試論變水量空調系統的優化與節能

吳佳

【摘 要】本文選取冷水機組的供水溫度和二級泵的供水壓差作為監測點，在負荷發生變化時，實時調節控制這兩個參數，在保證負荷要求的情況下，與固定策略相比，三種優化策略都能夠達到節能的目的，同時系統的控制特性比較穩定。但它們都未使系統達到最佳的運行工況，要使系統最大程度地節能，應對影響系統能耗的控制變量同時進行優化。

【關鍵詞】變水量冷媒水系統；控制變量；優化節能

1.研究對象

選擇一個典型的 VWV 系統，其二級供水采用變頻泵，通過恒壓控制調節水量以滿足空氣處理裝置（Air Handle Unit，AHU）的要求；一級冷媒水回路的供回水恒壓控制器可以根據壓差的變化自動調節旁通管上閥門的開度，從而改變流經旁通管的冷媒水流量，以保持通過每臺冷水機組蒸發器的水流量不變；冷卻塔進出水總管之間混水閥的控制用于防止在低溫工況下過低的冷卻水溫度；各冷水機組都有一個出水溫度控制器控制冷媒水的出水溫度；各AHU都有一個送風溫度控制器控制送風溫度。

2.試驗條件

優化控制策略的試驗平臺是基于TRNSYS開發的樓宇空調水系統動態仿真軟件。進行試驗的系統有4臺相同冷量的、帶進口導葉調節的離心式冷水機組，2臺橫流式多風機冷卻塔，均為自動控制的 AHU?？紤]到計算速度以及TRNSYS對部件個數的限制，在作為試驗平臺的仿真器中，將系統所有的AHU分成4組，即AHU1～AHU4，并假定每組中各AHU的負荷狀況相同，這樣在仿真器中只需模擬4個 AHU即可。

3.三種優化策略

3.1供水壓力優化控制

在VWV系統中，二級泵大多采用變頻調速泵或多臺定速泵配以一臺變頻調速泵，因此都可以進行連續地調節。它由恒壓控制器通過改變變速泵的轉速和定速泵的啟停以調節二級回路的流量，其控制參數是二級供回水主管的壓差或各AHU中進出口壓差的最小值。若這個控制參數設定得過大，有可能使若干個AHU水閥的開度過小，二級回路的流動阻力增加，泵的工作點左移，造成二級泵能耗浪費；若設定得過小，有可能使若干個AHU的流量過小，無法滿足對送風溫度控制的要求。因此，根據各AHU負荷的變化實時優化該控制參數有節約二級泵能耗和提高系統控制特性的潛在能力。

自動控制的AHU水閥的閥位代表了各自AHU相對負荷的變化，保持各水閥中最大的閥位處于接近100%的開度，可以在保證系統控制特性的前提下最大地減少二級回路的阻力?？紤]到實際的應用和控制的穩定性，在優化的邏輯中采用了兩個PID運算器，通過將最大閥位Vmax控制在接近100%的[Hlim，Llim]范圍內，計算出優化的壓差設定。

3.2供水溫度優化控制

當出水溫度設定得較低時，主機的蒸發溫度較低，因此性能系數（COP）較低，相同負荷時主機的能耗較大；反之設定得較高，主機的 COP較高，相同負荷時的能耗較小。單從主機的能耗角度而言，應盡可能地提高出水溫度的設定。但是，過高的設定會使若干個甚至所有的 AHU水閥開到最大也無法滿足負荷的要求，同時也增加了二級泵的能耗。因此最佳的出水溫度設定應是保持各水閥中最大的閥位處于接近100%開度時的設定。在優化的邏輯中，同樣采用兩個PID運算器，計算將Vmax控制在接近100%的[Hlim，Llim]范圍內，同時考慮到二級泵在過高頻率而流量較小以及過低頻率而流量較大工況下效率較低的情況，還需對設定的優化進行約束。

3.3供水壓力與供水溫度串級優化控制

將供水壓力和冷水機組供水溫度進行串級優化控制，即利用各用戶水閥的閥位信息，根據其中的最大閥位及系統運行狀況，通過控制優先級別的分定，確定兩個優化設定值?？刂撇呗詫⒍壉霉┧畨毫灮鳛閮炏燃壙刂?，供水溫度優化作為第二級控制。由于溫度的調節系統反應較慢，故將供水溫度的優化控制調節作為二級控制調節，在二級泵供水壓力的調節已接近極限時，啟動供水溫度的優化控制調節。

4.仿真結果及分析

本文中兩個優化控制參數的調整主要影響冷水機組和冷媒水二級泵的能耗。三種優化控制策略的運行結果與固定控制策略運行結果的比較表明，監測參數的調整是在滿足負荷要求及保證控制穩定性的基礎上進行的。固定控制策略相關的設定值為：冷媒水供水溫度設定為 7℃，二級泵供水壓差設定為250kPa，送風溫度設定為13℃。能耗情況如表1 所示。

表 1 能耗對比

4.1供水壓力優化控制策略結果

優化控制策略的能耗結果與固定策略相比，其中固定策略供水壓力和供水溫度分別是250kPa和7℃，優化控制策略供水溫度設定在7 ℃，供水壓力隨系統負荷變化在50～250kPa范圍內實時進行調整。冷媒水的供水溫度不變，故在相同的負荷條件下冷媒水的流量理論上應該是不變的，根據AHU 最大閥位的變化情況實時調節其供回水壓差從而調整二級泵的壓頭，由于供水壓力優化使AHU的閥位比固定方案更接近100%，供水阻力減小，故二級泵的壓頭降低，從而使得二級泵的能耗減少。

4.2供水溫度優化控制策略結果

此優化控制策略的能耗結果與固定控制策略相比如表 1 所示。其中固定控制策略供水壓力和供水溫度取值分別是250kPa和7℃，優化控制策略的供水壓力設定在250kPa，供水溫度隨負荷的變化在 7 ℃至10℃范圍內實時進行調整。二級泵的供水壓力不變，根據負荷的變化引起的AHU的閥位變化實時調整供水溫度。理論上講，在其他條件不變的情況下供水溫度增加可以提高冷水機組的COP值，從而減少冷水機組的能耗。然而，在負荷件相同的情況下，供水溫度的提高使得冷媒水需求量增大，二級泵能耗增加。因此，適當調節供水溫度，使得當冷水機組能耗的減少量大于二級泵能耗增加量時，與固定控制策略相比系統總體是節能的。

4.3供水溫度和供水壓力串級優化控制策略結果

此優化控制策略的能耗結果與固定策略相比如表1所示。其中固定策略供水壓力和供水溫度值分別設定為250kPa和7℃，優化控制策略的供水壓力在50kPa～250kPa范圍內實時調整，供水溫度在7℃至10℃范圍內隨負荷的變化實時進行調整。供水溫度和供水壓力是影響系統能耗的重要參數，系統對壓力調整反應較快，因此在串級控制策略中將壓力控制作為一級控制，當壓力調整接近其極限時啟動供水溫度調節，兩個參數同時進行調節控制。

5.結論

三種優化控制策略相對于固定策略都能夠節能。（1）供水壓力優化策略中，根據負荷的變化實時地改變供水壓差的設定，冷媒水供水溫度不變，相同負荷下所需供水量不變，壓差的調整（下轉第149頁）（上接第64頁）減小了管路的阻力，可以減少二級泵的能耗；（2）供水溫度優化策略中，供水壓力固定不變，在部分負荷時，適當的提高冷媒水供水溫度，可以提高COP 值，提高冷水機組的效率，避免了“小流量，大供回水溫差”的嚴重不節能現象；（3）在第三種優化策略中，按照二級泵的電機頻率在不同的范圍內對供水溫度和供水壓力分別進行實時調節，節能效果也是很明顯的。三種優化控制策略均以供水壓力和供水溫度兩個參數為控制變量。仿真結果表明這兩個參數對系統運行及能耗情況影響很大，是空調水系統優化控制研究的兩個重要參數。

【參考文獻】

[1]陸瓊文，劉傳聚，曹靜.浦東國際機場變空調供水溫度節能運行策略分析[J].暖通空調，2003，33（2）：123-125.