基于永磁同步变频离心式冷水机组的中央空调水系统优化控制策略研究

卓明胜，姜春苗，韩广宇

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

0 引言

随着我国城市的迅速发展，城市中公共建筑占比逐年提高，而在公共建筑能耗中，空调系统能耗占 30%～50%，其中制冷主机、水泵和冷却塔能耗（统称为制冷站能耗）占70%以上。经过阅读大量文献发现，如今大部分普通中央空调系统的综合能效比在 2.5～3.0[1-3]。传统设计选用的冷机标称冷量不低于系统设计容量，但99%的时间都在部分负荷下运行[4]，国内大部分的空调系统都处于大马拉小车的工况，节能前景非常大。

目前的变频离心式冷水机组在市场应用广泛，相对于其它类型的冷水机组发展很快，比如应用于各大地铁站的永磁同步变频离心式冷水机组以及磁悬浮变频离心式冷水机组[5-8]。对于中央空调水系统而言，耗能最大的冷水机组容易受到冷冻侧水流量、冷却侧水流量、冷冻出水、温度、冷却回水温度等不同工况影响[9-14]，多数研究者只是将这些不同影响因素进行了简要分析和汇总，缺乏对主机为变频离心式机组的中央空调系统节能的研究验证。因此本文以永磁同步变频离心式冷水机组作为研究对象，从机组的特性上研究冷源机房的节能方案并对系统优化控制策略进行具体的案例仿真验证，这对深入研究在应用优化运行控制策略下的中央空调水系统运行节能具有重要的现实意义。

1 空调系统优化运行控制策略研究

以额定制冷量为 650RT的永磁同步变频离心机为例，表1是650RT离心机性能参数表，分别改变机组的冷冻侧水流量、冷却侧水流量、冷冻出水温度、冷却回水温度等条件，得到各种优化控制策略的测试数据样本。

1.1 机组性能参数表

表1为650RT离心机性能参数表。适用工况：冷冻侧出水温度 7 ℃，冷冻侧进水温度 12 ℃，冷却侧进水温度 30 ℃，冷冻水流量、冷却水流量均为额定流量。

表1 650RT离心机性能参数表

1.2 冷冻侧变流量控制策略

冷水机组的优化运行控制策略采用基于恒5 ℃温差的冷冻侧变流量控制策略，机组冷冻出水温度为 7 ℃；冷却水量为额定流量，冷却回水温度为30 ℃，离心机实测数据如表2所示。

如表2的实验数据，当冷冻水泵运行频率下降时，对应机组冷冻侧的水流量也减少，机组的制冷量、功耗基本不变，机组的COP变化微乎其微。因此在部分负荷下，只要保证空调末端冷负荷的需求和机组基本流量需求，冷冻水泵的频率可以不断降低，以达到水泵高效节能的目标。

表2 不同负荷下冷冻侧变流量下的机能性能变化表

1.3 冷却侧变流量控制策略

冷水机组的优化运行控制策略采用冷却侧变流量控制，冷冻水为额定流量，机组冷冻出水温度为 7 ℃，冷却回水温度为 30 ℃，离心机实测数据如表 3所示。可得出，降低机组冷却侧的水流量，机组的性能系统COP值会下降。

表3 不同负荷下冷却侧变流量控制的机能性能变化表

假设某项目的冷却水泵额定功率为 55 kW，50 Hz运行时水流量刚好为机组的额定流量。由于冷却水系统为开式系统，水泵的等效率曲线与管路特性曲线并不重合，但考虑到冷却塔塔体扬程通常远小于整个冷却水系统的阻力，在一定的调速范围内，可认为相似定律仍近似成立[15]。整体的节能效果计算如表4所示。

通过上述分析，冷却水泵的相对功率越大，冷却水泵节能效果越好，但冷却水流量也不是越低越好，在74%额定流量与64%额定流量下的整体节能效果无太大差别，因此需要根据机组的性能和冷却水泵的工作曲线确定流量的下限值。

表4 节能效果计算表

1.4 冷水机组变出水温度控制策略

冷水机组的优化运行控制策略采用变冷冻出水温度控制，冷冻水量、冷却水量为额定流量，冷却回水温度为30 ℃，机组以100%负荷运行，离心机实测数据如表5所示。

如表5的实验数据，经过测试得到冷冻出水温度每升高 1 ℃，机组COP提高 3.5%～4.0%，提高冷冻出水温度5 ℃，机组的COP升幅达18.79%。针对中、小型中央空调系统，通过实验确定了变水温调节时冷水机组的运行特性和对空气处理效果的影响，在部分负荷下运行时，变水温调节可以有效提高冷水机组的运行效率[16]。冷冻供水温度上限要结合项目的空调末端的湿度要求进行确定，温度太高会导致末端的除湿效果差，舒适度较差，也就失去了节能的意义。

表5 变冷冻出水温度控制下的机组性能变化表

1.5 变冷却侧回水温度

冷水机组的优化运行控制策略采用变冷却回水温度控制。冷却水量、冷冻水量为额定流量，冷冻出水温度为 7 ℃，机组以 100%负荷运行，离心机实测数据如表6所示。

经过测试，机组在10%～100%负荷下，不同的冷却回水温度的机组“COP-负荷百分比”如图1所示。

如表6、图1的实验数据，在满负荷下冷却回水温度每下降1 ℃，机组节能提升2.8%以上，在部分负荷下则提高更多。在变风量和变水流量的冷却塔系统中，室外空气状态主要影响风量，而负荷的变化影响风量和水量两部分。为了达到冷却塔优化运行，应充分考虑到冷却塔热工性能的影响因数，制定恰当的控制策略[17]。由于机组的耗电功率比冷却塔风机的耗电功率大很多，可以适当增多冷却塔风机的运行台数，让冷却回水温度更加接近冷却塔运行环境的湿球温度，让机组发挥更大的节能潜力。值得注意的是，不同类型的制冷机组对冷却回水温度是有下限值要求的，因此在制定冷却回水温度下限时务必了解机组的工作温度。

表6 变冷却回水温度控制下的机组性能变化表

图1 机组“COP-负荷百分比”性能曲线图

2 采用优化运行控制策略典型案例分析

根据北京室外气象参数，确定9月冷负荷较高的9月1日为典型日，图2展示了北京典型日的单位面积冷负荷和湿球温度逐时变化曲线图。对北京地区建筑面积为 30,952（3×650×1,000/63）m2的公共建筑主要采用典型日处理方式对4种方案的中央空调水系统的能效及能耗进行分析。

图2 典型日逐时单位面积冷负荷及湿球温度曲线图

优化运行控制策略的分析对象为北京某办公楼中央空调水系统。该工程项目使用了3台制冷量为650RT的永磁同步变频离心式冷水机组，3台额定功率为51.6 kW冷冻定频水泵，3台额定功率为57 kW冷却定频水泵，3台额定功率为22 kW冷却塔风机，冷冻供水温度设置为7 ℃。本空调水系统的整体运行能耗过高，在某一天的运行能耗为6,815.80 kW·h，各设备的能耗分布如图3所示。

图3 原方案各设备能耗柱状图

针对该项目使用工况，结合机组的能效特性，采用了以下节能改造方案，使用DeST软件、冷水机组全工况性能曲线和各水泵的工作曲线，采用典型日逐时能耗计算方法在不同技术方案下进行能耗仿真模拟。具体如下：

方案 1：将冷冻水泵改造为变频泵、其他设备不变，冷冻供水温度设置为7 ℃，冷机台数按负荷率进行控制；

方案 2：将冷冻水泵改造为变频控制、冷却水泵改造为变频控制，其他设备不变，冷冻供水温度设置为7 ℃，冷机台数按负荷率进行控制；

方案 3：将冷冻水泵改造为变频控制、冷却水泵改造为变频控制，其他设备不变，冷冻供水温度为变水温控制，控制范围为 7 ℃～10 ℃，冷机台数按负荷率进行控制；

该项目的仿真原方案以及方案1、2、3的典型日逐时各设备能耗以及机组综合能效比COP分别如图4～图7所示。

图4 原方案各设备能耗和机组综合能效比COP曲线图

图5 方案1各设备能耗和机组综合能效比COP曲线图

图6 方案2各设备能耗和机组综合能效比COP曲线图

图7 方案3各设备能耗和机组综合能效比COP曲线图

各方案下设备能耗分布如图8所示。各方案下系统COP的柱状图如图9所示。

图8 各方案空调系统设备能耗柱状图

图9 各方案空调系统COP柱状图

从图8可以看出，从原方案到方案3，总电耗依次降低。对于采用全定频运行的原方案，其总电耗为6,815.80 kW·h。方案1相对于原方案将定频冷冻泵调整为变频冷冻泵，这时的冷冻泵节能66.04%，空调系统总功率节能13.11%。方案2相对于方案1将定频冷却泵调整为变频冷却泵，这时的冷却泵相对于方案1节能77.72%，空调系统总功率相对于方案1节能6.51%，相对于原方案节能18.76%。方案3接着方案2调整了机组的冷冻出水温度，这时的空调系统总功率为5,005.59 kW·h，相对于方案2节能9.60%，相对于原方案节能26.56%。这说明，在相同工况下，采用不同的控制策略，其对应节能效果相差比较大。从仿真的数据来看，以机组的性能作为系统各设备性能耦合的核心，可以非常简单地实现系统的节能。

在相同工况下，采用智能群控优化控制策略的中央空调系统比传统空调系统节能26.56%。从图9可以看出，采用不同方案敏捷群控控制策略下中央空调系统的 COP相对于不采用敏捷群控控制策略下的原方案的 COP都有着不同程度的提升。其中方案 3的效果最为明显，能效相对原方案提升25.96%。

3 结论

1）对于确定的中央空调系统，适当地提高冷冻供水温度、降低冷却测进水温度、降低冷冻侧水流量、降低冷却侧水流量可以提高整个中央空调系统能效比COP。

2）经过优化控制理论分析和从案例仿真的结果来看，采用不同逐级优化控制方案的群控优化控制策略，比无群控系统的空调系统更加节能。采用方案3的群控优化控制策略的节能效果最明显，并且能效也显著提高，较原方案提高25.96%。