方徐根，楊 敏，梁利霞

（浙江建科節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 杭州310012）

隨著社會的不斷進步，建筑規(guī)模和綜合化隨之也不斷擴大，采用一、二級冷凍水循環(huán)泵的中央空調系統(tǒng)越來越廣泛被采用?！睹裼媒ㄖ┡L與空氣調節(jié)設計規(guī)范（GB 50736—2012）》第8.5.4條對二級泵系統(tǒng)的選用條件作出了規(guī)定：“系統(tǒng)作用半徑較大、設計水流阻力較高的大型工程，宜采用變流量二級泵系統(tǒng)。當各環(huán)路的設計水溫一致且設計水流阻力接近時，二級泵宜集中設置；當各環(huán)路的設計水流阻力相差較大或各系統(tǒng)水溫或溫差要求不同時，宜按區(qū)域或系統(tǒng)分別設置二級泵。”［1］傳統(tǒng)的一、二級泵控制模式為：一級泵采用定流量控制，確保冷水機組的額定流量；二級泵根據(jù)負荷側的需求采用變頻控制。究其原因：其一是一級泵變頻控制的可靠性存在很大的疑問，易引起冷水機組的保護停機；其二是如何選用被控參數(shù)，實現(xiàn)負荷側、二級泵的水量平衡以及一次環(huán)路與二次環(huán)路的水量平衡。針對以上存在的問題，筆者提出采用壓差控制方式來進行一、二級泵變流量控制，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，挖掘中央空調系統(tǒng)運行的最大節(jié)能潛力。

1 控制原理

一、二級泵空調系統(tǒng)的主要特點是將空調系統(tǒng)中常規(guī)的冷凍水循環(huán)泵分為兩級。一級泵負責克服冷水機組的阻力，一級泵與冷水機組一一對應；二級泵用來克服負荷側的阻力。一級泵、冷水機組、旁通管、供回水管路等構成一次環(huán)路。二級泵、負荷側設備、旁通管、供回水管路等構成二次環(huán)路。典型的一、二級泵空調系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 一、二級泵空調系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)通過旁通管將冷水系統(tǒng)分為冷凍水制備和冷凍水輸送兩個部分，形成一次環(huán)路和二次環(huán)路。旁通管將一次環(huán)路與二次環(huán)路連接在一起，使一次環(huán)路與二次環(huán)路既相互獨立，又相互聯(lián)系。由于負荷側的需求時刻在變化，很難實現(xiàn)一次環(huán)路流量與二次環(huán)路流量完全相匹配。當系統(tǒng)負荷降低，二級泵的流量減小，一級泵流量應相應減小，否則一次環(huán)路的壓力大于二次環(huán)路的壓力，造成一次環(huán)路的水流通過旁通管直接流向冷水機組，使得回水溫度降低，增加了空調系統(tǒng)的輸送能耗，降低了冷水機組的效率。當系統(tǒng)負荷增加，二級泵的流量增大，一級泵流量應相應增大，否則一次環(huán)路的壓力小于二次環(huán)路的壓力，造成二次環(huán)路的水流通過旁通管直接流向用戶端，使得用戶側供水溫度升高，降低了空調末端的效率，影響了空調的使用效果。通過分析，在保證負荷側、二級泵的水量平衡以及一次環(huán)路與二次環(huán)路的水量平衡的前提下實現(xiàn)節(jié)能，控制旁通管兩端壓力平衡成為了最終的控制目標。

由于水泵的流量與轉速的一次方成正比，而水泵的功率則與轉速的三次方成正比。如通過變頻調速使水泵的流量由額定值Q降至80%Q時，轉速將由額定值n降至80%n，此時泵的軸功率由額定值P降至51.2%P，理論上降低了48.8%P的能耗，節(jié)能效果顯著。

2 控制方案

由于空調系統(tǒng)的回水溫度有一定的滯后性，壓差控制具有反應靈敏，控制穩(wěn)定性高的特點，因此壓差控制得到了廣泛的應用和研究。一、二級泵空調系統(tǒng)壓差控制原理圖見圖2：二級泵壓差控制的測量點選擇P2、P3的壓力差跟蹤設定的壓力差進行二級泵的變頻控制。一級泵壓差控制的測量點選擇P1、P2的壓力差跟蹤設定的壓力差進行一級泵的變頻控制。

智能控制器根據(jù)監(jiān)測的壓差信號和實際控制要求，執(zhí)行PID智能控制算法［2］，計算出控制量后，將控制信號輸出給變頻器，變頻器實現(xiàn)一、二級水泵的調速，改變一、二次環(huán)路的水流壓力和流量，動態(tài)調節(jié)負荷側、二級泵的水量平衡以及一次環(huán)路與二次環(huán)路的水量平衡，并最終實現(xiàn)一、二次環(huán)路水流的自動調節(jié)控制。PID智能控制原理見圖2。

圖2 PID智能控制原理

PID智能算法：

式中：Kp為比例增益；

TI為積分時間常數(shù)；

TD為微分時間常數(shù)；

u（t）為控制量（控制器輸出）；

e（t）為被控量與給定量的偏差。

3 具體案例及控制效果

義烏市某醫(yī)院中央空調工程改造是中央公共建筑節(jié)能改造示范項目的主要組成部分，改造前一級冷凍泵與冷水機組一一對應，采用定流量運行，二級泵采用供回水溫差變頻控制。項目于2018年9月實行節(jié)能改造，實現(xiàn)一、二級泵壓差變頻控制。項目改造前后的空調系統(tǒng)配置見表1。

表1 改造前后的空調系統(tǒng)配置

控制系統(tǒng)的下位機采用西門子S7-200系列的PLC，控制器采用CPU226，擴展模塊采用EM223、EM232、EM235、CP243-1，上位機操作軟件采用西門子的WINCC軟件進行二次開發(fā)，系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式?？刂葡到y(tǒng)通過EM235模塊采集冷凍水系統(tǒng)的壓力信號進行A/D轉換后送入CPU226，與設定的控制值進行PID運算，通過EM232模塊輸出4～20 mA的模擬信號至變頻器，控制水泵的運行頻率，調節(jié)循環(huán)水的流量。截止目前，項目正常運行已超過1年，通過能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)測分析，改造后空調系統(tǒng)的一級泵能耗較改造前降低了約16.3%，運行與節(jié)能效果良好。

監(jiān)測控制主要功能為：

1）監(jiān)測系統(tǒng)供回水的溫度、壓力，水泵頻率，能耗監(jiān)測，旁通管的水流方向和流量等。

2）統(tǒng)計每臺主機和水泵的運行時間，根據(jù)系統(tǒng)負荷需求自動選擇主機、水泵的運行順序和臺數(shù)。

3）當水泵或變頻器故障時，控制系統(tǒng)自動將備用泵或備用變頻器投入并將故障水泵鎖定，同時向控制系統(tǒng)發(fā)出故障信息。

4）壓差、PID等參數(shù)的設定。

5）設置變頻調節(jié)的最低運行頻率（一般為30 Hz）。

6）自動判定系統(tǒng)的最不利環(huán)路，選擇最不利環(huán)路的壓力進行壓差控制。

4 結 語

1）采用壓差閉環(huán)自動控制方式，通過自動調節(jié)一、二級泵水流量的方法達到控制一、二次環(huán)路之間冷凍水流量與負荷變化之間的平衡，并通過工程實踐得以驗證。

2）在保證冷卻水、一級泵適當流量的情況下，不會造成制冷主機的損壞。

3）該控制方案簡單、造價低、控制精度良好，可廣泛應用于一、二級冷凍水循環(huán)泵的中央空調系統(tǒng)。

4）應滿足供水最不利環(huán)路的阻力需求，變頻水泵應設最低頻率限制。

5）一、二級泵壓差變頻控制，壓差的設定值應根據(jù)空調系統(tǒng)的實際情況合理設定，先調試二級泵的壓差變頻控制，后調試一級泵的壓差變頻控制。

筆者認為，這是一種簡單而行之有效的參數(shù)設定方法，特此提出與讀者共同探討。