中央空调系统节能策略分析

中央空调系统作为建筑的重要组成部分，在给人们带来舒适建筑环境的同时，也消耗了大量的能量，对中央空调系统的节能优化是建筑节能优化的重点。基于此，笔者进行了相关介绍。
1、中央空调工作原理
中央空调系统是一个极其复杂的系统，主要由2部分组成，即水系统部分和空气处理系统部分。其中，制冷机组为中央空调系统的正常运行提供所需要的冷负荷，不仅将制造的冷量传递给冷冻水循环系统，且把工作过程中释放的热量传递给冷却水循环系统，是中央空调系统中最重要的组成部分。冷却水泵、冷冻水泵以及冷却塔为中央空调系统提供水循环，是进行热交换的载体。冷冻水将制冷机组制造的冷量带到风机盘管系统中与室内空气进行热交换，并将室内热量带回到制冷机组中；冷却水将制冷机组在工作和热交换中产生的大量废热排放到室外空气中，经过冷却塔降温后的冷却水又流回制冷机组的冷凝器中进行热交换，如此循环往复。
2、控制策略
不同的控制策略对中央空调系统总能耗的影响特别明显，由于中央空调的系统由冷水机组、冷冻水系统、冷却水系统、冷却塔风机系统组成，冷水机组的控制由其自身的控制策略直接控制，但其制冷效果会受中央空调系统中水系统控制的影响。某酒店主楼高18层，辅楼高4层，拥有178余间客房。酒店中央空调系统原控制策略采用冷冻水恒压控制，冷冻水回水压力作为反馈值，0.558MPa作为目标值；冷却水出水恒温控制，冷却水出水温度作为反馈值，目标值设为31℃；冷却塔风机工频控制。经过对系统运行状况的评估同时考虑现场条件，节能改造采用以下的控制方式：冷冻水恒温差控制，冷冻水进出水温差作为反馈值，5℃做目标值；冷却水恒温差控制，冷却水进出水温差作为反馈值，目标值为5℃；冷却塔风机采用回水温度作为反馈值同时室外湿球温度+冷幅作为目标值的控制。
3、系统搭建
根据优化的控制策略，进一步搭建起新的中央空调系统，其中，主要包括中央空调系统硬件和上位软件设计，从而实现整个系统的节能。整个中央空调系统由4个模块组成，即空调主机、冷冻水系统、冷却水系统和冷却塔系统。
空调主机模块包括1台水冷螺杆式冷水机组。1#机组名义制冷量为1050kW，制冷输入功率为197kW，COP为5.33.冷水机组主要由PLC来实现采集信号并且控制冷水机组的运行，监测制冷机的运行状况以配合其他设备的运行。冷冻水模块主要由2台冷冻水泵（1台常开、1台备用）、集水器、分水器、阀门组成；冷冻水泵额定功率为22kW，备用泵为30kW；冷冻水均采用变频控制，变频器是型号为ACS510 的ABB 变频器。冷冻水系统是连接制冷主机与空调房间的重要部分，带走空调末端的热量回送到冷水机组。
冷却水模块主要由2台冷冻水泵（1台常开、1台备用）、阀门组成；冷却水泵额定功率为37kW，备用的为45kW；冷却水均采用变频控制，变频器是型号为ACS510的ABB变频器。冷却水系统将机组的热量吸收并送到冷却塔降温，最后再回送到冷水机组。
冷却塔模块主要由2台风机组成，两台风机的额定功率分别为9kW和11kW，变频器采用的是型号为ACS510的ABB变频器。冷却塔系统主要实现对冷却水温度的调节。
在优化改造过程中，增加了中央控制柜、冷却塔变频控制柜、温度变送器、压力变送器、湿球温度传感器、电动执行器、电能表和工控机等。改造系统架构图如图1所示，工控机作为整个采集控制系统的核心处理器，末端的参数采集以及控制设备通过RS485转换器和工控机进行数据传输。
改造后冷冻水变频控制主要采用变频器恒温差控制，比之前的恒压控制更适合于负荷变化较大的中央空调系统。目标设定温差为5℃，通过调节变频器的转速来改变冷冻水的水量，使冷冻水变频器的转速随着空调系统负荷的变化而变化，最终使冷冻水进出水温差稳定在5℃左右，保证制冷量和系统的负荷相匹配，达到最佳的制冷效果和能耗。冷却水变频控制也类似于冷冻水的控制。

图1 酒店中央空调改造系统构架图
4、实验结果及分析
为了验证改进后的控制策略优于之前的原策略，让某酒店中央空调在原有的控制方式和新改造的控制方式下各运行1d，并采集系统各部分能耗。
为了让采集的数据具有对比性，选取的酒店的人员入住率几乎相同。除此之外，选取这2d的外界环境参数要尽量接近，从外界环境参数可以看出，外界的条件虽有差别，但是差别非常微小；外界气温相差0.07%，外界湿度相差13.43%，外界失球温度相差5.39%.通过不同控制策略下系统总能耗对比可以看出，现控制总能耗比原有的控制策略下的能耗小很多。原控制方式当天电能量2630.4kW·h，现控制方式系统总能耗为2 353 kW·h，比原控制方式系统1d多节约277.3 kW·h，总能耗节能率10.5%，空调系统运行1d各子系统的能耗对比如表1所示。

	冷水机组	冷冻水泵	冷却水泵	冷却塔	总系统
原控制	2089	286.4	113.3	126.4	2630.4
现控制	2025	141.9	87.6	83	2353.1
节能	64	144.5	25.7	43.4	277.3
节能率/（%）	3.06	50.5	22.7	34.3	10.5

表1不同控制方式下各子系统的日能耗（单位：kW·h）
由表1可知，现控制方式下比原控制方式下的能耗低，节能效果明显。其中，现场常用的机组额定功率为197 kW，对应的冷冻水泵为22kW，冷却水为37kw，冷却塔风机为9kW，可见，冷水机组功率占总额定功率的74.3%，在部分负荷下，理论上冷水机组的能耗节能空间是比较大的。但现场由于不可直接对空调主机进行控制，想要间接地影响制冷机的制冷效率，最重要的是改变冷冻水系统的流量大小。对于冷冻水系统而言，如果当前系统负荷减小，则要保证制冷量与系统负荷相匹配，必须减小冷冻水的流量。原冷冻水变频器控制策略是冷冻水回水恒压控制，这样保证了整个系统的水力平衡，不会导致系统因流量不足而出现空调主机故障，但相比于改造后的冷冻水进出水恒温差控制策略而言，节能效果较差。冷冻水吸收了空调末端房间里的热量，这些热量需要冷却水循环系统将其带到大气中去，当冷冻水系统的流量减小时，空调主机的制冷量下降，冷却水系统的需要带走的热量就会降低。此时，冷却水泵转速在可以满足整个系统稳定的条件下降低了，从而达到了节能的目的。
综上所述，中央空调系统在建筑工程中的应用越来越普遍，其能耗占建筑总能耗的50%以上。因此，相关技术人员要采取有效的节能控制策略，对中央空调的控制系统进行优化改造，从而降低中央空调系统的能耗。该中央空调系统采取上述控制策略进行节能优化后，取得了良好的成效，可供类似系统改造参考。