中央空调系统变频节能改造控制技术的分析与实现

1 引言 随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域，在宾馆、酒店、写字楼、商场、住院部大楼、工业厂房的中央空调系统，其制冷压缩机组、冷媒循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制热负荷或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。在没有使用具备负载随动调节特性的控制系统中，无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，尽管有的系统采用了闸阀档板节流方式，但其能量的浪费仍是显而易见的。近年来由于电价的不断上涨，造成中央空调系统运行费用急剧上升，致使它在整个大厦营运电费成本中占据越来越大的比例，因此，电能费用的控制显然已经成为经营管理者所关注的问题所在。据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的60%以上，其中，中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20~40%，故节约低负荷时主压缩机系统和水泵、风机系统的电能消耗，具有极其重要的经济意义。所以，随着负荷变化而自动调节变化的变流量变频中央空调水泵、风机系统和自适应智能负荷调节的主压缩机系统应运而生，并逐渐显示其巨大的性能优越性和经济性，得到了广泛的推广与应用。采用变频调速技术不仅能提高系统自动化控制水平，使中央空调系统达到更加理想的工作状态，而且，更重要的是能给用户带来良好的投资回报。作者曾先后成功地完成了联合国工业发展组织全额投资的上海新亚制药厂中央空调机组冷却循环水系统、上海东方航空宾馆中央空调系统冷媒循环水和冷却循环水系统、上海市中医院住院部大楼中央空调系统冷却循环水和冷媒循环水系统等多项中央空调系统变频节能改造项目，并曾为众多用户进行中央空调系统节能改造做前期工况调研、可行性方案论证及系统规划设计。在业已实施的项目中，各项目的节电率均高达30%以上，有的系统节电率高达60%。下面就以具有典型结构特征的中央空调系统为例，来表述变频节能改造控制技术在中央空调系统中的节能指标预测方法与自动化控制过程实现方法，以期供用户在实施中央空调变频节能改造时作为对比参考。 2 中央空调系统的工作原理与一般组成结构 中央空调技术实际上是人工制冷技术的一种典型系统性应用，当前，人工制冷技术按其补偿过程的不同可主要分为蒸汽压缩式、吸收式、蒸汽喷射式、吸附式四种方法，其中，被广泛应用在中央空调系统的制冷方法主要有两种： （1）蒸汽压缩式制冷循环 通过对制冷剂的压缩、冷凝、节流、蒸发、吸收等过程来利用制冷剂的液相与气相之间的相变所产生的热交换实现制冷目的，如上海合众-开利空调设备公司的19XL（HCFC22制冷剂）或19XR（HFC134a制冷剂）系列封闭型离心式冷水机组、约克国际北亚有限公司的YK/YT系列离心式或YS/YCWS系列螺杆式冷水机组； （2）吸收式制冷循环 通过使用两种沸腾点差距较大的物质组成的二元溶液（也称工质对，其低沸腾点组份为制冷剂，高沸腾点组份为吸收剂），利用溶液在一定条件下能析出低沸点组份的蒸汽，而在另一条件下又能吸收低沸点组份的蒸汽这一特性由制冷机系统采用热能驱动，通过发生、冷凝、蒸发、吸收4个过程来完成制冷循环，如江苏双良空调设备有限公司的SLAA060AS/SLAA060AT溴化锂-水溶液吸收式制冷机组、重庆通用工业公司的KF140X—10 氨-水溶液吸收式制冷机组。 目前，在中央空调系统中的制冷压缩机以速度型的离心式压缩机和以容积型的螺杆式或活塞式压缩机的应用最为普遍。以蒸汽压缩式制冷循环为例，撇开其具体形式上的区分，中央空调的制冷系统其制冷循环过程如图1所示。 图1 制冷循环过程原理图 图1a中，制冷压缩机将来自蒸发器中的低温、低压的制冷剂气体(一般为3～6℃)压缩成高温、高压气体(一般为35～40℃)排入冷凝器中，这些高温、高压气体在冷凝器中通过与冷却循环水进行热交换（冷却循环水带走介质排放的热量）变为高温、高压液体(一般为25～32℃)流向节流膨胀阀，再通过膨胀阀的节流、降压来实现高温、高压液体向低温、低压液体状态转变，由于压力突然降低，有一部分制冷剂瞬间蒸发为气体，即用膨胀阀的节流作用来实现类绝热膨胀过程，低温、低压液体在蒸发器中通过与冷冻循环水的充分热交换（吸收冷冻循环水的热量）后达到蒸发汽化目的，此时制冷剂又回到低温、低压气体状态为制冷剂的再循环过程做准备。同时也应看到当压缩机抽取制冷剂气体的同时,也降低了蒸发器的压力,使蒸发器内其余的制冷剂在相当低的温度下大量蒸发汽化。在图1b中，A-B-C-D分别表示了无温差传热的逆卡诺循环的绝热压缩、等温压缩、绝热膨胀、等温膨胀四个理想过程，而实际上制冷压缩循环是如图1c所示的具有温差传热现象的逆卡诺循环，图中的阴影部分表示与环境介质（如冷却水、冷冻水等）进行热交换时所存在的温差效应现象。我们知道在三种热传递方式：传导、对流和辐射中，无论压缩机采用哪种形式的制冷循环技术，其所有冷热流体之间的热传递方式均主要是通过金属管壁与流体之间对流换热及壁的导热来完成传热过程的。根据换热量计算方程： Q=KAθm (1 ) 其中：Q为换热量（W），K为换热系数（W/m2.K），A为换热体面积（m2），θm为冷热流体间的相对流向密切相关的平均换热温差（℃）。由公式（1）可知，对于特定的中央空调系统而言，其中的参数K和A是固定的，我们在不改变其物理结构状态和特征的情况下，可通过有效地控制冷热流体间的换热温差来达到获取最大换热量的目的，即按需求变化供应环境介质量，而不是过分地满足，这也就是我们对系统进行变频控制的基本可行性依据条件之一。 随着人工制冷技术和机械加工技术的发展，目前，制冷压缩机技术得到了充分发展，大多数制冷压缩机生产厂家均不同程度地对压缩机控制采用了负荷随动的功率输出调节技术，如：上海合众-开利公司的19XR系列离心式冷水机组所采用的线性浮阀节流装置，使制冷量与负荷变化动态匹配适合极低系统负荷下运行工况，避免了不必要的热气旁通带来的能效比下降现象；甚至有的厂家还采用了变频调速控制技术，如：约克国际北亚的YT/YK系列离心式冷水机组所配置的自适应容量控制变频驱动装置（VSD），使非额定工况下机组能效比高达0.2kW/USRt，年节能可达30%以上。因此，本文将主要研究重点放在对中央空调系统的水系统与风系统的节能空间，以期进一步获得最大化的投入与产出比收益。 以蒸汽压缩式制冷循环机组为例，中央空调系统其组成结构一般主要由制冷主压缩机系统、冷媒（冷冻和冷热）循环水系统、冷却循环水系统、盘管风机系统、冷却塔风机系统等部分组成，其工艺流程组成结构图如图2所示。 图2 中央空调系统工艺结构流程图 其中，压缩机系统通常至少包括主压缩电机、蒸发器、冷凝器、节流阀四个基本部分和为提高运行的经济性、安全性而设立的油分离器、气液分离器、贮液器、中间冷却器和浮子调节阀等辅助设备装置。由于从控制角度看新风系统与中央空调系统的其他部分具有相对独立性，因此在图2未表示出新风系统的工艺流程结构。在图2中低温冷冻水被送到各楼层的盘管风机系统的盘管（冷或热交换器）中吸收盘管周围的空气热量，产生的低温空气由盘管风机吹送到各楼层冷/热送风母管中，再由各房间的风幕风机的调速实现各房间的控温目的。冷却循环水系统将常温水通过冷却水泵泵入冷凝器热交换盘管后，再将这已变热的冷却水送到冷却塔上，由冷却塔对其进行自然冷却或通过冷却塔风机对其进行喷淋逆流式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水变回常温，以便再循环使用。 在冬季需要制热时，中央空调系统仅需要通过冷热水泵（在夏季称为冷冻水泵）将常温水泵入蒸汽热交换器的盘管，通过与蒸汽的充分热交换后再将热水送到各楼层的风机盘管中，即可实现向用户提供供暖热风。热水泵向各个房间供给的热水总流量是根据安装热水供水总管于回水总管上的温度差来决定的。热交换器的PID温控器通过电动调节阀VA1来控制进入热交换器的蒸汽流量来实现对热交换器热水出水温度的恒定控制从而达到供热目的。 正确理解中央空调系统各个部分的作用与工艺流程结构，对于实现变频节能改造至关重要，从因果关系角度上看，冷媒循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统均是制冷压缩机系统的从动系统。当制冷主压缩机系统的实际需求负荷发生变化时，对冷媒循环水、冷却循环水的需求量和盘管风机的鼓风量及冷却塔的冷却风量也发生相应的变化，正因如此，我们才有实现节能改造目标的可能和必要的依据条件，才能从真正意义上实现动态的“按需分配”控制目标的可能。 3 中央空调系统的各部分节能调节原理 中央空调系统按负载类型可将其分为两大类: (1) 恒转矩负载 如螺杆式或离心式制冷主压缩机系统的压缩机负载，它不仅对轴输出转矩具有最小值限定的需求，而且其转速与功率的关系也近似表现为线形特征； (2)变转矩负载 如冷却循环水系统、冷媒循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的风机、水泵类负载，它们对轴转矩没有严格的需求，其轴功率与转速具有显著的立方关系特征。不同的负载类型具有不同的转矩、功率关系特性，应区别对待加以应用技术研究。 3.1 制冷压缩机的节能调节原理 压缩机本身是一套复杂的机电一体化系统设备，对于带导叶片组的定速运转状态下的离心式压缩机而言，其容量的调节是通过导叶执行电机带动导叶片组的角度变化来实现制冷剂流量变化而带来的制冷能力的变化，从而达到调节制冷量的目的，当导叶片组处于关闭变化时，压缩机吸入的制冷剂的量在减少，压缩机处于卸载过程状态，相反，当导叶片组处于开启过程变化时，则压缩机处于加载过程状态。导叶<