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1、梁辉宏! 助理工程师关键词! “#$%&()变流量变频器冷却水冷冻水空调节能智能建筑“!“#$%&$“# ()&%*&“+!“# # #建筑电气*+, 年第 *- 卷第 ./ 期中央空调变流量控制系统探讨! ! 中央空调是现代建筑的主要耗能设施，传统的中央空调系统长期运行在定流量的状态，不能随着实际的要求来供冷，造成了相当大的浪费，定流量已经不能满足实际的需要。随着科学技术的发展，变流量技术在中央空调得到了应用。通过分析中央空调系统的结构和运行原理，结合变流量的工作原理，提出中央空调变流量智能控制系统，从而说明变流量在中央空调系统中的应用是高效节能的，有很好的应用前景。梁辉宏! 高能物理研究所
2、史步海# 龚冠祥! 华南理工大学自动化科学与工程学院# # 在各类建筑物中，大量采用先进设备和相应配套设备而成的中央空调系统已成为现代化建筑技术的重要标志之一，是现代建筑创造舒适高效的工作和生活环境所不可缺少的重要基础设施。但是中央空调系统也是生产现场和大厦中的耗能大户，据统计，中央空调系统约占$%&的用电量，并且通常在中央空调系统设计时，均按负荷最大的工况设计，并预留 %& ()%& 余量；然而，实际上每年只有极短时间出现最大负荷的情况，绝大多数中央空调系统在大部分时间是在部分负荷状态下运行，长期处于低温差、大流量的运行状态，造成整个系统的能源利用率降低，不但浪费大量能源，而且还带来设备磨损
3、、缩短寿命等一系列问题。中央空调运行原理中央空调系统是由一连串的流体机械和热交换器组合而成，主要包括制冷系统、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和冷却水塔系统，如图 所示。在系统中，热量的传递是通过流体物质来完成的，其中在制冷系统中一般用溴化锂，而冷却水系统和冷冻水系统都是以水作为传输介质。制冷主机根据压缩、膨胀（或浓缩、蒸发）的放、吸热原理，通过消耗电能（或热能）来完成室内外高位和低位热能的转移，即通过冷冻水系统向室内空调末端设备提供冷源，同时通过冷却水系统把产生的热量带到冷却塔扇风冷却并被排到室外。空调末端设备以风作为介质，通过再次冷热交换，最终通过风机盘管把冷量释放到需要空调的
4、房间中，起到温度调节作用。图 .0 典型中央空调系统工作原理示意图中央空调的定流量运行在传统的中央空调系统中，都是以定流量的方式在运行，它没有任何自动控制水量的措施，在设计和应用上都比较方便简单，因而得到了广泛的应用。它是一个全手动控制的系统，系统的水量基本上是按照以往的操作经验来控制的，即由水泵的运行台数所决定，随着水泵运行的台数变化而变化，不能无级地对水量进行控制。所以当末端负荷变化时，会造成空调区域的过冷或过热。为解决空调温度调节问题，工程中常采用三通自动调节阀。当负荷变化时，通过自动控制调节三通阀的开度，调节旁通支路的水流量，从而控制中央空调变流量控制系统探讨!“#$%&$“# ()&
5、%*&“+!智能建筑!“ “#$“ %&“ %()*+ 年 , 月上建筑电气!“# # #末端设备的水量，最后调节室内温度，有的系统还增加了平衡阀或者定流量阀，使定流量系统稳定地运行。定流量的一个优点就是控制简单或不需要控制，但是这也带来了一定的问题：!从能量的传送方式来看，水量的传输是电动机对水做功，把水从机房传送到了空调末端，即使是使用了三通阀进行调节，水量也没有变化，没有节能的措施。“系统设计选用的水泵偏大，引起水泵处于“大流量、低效率和高功耗”的不利工况下运行，还会带来一系列不良后果 振动大、噪声高及电动机过载发热，有的因过载严重，水泵根本无法起动导致电动机烧坏。同时，若流经制冷主机的
6、流量过大（超过 #$%以上） ，会引起主机异常振动，试验证明还会对主机的蒸发器、冷凝器造成损坏，缩短主机寿命。#电动机起停频繁，对设备长期安全运行带来了不利影响，起动电流通常为额定值的 & 倍左右，电动机在如此大的电流冲击下，进行频繁的起停，对电动机、接触器触头和空气形状触头产生电弧冲击，也会给电网带来一定冲击；起动时的机械冲击和停泵时水锤现象也会对机械传动、轴承与阀门等造成损伤。中央空调的变流量运行-. 中央空调变流量节能原理中央空调的节能是多方面的，大体上有三个层次。!行为节能，即尽可能少地使用空调，或适度降低空调舒适性标准，如控制室内温度或使用时间。行为节能侧重在行政管理层面，有一定成效
7、。“在建筑中保持能量，即减少有用的冷热量的无谓流失，如建筑设计和隔热设计等。#利用先进的控制方法提高能源的利用效率，减少能量的浪费。$前两个层次都是治标不治本，提高能源的利用效率才是积极意义上的节能。在中央空调系统中，交流电动机是主要的耗能设备，随着变频技术的发展，能对交流电动机实现大范围、高效率的无级调速，取得了很好的效果，因而变频器是实现中央空调节能的重要部分。根据水泵的相似律，泵或风机的性能参数都是针对某一定转速 !来说的，当实际运行转速 ! 与!不同时，有下列关系“ “(! !（)）# #(! !()# （#）$ $(! !()* （*）式中，“、#、$ 与 ! 分别是在转速为 ! 运
8、行状态下的流量、扬程、功率与转速；“、#、$与!分别是在转速为 !运行状态下的流量、扬程、功率与转速。交流电动机的转速与频率的关系为! (+$% （) , &） （-）式中，! 为转子转速，./ 01；% 为交流电频率，23；& 为定子与转子之间的转差率； 为电动机极对数。由上面式（-）易得% %(! !(“ “(# #!(*$ $!(（&）即 $“%*，因此从理论上来说，通过变频器对电动机的控制，如果电动机从工频 &$ 23 变化到*$ 23，那么 $(*()&* $ ( $“ #)+$，节省功耗45“ -)，具有相当好的节能效果，因而对系统的节能有着重要的意义。). 变流量在中央空调系统中
9、的应用从中央空调的运行和节能原理很明显地看出，整个系统对大厦的供冷（热）都是通过流体物质来传输的，也就是说，流体物质是系统能量传输的载体，其中主要的载体是水（分别是冷却水和冷冻水） ，但从广义上来说，系统的节能应该把制冷机组的流体物质也列为变流量控制的对象。变流量的工作原理是在保证系统安全稳定运行的前提下，实时响应系统末端负荷变化，按照末端温度的要求，动态改变空调管道中的水流量，空调的末端要多少就给多少，不会造成浪费；同时根据制冷主机的制冷变化或天气等其他原因引起的温度变化，实时跟踪空调主机发热量的变化，动态改变智能建筑!“#$%&$“# ()&%*&“+!“# # #建筑电气!“# 年第 !
10、$ 卷第 %& 期冷却水管道的水流量，提高空调主机的热交换效率，控制空调主机的 “#$ 值，使其处于较佳状态。变流量系统的控制是从改变能量传输的大小和提供舒适稳定的环境温度出发，最终的目的是要实现系统的节能；而控制的手段是通过控制水量的变化，来达到控制的目的。冷却水泵、冷冻水泵与制冷机组是主要的耗能设备，自然它们就是控制的对象，而温度是控制的主要参数，从而来调节水流量的变化。变频器是水泵电动机的关键执行部件，变频器频率的变化最终决定着水流量的变化，也导致了能量传输的变化，最终实现节能。从中央空调的组成来看，在冷却水系统与冷冻水系统中，它们既是独立运行，又是相互耦合的，因而它们的控制是相互联系、
11、相互影响的。从它们的结构相似性的角度出发，其控制系统是相似的，如% 图所示。图 ! 模糊控制结构图 变流量控制系统由模糊智能控制器、变频执行器、温度压力检测传感器和多泵智能控制器组成。各有各的功能，组成一个高效稳定的控制系统。!模糊智能控制器是控制系统的核心部分，它是系统的控制算法，决定着系统的控制效果。变流量的控制策略是系统稳定高效运行的前提，也是关键技术之一。传统的 $& 算法在实际应用中已经显现了许多不足。模糊控制技术尤其适用于没有准确的控制模型、多变量及时变性的非线性系统。按照现代自动控制理论，建立控制模型、模糊控制规则库，由计算机作识别、综合、解算和决策，输出最佳的控制量。“变频执行
12、器是系统关键节能部件，变频技术的发展使得电动机的控制更加方便高效；变频器主要是用于电动机的起动和速度控制。#温度和压力检测传感器是控制回路中重要的一环，是组成闭环系统的反馈环节；将温度和压力传感器安装在管道母管当中，测量出母管中的温度和压力，反馈回输入端，根据它们的差值进行控制。$多泵智能控制器，为了节省设备成本投入，用一台变频器拖动几台相同功率的电动机，同样可以取得一台变频器拖动一台电动机的控制效果；电动机有工频和变频两个工作状态，只要保证有一台电动机处于变频状态，其他都处于停止或者工频工作状态；多泵智能控制器就是可以根据实际的需要智能切换电动机的工作状态，达到系统稳定、高效运行的效果。冷冻
13、水系统、冷却水系统和冷水机组三系统是相互耦合、相互关联的，只有采用系统集成技术将各个控制系统在物理上、逻辑上和功能上互相联系在一起，实现它们之间的信息综合、资源共享，才可真正实现系统的统一管理和集中优化控制，实现中央空调全系统的整体协调运行和综合性能优化，因而需要一个中央空调智能优化监控系统。采集各个组成部分的温度参数，智能优化系统的参数设定，找到一个最佳运行点，保证系统运行在高效节能的工况上。智能监控系统结构如图( 所示。图 ( 智能监控系统图 在系统的运行设置上，采用恒压恒温控制法。首先要保证有足够的水压，使系统正常工作。其次设定温差或温度等其他控制变量，当空调末端或其他控制点的温度受天气
14、、季节或人流的影响而变化时，需要对空调系统进行变流量动态调节。当末端温度高时，出水温度与回水温度的差值比设定的温差大，所以需要提高电动机运行的频率，加快电动机的转速，从而增加水流量，经过一段时间的调节，恢复到原来的温差水平，满足实际的需要；当末端温度低时，出水温度与回水温度的差值比设定温差小，此时需要降低电动机的运行频率、放慢电动机的转速，从而减少水流量，很快地又能恢复到中央空调变流量控制系统探讨!“#$%&$“# ()&%*&“+!智能建筑!“ “#$“ %&“ %()*+ 年 , 月上建筑电气!“# # #原来的温差，达到预期的舒适效果。随着自动控制技术、信息技术、变频调速技术和计算机技术
15、的发展，对交流电动机能起到大范围的无级调速，因而这个控制的过程也是平滑的、安全稳定、快速且高效的，是一个全自动控制的高效节能系统，对节约成本和节省资源的浪费有着重要的现实意义。另一方面，变流量可以克服定流量的缺点，保证设备安全高效运行，提高设备的运行寿命，体现一定的经济价值。结束语随着自动控制技术、信息技术、变频调速技术、计算机技术以及特别是软件工程技术的发展和应用性产品的成熟，在中央空调系统中以变流量运行方式替代传统的定流量运行方式已经成为一个必然的趋势，它在实际的应用中，确实起到了很好的节能效果。与定流量相比较，变流量不仅仅体现了节能的效果，同时也实现了全自动控制的中央空调系统，还可以克服
16、定流量带来的一系列弊病，提高设备的运行效率和延长设备运行寿命等，提供更加舒适和谐的生活和工作环境。参考文献# 何雪冰，刘宪英$ 中央空调节能有关问题的研讨% $ 重庆建筑大学学报， #&$ 蔡增基，龙天渝$流体力学泵与风机( $ ) 版$北京：中国建筑工业出版社，#&$* 陈晓峰$ 中央空调变流量节能运行控制系统的研究和实现+ $ 重庆：重庆大学，,-$) 孙一坚$ 空调水系统变流量节能控制% $ 暖通空调，,#（-） $. 邢丽娟，杨世忠$ 中央空调的变频控制% $电气应用，,-，.（#） ：*-/*&$- 黄文厚，李娥飞，等$ 一次泵系统冷水机组变流量控制方案% $ 暖通空调，,)，*)（)） ：-./-&$（收稿日期：,0,&)）#!“!“（上接第 & 页）图 -. 新的
