中央空调节能系统技术与节能系统控制

导读：在建筑行业，高楼大厦越建越多，中央空调的安装也日益普及，中央空调的耗能问题成为业内关注和研究的焦点，针对中央空调系统节能系统的研究和实践也越来越多。

近年来，随着我国能源短缺问题日益严重，以及大型公共建筑的飞速发展，其运行阶段高耗能的问题得到越来越多的重视。这类建筑通常因其建筑结构、使用功能以及能耗设备等方面的特点，导致能源浪费现象严重。

通常大型公关建筑超过一半以上的电能用于空调系统，中央空调系统作为大中型建筑物常用的空调形式，承担空调区域的空气调节任务，主要功能为供冷、供热、加湿、除湿和空气净化等。可以说，中央空调系统节能是大型公共建筑节能的重中之重。仅从加强制冷系统和冷冻水系统的优化运行进行调整，节省的能源费用就相当可观了。

中央空调控制特点

中央空调的控制是一个系统复杂的过程，期间会受到各种内外因素的影响，使其控制呈现以下特点：

1、干扰性

现代建筑物往往都是庞大的个体，中央空调系统在调节其室内气温的过程中，避免会受到一些外部因素的影响，如外部气候变化、太阳光辐射以及建筑物本身温度等，同时系统内部各构成组件的运行情况也会影响到空调的调控效果。所以说中央空调节能系统的控制具有很大的干扰性。 

2、湿度相关性

在中央空调系统调节空气温度的同时，也会导致空气的湿度发生变化。随着空调温度升高，会使得空气中的水蒸气分压呈现升高状态，由此使得空气湿度下降，但反过来如果将空调温度降低，空气中水蒸气的分压则会随之降低，而空气的湿度则呈现升高趋势。所以，中央空调节能系统与空气湿度也有相关性。

3、调节对象特性

在相同的干扰条件下，不同的控制对象，被控量随时间的变化过程也不尽相同。启用空调自控系统的可以克服以上干扰因素，使空调房间能够维持合适的空气湿度，从而保证室内空气品质。但要想控制好室内空气湿度也不能只依靠空调的自控系统，还取决于空调的对象特性以及空调系统本身设置的合理性。

中央空调系统节能潜力评估

中央空调系统不仅要满足人们对工作、生产的环境要求，同时也要满足对环境保护和节能的要求。随着国家节能政策的实施，中央空调的能耗问题成为重点研究方向。

对于中央空调系统而言，耗能主要由制冷机组、水泵、冷却塔等各部分能耗组成，中央空调系统的节能潜力和设备容量的富裕度、现行运行调节模式、负荷特性等息息相关。根据应用案例来看，未做过节能改造、按照工频运行的、未有集中控制系统的中央空调，节能潜力一般不小于15%，具体的节能潜力在获取运行监测数据后，可经计算得出。

中央空调系统节能解决方案

新型中央空调节能系统往往基于实际运行数据分析的节能诊断、改造方案和工程实施全流程节能解决方案。我们通过应用模糊控制、优化控制等技术措施，结合智慧节能技术，从而促使系统管理数据化、综合化、智能化，这样可以根据末端负荷变化及空调主机运行情况进行空调循环水系统的参数调节，从而保证系统中的负荷量及冷媒流量能够同步变化。另外，我们还要优化和改进中央空调系统主机的基本运行环境，最大限度减少系统能源消耗。

中央空调系统的具体运行过程需要在模糊控制和优化控制理论的基础上，结合人工智能技术，实现对中央空调系统运行的动态监控和闭环控制。将空调主机中的定流量运行方式改为变流量方式，可以实现空调末端负荷与冷媒流量的同步变化，这样，无论是在哪一种负荷条件下，都能够保证系统运行的有效性，同时促使中央空调系统最大限度节能运行。

节能主要对制冷站进行，节能目标为：为实现上述目标，从系统监测入手，通过对系统用能数据和运行参数的分析进行节能诊断、从而针对性的给出解决措施。

1、数据采集

数据是节能分析和节能改造的基础，对中央空调系统进行用电和运行参数的采集。

2、数据可视

通过平台对采集的数据进行实施展示、对数据的规律检修展示、对关键数据可设置告警。

3、数据诊断

通过对监测的数据进行分析，计算各种评价指标，并结合运行规律和设备基础资料等，可对中央空调系统和其中的设备进行能效评价。

4、节能改造措施

中央空调系统的节能改造通常以设备的改造（硬件）和系统运行优化控制（软件）结合的方式进行，力求以最小的投入产生最大的节能效益。

设备改造通常以水泵替代、水泵和风机变频、和增加改善区域水力平衡电动阀为主，很少涉及主机设备替换（设备老旧除外）。

系统运行优化控制目的是在变负荷运行的情况下，按需供冷，并确保系统按照高效的工况运行

5、节能运行集中控制系统

中央空调系统具有系统强惯性、大滞后等特点，节能控制，需要综合各种算法，以系统整体能耗最低为优化目标，对多参数、多系统进行集中控制。

中央空调节能运行控制系统，以计算机、变频器、传感器等硬件为核心，集成了闭环控制技术、大数据、模糊技术等人工智能技术，以中央空调系统主机变负荷运行为基点，对冷冻水循环、冷却水循环、冷却塔及新风处理等系统进行全面的优化调节，使中央空调系统运行在最佳状态，从而节省大量电能。

中央空调节能运行控制系统一般由中央空调主机调节、冷冻水调节、冷却水调节、新风调节、数据采集等子系统组成。通过对中央空调系统运行参数的监测，结合室温和末端温度的变化，控制中央空调系统变负荷运行，达到保证制冷（热）质量、降低电能消耗的目的。

◆中央空调主机调节子系统

中央空调主机压缩机按照其额定制冷量和制冷效率，一般的额定输入功率从100kW到1000kW。冷水机组的目的是产生低温（7℃）的冷冻水，所以供（出）水温度的高低直接影响到机组的负荷。而末端空气处理机启动的多少也会影响冷冻水的回水温度。对于压缩机单机容量和台数已确定的中央空调机组，按照便于能量调节和适应制冷（热）对象的工况变化等因素进行制冷（热）功率输出调节，是中央空调主机节能的关键。 

◆中央空调从动系统的节能调节

中央空调从动系统由冷冻水循环系统、冷却水循环系统及冷却塔风机系统等部分组成。

当制冷（热）机的负荷发生变化时，冷冻水、冷却水的需求量和冷却塔的冷却风量也将发生相应的变化，必须做出相应的调节。由于水循环系统动力来自于交流电机拖动的泵类机械，按照传统设计，这些泵类机械均运行在定流量状态，不能根据负荷的变化来调速运行，因此浪费大量电力。本系统采用变频调速技术来控制中央空调从动系统，通过改变泵类设备的转速（即改变流量），跟踪需求，更好地解决压差平衡，大大地节约电能损耗。

◆数据采集及控制单元

数据采集及控制单元，可根据动态过程特征识别，基于模糊控制理论自适应地调整运行参数，实现中央空调水系统真正意义上的变温差、变压差、变流量运行，使控制系统具有高度的跟随性和应变能力，以获得最佳的控制效果。

1、对冷冻水循环系统的控制

数据采集及控制单元采用了模糊预测算法，当环境温度、空调末端负荷发生变化时，各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至控制及数据处理单元，依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，实时预测计算出末端空调负荷所需的制冷（热）量，以及各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值，并以此调节各变频器输出频率，控制冷冻水泵的转速，改变其流量，使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量运行在最优值。

集中控制系统对冷冻水系统采用了输出能量的动态控制，实现了空调主机冷媒流量跟随末端负荷的需求供应，使空调系统在各种负荷情况下，都能既保证末端用户的舒适性，又最大限度地节省了系统的能量消耗。

2、对冷却水循环系统及冷却塔风量的控制

集中控制系统对中央空调冷却水及冷却塔风量的调节采用模糊优化的控制方法，当环境温度、空调末端负荷发生变化时，中央空调主机的负荷率随之变化，系统的转换率也随之变化。在动态预测下，依据采集的空调系统实时数据及系统的历史运行数据，计算出冷却水最佳进、出口温度，并与检测到的实际温度进行比较，动态调节冷却水的流量和冷却塔风量，保证中央空调系统在各种负荷条件下，均处于最佳工作状态，从而实现最大限度的节能降耗。

A冷却水优化控制

为了保证冷水机组的正常运行，要求冷凝器内通过不低于一定流速、温度足够的冷却水（比如定频不低于80%流量，温度不低于15.5℃）。随着冷却水流量降低，冷却泵电耗降低，但是会提高冷凝温度，降低冷水机组效率，需要做一个权衡。就是冷却塔电耗+冷水机组的电耗，达到一个最低值。

总结冷却水泵的优化规则

01采用定频泵时，一机对一泵，达到设计流量，机停泵停；

02采用变频泵时，一机对一泵，机停泵停，根据冷却水进出口温差来调节冷却泵转速，使冷却水温差基本上保持不变。

B冷却塔优化控制

冷却塔的调节方式是：均匀布水，风机变频。不再改变冷却塔的布水，使各台冷却塔均匀布水，同时同步改变各台冷却塔风机转速，通过均匀地减少各台冷却塔风量来调节水温，直到室外温度降低，全部风机停滞运行，冷却塔改为自然通风降温。如果室外温度继续降低，低于冷机要求的最低温度，则可以通过进回水管道间的旁通阀来调节旁通水量，维持进入冷机的水温不低于限值要求。

在一般情况下冷却塔效率接近最大效率的80%后，再提升风量来提高冷却塔效率，效果不明显，因此建议把风水比调整到这一状态。

冷却塔调节策略总结

01由冷水机组厂家提供冷却水的低限值；

02实时监控室外温湿度，冷却塔进出口水温，计算出冷却塔效率（效率=（冷却塔进水温度-出水温度）/(冷却塔进水温度-湿球温度）；

03如果冷却塔出水温度＞低限值，而效率＜最大效率，则增加频率；

如果冷却塔出水温度＞低限值，而效益已经达到最大效率，维持不变；

如果冷却塔出水温度＜低限值，风机频率未达最低频率，则降低频率；

如果冷却塔出水温度＜低限值，风机频率达最低频率，逐台停止风机，直到水温提升到低限值。

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