中央空调水系统恒温差变流量控制研究

中央空调水系统恒温差变流量控制研究

何升强

江苏联宏自动化系统工程有限公司江苏南京210046

摘要：中央空调是现代建筑的主要耗能设施，目前很多地铁车站的中央空调水系统为定流量控制模式，不随负荷变化而变化，造成了相当大的能源浪费，定流量控制方法已经不能满足绿色建筑的需求。随着科学技术的发展，变流量技术在中央空调得到了应用。通过分析地铁车站中央空调系统的结构和运行原理，结合变流量的工作原理，提出地铁站中央空调变流量控制方法并认证其高效性。

关键词：中央空调；恒温差变流量控制；绿色建筑

1技术背景

根据国家信息中心近日发布的《2013年中国传统中央空调升级改造分析报告》指出，随着城镇化的加速，城市节能改造与绿色建筑的实施，建筑节能减排都将成为重点，而建筑节能减排的重点则在中央空调。在地铁车站中中央空调通风系统占车站总能耗的40%左右，而中央空调水系统能耗占中央空调总能耗的20%左右，所以对地铁站中央空调节能控制研究对城市节能改造与绿色建筑的实施非常有意义。

中央控制水系统主要由冷水机组系统、冷冻水系统、冷却水系统和冷却塔系统组成，其中主机系统的作用为将冷却水中的冷量提起并传递至冷冻水中；而冷却水系统则将从冷水机组中获得的热量（即为系统提供冷量）传递至冷却塔中，冷却塔系统再将这些热量散发到室外控制中；冷冻水系统则是将从冷水机组系统中获得的冷量传输至建筑中的空调区域实现空气的调节。本文主要对冷冻水系统和冷却水系统这个两个能量输送系统的节能控制进行研究。

2地铁站中央空调负荷特性分析

地铁中央空调系统容量一般是按远期高峰负荷设计，导致中央空调系统实际运行过程中，大部分的时间空调实际负荷低于最大负荷，甚至小很多。

地铁站空调负荷主要分成两部分，一部分为大系统（展厅和站台区域）空调负荷，主要负荷构成为人员的散热散湿负荷、围护结构的散热散湿负荷、新风负荷、出入口空气渗透负荷、照明负荷和车站公共区域设备散热负荷；另一部分为小系统（车控室和地铁站其他设备间区域）负荷，主要包括散热散湿负荷、围护结构的散热散湿负荷、新风负荷、照明负荷和设备散热负荷；其中小系统负荷比较稳定，由于地铁站的客流动态变化较大，一天当中存在早、晚两个高峰，其余时段较少，造成大系统中人员散热散湿负荷变化变化很大且也存在早、晚两个高峰，其余时段较少的分布特性。

由于地铁站空调负荷的设计需求和空调负荷分布特性导致地铁站内空调实际负荷在大部分时间段远远低于设计负荷。

3冷冻水系统恒温差变流量节能分析

冷冻水系统与冷水机组蒸发器进行换热得到冷量，再输送至建筑中空气处理设备中，假设建筑实际冷负荷为Q，则也应是冷冻水系统的输冷量（忽略冷冻水沿程输送损耗）；

（1）其中：

C--水的比热容；

M--冷冻水的质量流量；

Th--冷冻水回水温度；

Tg--冷冻水供水温度；

由于M正比于水泵运行频率f，所以存在如下关系：

（2）其中：

K1：比例系数；

f：水泵运行频率；

又因为水泵功率与运行频率的三次方成正比，而冷冻水系统的功耗就为冷冻水泵的功耗所以有：

（3）其中：

K2：水泵功率与运行频率三次方之间的比例系数；

联立式（1）和式（2）可得：

（4）根据（1）和式（3），可知在满足建筑实际冷负荷Q的前题下，冷冻水供回水温差越大冷冻水系统能耗最低。则可以通过改变冷冻水系统的水流量来使系统在不同负荷下均保证冷冻水运行于大温差小流量的高效运行状态，即采用恒温差变流量的控制方法。假设地铁站的设计冷负荷为，冷冻水设计供回水温差为，则可知：

（5）其中：

--空调设计冷负荷；

--冷冻水系统的设计质量流量；

--冷冻水设计供回水温差；

若冷冻水采用定流量的控制方式，则冷冻水系统的消耗功率在任何负荷下均为：

（6）其中：

--冷冻水系统定流量控制时的功率；

若冷冻水系统采用恒温差变流量的控制方式，冷冻水供回水控制温差为设计温差，则冷冻水系统的消耗功率为：

（7）由式（6）和（7）可得出冷冻水系统恒温差控制方式比相对于定流量控制控制的节能率为：

（8）根据式（8）可知，恒温差变流量控制方法对于实际负荷远低于设计负荷的空调系统具有很强的节能性。特别适用于地铁站的中央空调系统，一般情况下，地铁站的空调实际负荷低于设计负荷70%的时间占空调季的80%以上时间。则可知相对于定流量控制来说采用恒温差变流量控制的节能率在80%空调季运行时段中超过65.7%，所以地铁站中央空调冷冻水系统采用恒温差控制具有很好的节能效果。

4冷冻水系统恒温差变流量控制可行性分析

由于制冷技术和变频技术的发展，大部分冷水机组支持冷冻水和冷却水的变流量调节，一般调节范围为30%~130%，水泵的变频变流量控制也得到广泛的应用。所以中央空调水系统变流量控制是可以实现下面分析变流量对系统换热过程的影响。

冷冻水系统的作用为从冷水机组中获得建筑所需冷量，再将获得的的输送冷量输送至建筑中的空气处理设备内。下面对各个过程进行分析。

2.1冷冻水在冷水机组蒸发器中的换热过程

如果忽略管壁热阻和污垢热阻，则此换热过程应有如下关系：

（9）其中：Q--冷冻水换热量

--冷冻水侧表面换热系数；

A--平均换热面积；

--对数平均温差；

当冷冻水在紊流状态下（即雷诺数Re>10000时）下，温度为0~50℃的水，则有：

（10）其中：

--物性因素；

--水的流速；

--管的内径；

（11）其中：--冷冻水回水温度；

--冷冻水供水温度；

--蒸发器温度；

由式（9）（10）（11）可知，若为定流量控制，则冷冻水系统的进出水温差水末端负荷Q的变化而变化，及负荷加大温差大，负荷小温差小。若为变流量控制，则冷冻水系统的供回水温差不变（为设计温差）流量在变即流速随负荷增大而增大，减小而减小（冷冻水流量的下限为一要保证冷水机组的最低水流量要求，二为使冷冻水的水状态为紊流状态）。当末端负荷小于设计负荷时设为Q1，则：

（12）其中：Q1--空调末端负荷低于设计负荷时的负荷值；

--冷冻水变流量运行时的末端负荷为Q1时的冷冻水流速；

则可知：

（13）=>（14）

由式（12）（14）可知，当保证冷冻水的供回水温差不变，且通过调节冷冻水的流量来响应空调末端负荷的变化，是切实可行的且流量的调整率大于实际负荷与设计负荷的比值。

由于中央空调冷却水系统和冷冻水系统均为冷量的运输循环，所以冷却水系统同样可以采用恒温差变流量控制来实现高效节能。

5结论

宗上所述，中央空调水系统恒温差变流量控制具有很大的节能潜力而且是切实可行的，特别是对于地铁站这种负荷特性的中央空调系统，基有很大的节能潜力，所以中央空调恒温差变流量控制方法应用于地铁站中央空调系统对城市节能改造与绿色建筑的实施基有很深远的意义。

参考文献：

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[2]姚丽君.基于地铁成本控制分析以提高运营效益的研究[J].科技咨询，2010（32）

[3]张海瑞.我国城市地铁项目建设的经济性分析[J].现代经济信息，2009（1）