shí)測(cè)溫度降至設(shè)定值；當(dāng)機(jī)組冷卻水入水實(shí)測(cè)溫度低于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)變頻器降低冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減小冷卻塔換熱量，直到實(shí)測(cè)溫度回升到設(shè)定值[3]。

2.3 冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)扇變頻控制

2.3.1 冷卻水泵的變頻控制

冷卻水泵的變頻控制，首先要確定冷卻水泵的最小工作頻率。要保證水泵在最小頻率運(yùn)行時(shí)能夠滿足冷卻水系統(tǒng)的管損設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還要滿足制冷機(jī)組對(duì)冷凝器冷卻水最小流量的限制要求。

如果冷卻水進(jìn)出水溫差比設(shè)計(jì)的冷

凝器換熱溫差大，說(shuō)明冷水機(jī)組的實(shí)際負(fù)荷在變大，壓縮機(jī)的電流也在變大，機(jī)組需要更多的冷卻水量來(lái)帶走冷水側(cè)熱交換來(lái)的熱量，此時(shí)可通過(guò)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速來(lái)加大冷卻水的循環(huán)流量；如果溫差在減小，說(shuō)明冷水機(jī)組的實(shí)際負(fù)荷在變小，壓縮機(jī)的電流也同時(shí)在變小，此時(shí)可以降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速來(lái)減小冷卻水的流量，既能保證機(jī)組的高效穩(wěn)定運(yùn)行，又減小了冷卻水泵自身的能量消耗。因此，冷卻水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可以根據(jù)冷卻水的進(jìn)出水的溫差或壓縮機(jī)電流反應(yīng)的實(shí)際負(fù)載率來(lái)控制。

（1）冷卻水進(jìn)出水溫差控制法

設(shè)定變頻器最小頻率，設(shè)定冷卻水進(jìn)出水溫差值，設(shè)定冷卻水出書(shū)溫度值。實(shí)時(shí)檢測(cè)冷卻水進(jìn)、水溫度及溫差，在冷卻水出水溫度低于設(shè)定值時(shí)，按冷卻水進(jìn)、出水溫差控制冷卻泵頻率，即當(dāng)冷卻水進(jìn)出水溫差高于設(shè)定值時(shí)，PID控制變頻器頻率自動(dòng)增加；當(dāng)冷卻水進(jìn)出水溫差低于設(shè)定值時(shí)，PID控制變頻器頻率自動(dòng)減小。若冷卻水出水溫度高于設(shè)定值，則優(yōu)先控制頻率自動(dòng)增加。

（2）機(jī)組負(fù)載率跟隨控制法

冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)電流的大小直接反應(yīng)了系統(tǒng)負(fù)荷的大小，同時(shí)反應(yīng)的也是冷卻水需要帶走的熱量的多少。因此可以根據(jù)壓縮機(jī)的負(fù)荷情況來(lái)調(diào)整冷卻水的流量，使其能夠相互匹配并達(dá)到節(jié)能的目的。鎖定冷卻水泵運(yùn)行的下限頻率，取機(jī)組壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流占額定運(yùn)行電流的比值為機(jī)組負(fù)載率，并結(jié)合冷卻水出水溫度信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)冷卻水泵的頻率。

1）當(dāng)機(jī)組負(fù)載率低于40%（可設(shè)定）時(shí)，冷卻水泵以最小流量運(yùn)行；

2）當(dāng)機(jī)組負(fù)載率在40%～60%（可設(shè)定）之間時(shí)，冷卻水泵在額定流量的60%～80%（可設(shè)定）之間運(yùn)行；

3）當(dāng)機(jī)組負(fù)載率在60%～80%（可設(shè)定）之間時(shí)，冷卻水泵在額定流量的80%～100%（可設(shè)定）之間運(yùn)行；

4）當(dāng)機(jī)組負(fù)載率高于80%（可設(shè)定）時(shí)，冷卻水泵以額定流量運(yùn)行；

通過(guò)實(shí)際流量與目標(biāo)流量的比較，PID控制冷卻水泵的頻率。

同時(shí)當(dāng)冷卻水出水溫度高于設(shè)定值時(shí)，頻率優(yōu)先無(wú)極上調(diào)，當(dāng)冷卻水出水溫度低于設(shè)定值時(shí)，則按負(fù)載率變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。

綜上所述，雖然目前溫差控制法是當(dāng)前行業(yè)中應(yīng)用比較多的控制方法，但溫度信號(hào)在傳遞過(guò)程中通常存在一定的遲滯，所以通過(guò)機(jī)組負(fù)載率調(diào)節(jié)冷卻水泵頻率可以比前者更及時(shí)也更節(jié)能。

2.3.2 冷卻塔風(fēng)機(jī)的變頻控制

冷卻塔的基本原理是利用水在和空氣接觸過(guò)程中的蒸發(fā)作用將水中來(lái)自冷凝器的熱量交換出去。在熱量交換的過(guò)程中，除了因水溫度和空氣干球溫度的差值而進(jìn)行的顯熱交換過(guò)程外，還包括水分子向不飽和空氣中蒸發(fā)而進(jìn)行的潛熱交換。一旦空氣的相對(duì)濕度過(guò)大，空氣由不飽和狀態(tài)達(dá)到飽和狀態(tài)，水分子的蒸發(fā)就會(huì)處于一種動(dòng)平衡狀態(tài)，潛熱交換就會(huì)終止，水溫的下降就會(huì)越困難。因此空氣濕球溫度的高低決定了冷卻塔的散熱能力，即空氣濕球溫度比冷卻塔的出水溫度低的越多，冷卻塔的冷卻效果就會(huì)越好，反之越差。

因此，冷卻塔風(fēng)機(jī)的變頻控制除了2.2節(jié)提到的根據(jù)機(jī)組冷卻水入水溫度進(jìn)行控制的方法外（只考慮顯熱交換），為了進(jìn)一步提高冷卻塔的冷卻效率，可以以冷卻塔出水溫度與環(huán)境濕球溫度的差值做為控制對(duì)象，通過(guò)PID控制方式（將變頻范圍進(jìn)行控制，限制調(diào)節(jié)變頻步幅，增加退出/進(jìn)入變頻調(diào)節(jié)限制邏輯）實(shí)現(xiàn)冷卻塔風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)節(jié)，在可靠性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能要求。

通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)并計(jì)算室外環(huán)境濕球溫度和機(jī)組冷卻水入水溫度（接近冷卻塔出水溫度）的差值，以冷卻塔的設(shè)計(jì)接近溫度τ=（機(jī)組冷卻水入水溫度-環(huán)境濕球溫度）為其控制目標(biāo)，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。結(jié)合冷卻塔的實(shí)際換熱效果，可將風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍設(shè)為70%～100%，風(fēng)扇變頻器固化頻率上限為50Hz，下限為30Hz。

2.4 冷卻水旁通控制

在機(jī)組仍需要運(yùn)行制冷工況，但環(huán)境溫度已經(jīng)很低的情況下，即使冷卻塔不開(kāi)，冷卻水溫可能還會(huì)低于20℃，這種情況下如果冷卻水泵為變頻控制，可降低冷卻泵頻率來(lái)減少冷卻水流量，來(lái)使機(jī)組冷凝器冷凝壓力不會(huì)過(guò)低；但如果冷卻水泵為非變頻泵或變頻泵已降至最低頻率，但冷卻水溫仍然過(guò)低的情況下就需要開(kāi)啟冷卻水旁通閥，使部分冷卻水直接從冷凝器出水口回流至冷凝器入水口，而不經(jīng)過(guò)冷卻塔，來(lái)保證冷凝溫度的穩(wěn)定。

通?？梢砸詸C(jī)組冷卻水入水溫度做為控制對(duì)象，通過(guò)PID控制方式調(diào)節(jié)旁通開(kāi)度，來(lái)調(diào)節(jié)冷卻水的溫度，保證機(jī)組在冬季或過(guò)渡季節(jié)的正常運(yùn)行。

3 工程實(shí)踐

青島某金融中心寫(xiě)字樓，建筑面積約4.2萬(wàn)m2，原系統(tǒng)采用冷卻水泵定頻及冷卻塔風(fēng)機(jī)啟?？刂疲w能效較差，制冷成本及每年的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用均很高。該項(xiàng)目于2015年進(jìn)行了改造，配套的冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)扇等設(shè)備改為變頻控制。

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)采用2臺(tái)45kW變頻水泵（1用1備），水泵的運(yùn)行頻率范圍對(duì)應(yīng)機(jī)組實(shí)際負(fù)荷率范圍，并根據(jù)主機(jī)能量位確定目標(biāo)流量，對(duì)冷卻水泵的頻率進(jìn)行PID調(diào)節(jié)；冷卻塔采用了2臺(tái)30kW閉式冷卻塔，冷卻塔臺(tái)數(shù)的控制受主機(jī)機(jī)頭運(yùn)行數(shù)量影響，而冷卻塔風(fēng)機(jī)的頻率則根據(jù)環(huán)境濕球溫度與冷卻塔出水溫度的差值和設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。并實(shí)時(shí)結(jié)合環(huán)境濕度和冷卻水入口溫度對(duì)目標(biāo)值進(jìn)行修正，確保冷卻塔風(fēng)機(jī)高效節(jié)能運(yùn)行。

該項(xiàng)目通過(guò)2015年整個(gè)制冷季的運(yùn)行，充分驗(yàn)證了整套控制方案的穩(wěn)定性和可靠性，改造后每年可節(jié)省80余萬(wàn)元制冷運(yùn)行費(fèi)用，其節(jié)能效果非常明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)合冷水機(jī)組的使用情況，通過(guò)冷卻水泵及冷卻塔的變頻控制，可使冷水機(jī)組冷卻側(cè)有明顯的節(jié)能效果。

（2）冷水機(jī)組冷卻側(cè)的節(jié)能控制方法有多種，需結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況選擇合適的控制方案并通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試、分析、調(diào)整才能達(dá)到最好的節(jié)能效果。

[1]梁春生，智勇.中央空調(diào)變流控制節(jié)能技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]徐尚志.基于PLC控制的空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵的變頻節(jié)能研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.

[3]蘇丹，變頻器在中央空調(diào)循環(huán)水冷卻塔中的節(jié)能應(yīng)用方案[J].經(jīng)營(yíng)管理者，2013，（28）:382-382.

Energy Saving Control for the Cooling Side of Chillers

YU Zhen-kun1，REN Li-e2

（1.Xinlituo Energy-saving(Shandong)Co.,Ltd,Qingdao 266109，China；2.LG Air-conditioning(Shandong)Co.,Ltd,Qingdao 266109，China）

This paper mainly introduces several energy-saving control mode and the specific control method of the cooling water pump and cooling tower fan,combined with the project situation to choose the appropriate control mode can achieve the best energy saving effect.

cooling water pump；cooling tower fans；variable frequency；energy saving

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.020

TU831

B

2095-3429（2016）04-0083-03

2016-04-11

修回日期：2016-06-20

于振坤（1982-），男，山東青島人，學(xué)士，助理工程師，主要從事中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。