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公共建筑中央空调变水量与变水温节能控制方法研究

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供稿:中国工控网 2016/3/30 14:25:33

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  建筑能耗占我国全社会总能耗的1/3左右,其中空调供冷及供热系统所消耗的能耗占整个建筑能耗的40-54%。近些年空调负荷增长迅速,使得许多地区用电高度紧张。由此可见,空调所消耗的能源是相当大的,应是建筑节能考虑的重要方向。而且空调用电能耗正在呈上升趋势发展,空调系统的节能已成为全社会的研究热点问题。

  目前我国对空调系统尤其是冷热源水系统的节能控制大多采用水泵变频和变供水温度等控制,但基本采用单一参数控制,水泵变频只根据压差或温度进行控制,供水温度也只是根据末端负荷情况进行调节,很少综合考虑水泵变频、供水温度、冷机效率在不同气象条件和不同负荷情况下的综合能耗最优化控制。同时,由于目前存在大量运行时间在5年以上的空调系统,这部分空调系统大都存在运行效率低、能源消耗量大的问题,需要添加优化控制策略。

  1 变水量控制

  1.1 变水量控制原理

  使用变水量节能控制是要使冷冻水所载的冷量及冷却水所带走的热量与不断变化的末端负荷相匹配,从而能够节约水输送环路水泵的运行费用。随着温度和湿度以及其他环境因素的变化,空调系统的负荷也是在发生变化的,所需的水量也在随着负荷的变化而变化。根据之前对空调系统运行情况的统计数据可得,冷水机组绝大多数都在低负荷的情况下运行并且存在严重的大流量小温差现象。这种大流量小温差的现象便是由水泵的频率与负荷的变化不匹配所造成的,存在严重的能源浪费情况。所以对水泵进行节能控制是具有很大的节能空间的。在运行变水量节能控制时,要保证各设备在大范围内变流量运行同时保证出水温度在允许的范围内正常运行(离心式变流量冷水机组25%-125%,螺杆式变流量冷水机组40%-125%)。为保证水泵的散热要求,水泵转速不能低于正常标准值的30%,低于30%后变频器效率下降,水泵效率也减小,低转速带来的能源节省已被更低的水电效率所带来的能耗所抵消,因此水泵转速不能一味下调。在进行变水量控制的过程中,若单纯的只是根据供回水温差连续控制水泵频率可能会引起系统大的波动,无法保证末端对环境温湿度的要求。

  1.2 变水量控制策略

  本文研究的变水量控制策略是指改变冷冻水的流量,采用冷冻水泵变频、冷却水泵定频的控制策略。在满足末端负荷和安全的前提下,根据末端负荷的变化改变冷冻水泵的频率来减少冷冻水泵的耗能量,主要是根据末端温差和末端空调机组水阀的开度来控制水泵的频率。在对水泵进行节能控制的研究中常用的控制策略可分为两种,一是通过末端压差来控制水泵的频率,二是通过末端温差来控制水泵的频率。对本研究的应用环境而言采用通过末端压差来控制水泵的频率难度比较大,因为若采用压差控制水泵频率需要对理论上估计出的所有最不利末端位置进行压差测试,并且为保证早晚负荷变化较大时能正确反映最不利末端的情况应在多处设置压差传感器进行比较,较难实现,所以研究过程中采用的是通过温差控制来实现水泵的变频。若只是根据末端温差来控制水泵的频率会使水泵频率波动较大、温湿度不容易稳定在一定范围之内,所以在控制条件中加上了末端空调机组的水阀开度,这样通过末端空调机组水阀开度和末端温差来控制水泵的频率,可以起到很好的控制效果和节能效果。所以本研究中采用的是末端温差和末端重要空调机组水阀开度共同调节水泵频率。

  变水量控制策略步骤为:

  (1)上位机判断冷冻水的供回水温差,若温差大于5℃,则直接将冷冻泵的频率增加一个步长,步长定为2Hz。

  (2)若冷冻水的温差不大于5℃,则继续判断末端房间的实际温度,若满足温度高于设定值0.2并且水阀开度达到100%的台数大于1,则将冷冻泵频率增加一个步长,否则减少一个步长。

  (3)将修改后的水泵频率与设定的水泵频率上下限进行比较,若在水泵频率规定范围之内则将修改后的值作为冷冻水泵的频率,若修改后的值小于设定范围的下限则将下限值作为冷冻水泵的频率,若修改后的值大于设定范围的上限则将上限值作为冷冻水泵的频率。

  2 变水温控制策略

  2.1 变水温控制的原理

  冷水机组性能指数(COP)是指冷水机组在额定工况下的制冷量与输入功率之比。冷水机组最高的COP一般不出现在满负荷时,而是出现在部分负荷时。在满足工艺要求的基础上尽量提高冷机出水温度可达到节能的目的。但是为了满足末端机组对环境的要求,通常应设定冷机出水温度的上下限,这个限值可根据冷机长期运行的结果获得。

  2.2 变水温控制策略

  本文中所提出的变水温控制策略是指改变冷机的出水温度即改变冷冻水的出水温度。本研究中的变水温优化控制策略需要与变流量优化控制策略共同运行,是以冷冻泵的运行功率和冷机的运行功率之和最低为目的,在冷冻水泵的频率不断变化的基础上计算出一个最佳的冷机冷冻水出水温度。在满足末端负荷要求和保证安全的前提下,通过提高冷冻水的出水温度来提高冷机的COP,达到冷机节能的目的。变水温的控制策略步骤如下:

  (1)首先,在冷机开启的时候给冷机一个初始温度作为初始的冷机冷冻水出水温度,本研究中给出的初始温度为7℃。

  (2)其次,判断末端重要空调机组水阀开度,计算水阀开度到达100%的冷水机组的台数,若台数大于1,则将当前冷机的冷冻水出水温度设定值减少一个步长,跳到步骤(6),为了尽量保持室内温度和湿度的相对稳定,将一个步长设为0.2℃。

  (3)若末端重要机组水阀开度到达100%的台数不大于1,则继续判断开启的是哪台冷机。

  (4)根据该冷机的负荷率计算出此时冷机的部分负荷率,根据末端环境的湿度和温度计算出此时的湿球温度,根据部分负荷率和末端湿球温度计算出当前冷水机组的最佳出水温度。

  (5)将计算出来的最佳出水温度与当前出水温度设定值比较,若大于当前设定值则在当前设定值的基础上增加一个步长,若小于当前设定值则在当前设定值的基础上减少一个步长。

  (6)将修改后的值与设定的上下限值比较,若在变化范围内,则将修改后的值设定为冷机的冷冻水出水温度,若超出了设定范围,则将上限或下限设定为冷机的冷冻水出水温度。

  此循环可根据不同的设备和外界环境设定循环间隔时间。为了尽量减少冷冻水供水温度的波动,在每次对冷冻水出水温度进行赋值之前都加入了一个比较,如果计算出来的冷冻水最佳出水温度与当前冷机的冷冻水出水温度的差值小于一个步长,则此次不改变冷冻水的出水温度。

  针对不同的末端负荷和不同型号的冷水机组,设定温度的变化范围、循环计算的时间间隔以及温度变化的步长都有所不同,要在长时间的实验中取得理想的数据。

  3 结束语

  总之,随着经济飞速发展,能源的使用也越来越广,与此同时能源节约也受到了人们越来越多的重视。据统计建筑能耗约占到了社会总能耗的1/3,其中空调系统能耗约为建筑能耗的40%-54%。建筑节能成为我国今后节能工作的重点。


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新闻来源: 制冷快报

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