一種空調冷水系統節能運行控制方法的介紹

王子涵

摘要：本文介紹了“剪切和響應”設定值重設控制邏輯及其在空調冷水系統運行控制中的一種應用方法。該控制方法可以根據空調末端供冷量需求對冷凍水供水溫度和循環水泵控制壓差設定值進行重置，從而提高降低空調冷水系統整體能耗。

關鍵詞：冷水系統;剪切與相應;設定值;重置;控制;能耗;供水溫度;循環水泵;控制壓差

目前暖通空調領域新建空調冷水系統通常會通過自動調節冷機出水溫度和冷水循環泵變流量運行的方式來提高冷水系統的制冷效率，即在部分負荷的工況下降低系統能耗。但其自控方法普遍存在以下幾點問題。第一，冷機出水溫度的調節通常根據室外空氣參數由控制系統計算確定。然而室外空氣參數與室內負荷之間的函數關系通常根據新建項目具體特性有很大差異。在冷水系統運行過程中，實際冷水供水溫度往往會偏離最優溫度;第二，循環水泵的控制邏輯通常以保證最不利末端（或供回水總管）壓差值恒定為目標對循環水泵進行變頻調節。由于該壓差值為系統在設計工況下空調冷水達到設計流量時的管路壓降，當系統處在部分負荷工況時，該壓差值會大于實際需要，使末端電動兩通調節閥開度減小，造成額外能耗。為解決上述兩點問題，從而進一步提升冷水系統的制冷效率，本文將介紹一種冷水機組供水溫度和循環水泵控制壓差值自動重置的控制邏輯。該控制邏輯通過檢測各末端空調設備冷水盤管處電動兩通調節閥開度來對設定值進行自動調節，使出水溫度和管道壓差值在部分負荷工況下低于設計工況時的對應數值并符合末端實際供冷需求，從而降低系統能耗。

1“.剪切和回應”設定值重置控制邏輯

“剪切和回應”設定值重置控制邏輯可用于重置壓力、溫度及其他空調系統中的變量。其基本原理是每隔一個時間（T），對初始設定值（SP0）進行一次“剪切”，即減?。ɑ蛟龃螅┰O定值，減?。ㄔ龃螅┝繛橐还潭ㄖ担⊿Ptrim）。由于設定值降低導致空調系統無法滿足某個末端空調區的要求時，控制系統產生一個“需求”記錄。當“需求”數量（R）達到某一閾值（i）時，控制系統開始反方向改變設定值作為“回應”。與剪切量（SPtrim）為固定值不同，“回應”量為“需求”數量（R）的函數，其值為SPres*（R-i）。其中SPres為每個單位“需求”的“回應”量，為一常數?？梢钥闯?，R值，即“需求”數量越大，“回應”量也越大。隨著設定值的反方向調節，當“需求”數量不再高于閾值（i），設定值繼續以固定的速率“剪切”（每T時長剪切SPtrim）。其中，“剪切”量SPtrim應該比單位“回應”量SPres小，原因在于緩慢的“剪切”速率可以讓系統更穩定，而較大的“回應”量（SPres）可以讓系統更快的滿足末端空調區的需求。而且如果“剪切”量與“回應”量相等，有可能會出現設定值“卡住”，即無法變化的情況?？偟膩碚f，該控制邏輯是由各末端空調區產生的持續變化的“需求”數量（R）驅動的。

顯然，該控制邏輯會使設定值出現周期性的波動。但由于“剪切量”，即SPtrim，足夠小，所以整個波動是個相對緩慢而溫和的過程，不會對系統造成干擾。相反，經過實踐檢驗，相比于傳動的PID控制邏輯，該控制邏輯更容易使系統達到協調的運行狀態，且在避免空調系統參數劇烈波動的情況下具備更快的響應速度[1]。

需要說明的是設定“需求”數量閾值（i可以忽略的“需求”數量）的一個主要目的是排除“流氓”空調末端。所謂“流氓”末端，即由于某些原因導致個別末端的供冷需求始終無法得到滿足，使系統一直存在增大供冷量的趨勢。這種情況如果不設置閾值，就會因個別區域的異常狀態導致冷凍水溫度始終保持在最低值，或者循環水泵一直運行在最高頻率運行，使空調系統無法實現節能運行。

另外，為了保證“剪切和回應”控制邏輯的控制效果，需要對設定值的重設變化范圍及最大“回應”量（SPres-max）進行設定，即設定值只能在上限（SPmax）和下限（SPmin）之間波動，而SPres*（R-i）>SPres-max時，“回應”量取SPres-max。

2.冷水機組供水溫度和壓差設定值的重置方法

由于冷水機組的制冷效率會隨著供水溫度的升高而提高，所以在滿足末端需求的情況下，應該盡可能地提高供水溫度。在實際工程中，空調系統絕大部分時間處于部分負荷工況，在這些時段及時地重置供水溫度設定值就可以有效降低冷水機組的能耗。其重置策略應該是使需要最低冷水溫度的空調冷水盤管（最不利末端）的電動兩通調節閥的閥門開度最大，即冷水供水溫度使最不利末端的供冷能力剛好滿足空調區需要。

同樣的，在部分負荷工況下，空調房間冷負荷小于設計工況，各末端設備的電動兩通調節閥的閥門開度減小。閥門開度的減小意味著循環水泵的揚程大于需要，有一部分水泵做功在冷水輸配過程中轉化為內能，造成浪費。而且，壓差傳感器的設置位置約靠近循環水泵，浪費越大[5]。然而，通過及時降低循環水泵變頻控制的壓差設定值，可以在保證空調系統供冷能力相同的情況下有效較低循環水泵能耗，從而提高冷水系統的整體運行效率。與供水溫度重置的控制策略相似，壓差設定值的重置策略是使最不利環路（需要最大揚程）的末端電動兩通閥調節閥全開。

然而，在部分負荷工況下，重置（升高）供水溫度設定值雖然可以提高冷水機組的制冷效率，但也會同時降低末端空調設備的供冷能力。即在供冷量不變的情況下，系統水流量有所上升，壓差設定值提高，水泵能耗增加。這就帶來一個問題，即當末端電動兩通調節閥開度減小時，控制系統是應該重置供水溫度還是重置壓差設定值。

根據參考文獻[4]，在一級泵冷水系統中，升高供水溫度降低的冷水機組能耗大于循環水泵因此而增加的能耗，即使是在輸送能耗相對較高的系統中。所以在部分負荷工況下可以優先對供水溫度設定值進行重設。在此基礎上，再輔以循環水泵壓差設定值重設，可以將節能效果最大化，具體控制策略如圖1。

圖1 橫坐標表示了冷水系統重設范圍?？刂葡到y采用“剪切與回應”邏輯對供水溫度和循環水泵壓差設定值進行重置。當系統重置度為0 時，供水溫度和循環水泵壓差值為初始設定值（TSP0，P SP0），即設計供水溫度和設計壓差值。隨著冷負荷減小，控制系統根據“剪切與回應”邏輯先調高冷水供水溫度，直到R-i≤0，或供水溫度設定值達到最大（TSPmax）。其中供水溫度最大值可以設定為比末端空氣處理設備最低出風溫度高2℃，以保證末端設備的除濕能力。若供水溫度設定值達到最大（TSPmax）時，R-i仍然大于0，則控制系統開始調低循環水泵壓差設定值，直到R-i≤0，或循環水泵設定值達到最?。ā鱌SPmin），即重置度100。在這種控制方法的實際執行過程中，很少會出現循環水泵壓差設定值重置程度較高的工況，原因在于冷水溫度的重置對于空調系統制冷量的調節已經非常顯著。

需要強調的是，“剪切與回應”控制邏輯在冷水系統中的應用前提是各末端閥門為開度可調型的電動兩通調節閥，且閥門開度可上傳至控制系統。這對于國內風機盤管普遍采用開關型電動兩通閥的情況，會造成一次成本的升高。

3“.剪切與回應”設定值重置控制邏輯的設計案例

本段將結合設計案例對“剪切與回應”控制邏輯的實施進行進一步闡述。該案例為包括冷源和末端空調在內的一級泵變流量冷水系統。每個末端空調冷水盤管均配備電動兩通調節閥，且具備閥門開度反饋功能?？刂葡到y根據末端電動兩通調節閥開度通過“剪切與回應”控制邏輯對冷水機組的供水溫度進行重置。相關控制參數的設定情況如表-1

控制過程描述如下：

控制系統確認冷水機組啟動15分鐘后開始重置供水溫度設定值，每隔10分鐘重置一次，每次調高0.5℃。隨著供水溫度升高，末端空調設備為了保證空調區供冷量滿足需求增大電動兩通調節閥開度。在空調區負荷和冷水供水溫度的變化之下，若有兩個以上末端電動兩通調節閥開度大于95，系統開始降低供水溫度作為“回應”。降低值為-1*（R-i）。具體案例如下：

冷水機組在8：45啟動。供水溫度設定值SP0為 7℃。15分鐘的延遲后，即9：00，冷水供水溫度重置開始?？刂葡到y收到1 個“需求”（R=1），由于R-i<0，無需“回應”，“剪切”供水溫度到7.5℃;9：10，控制系統收到2個“需求”（R=2），由于R-i=0，無需“回應”，“剪切”供水溫度到8.0℃;9：20，控制系統收到2 個“需求”（R=2），由于R-i=0，無需“回應”，“剪切”供水溫度到8.5℃;9：30，控制系統收到3 個“需求”（R=3），由于R-i=1>0，回應量SPres為-1℃，重置供水溫度凈值為-1+0.5=-0.5℃，供水溫度變為8℃;9：40，控制系統收到4 個“需求”（R=4），由于R-i=2，回應量SPres為-1*（4-2）=-2℃，重置供水溫度凈值-2+0.5=-1.5℃，由于供水溫度最低設定值為7℃，供水溫度變為7℃;

根據以上描述可以看出，控制邏輯具有調高供水溫度至上限（最為節能）的趨勢，但“回應”動作可以保證當末端空調設備供冷量不足時水溫可以迅速進行調節到位。

4.??? 結束語

參考國外標準，ASHRAE standard90.1對冷水系統的供水溫度和壓差設定值的重置功能有明確要求。但國內新建項目目前普遍仍然采用恒定壓差設定值的控制方法對循環水泵進行變頻控制，且供水溫度重置的控制方法也無法準確體現各末端空調區的實際供冷需求。導致新建冷水系統仍具有較大的節能空間。而本文介紹的遵循“剪切與回應”控制邏輯對冷水供水溫度和循環水泵控制壓差進行重置的控制方法，可以在保證冷源供冷能力滿足末端需求的同時有效降低冷水系統能耗，提高系統整體效率。該控制方法會雖然會導致被調參數周期性波動，但其波動過程相對緩慢而溫和，不會對系統造成干擾，較傳統PID控制邏輯更容易使系統達到協調的運行狀態。

參考文獻：

[1]?? StevenT.Taylor，ResettingSetpointsUsingTrim&RespondLogic，ASHRAE JOUNAL.

[2]?? Taylor，S.Increasing efficiency with VAV system VAV system static pressure static pressure setpoint reset，ASHRAE Journal49（6）：24-32，2007.

[3]?? ANSI/ASHRAE/IES Standard90.1-2013，Energy Conservation in New Buildings Except Low-Rise Residential Buildings.

[4]?? Steven T.Taylor，P.E.，Optimizing Design&Control Of Chilled Water Plants Part5：Optimized Control Sequences，ASHRAE Journal，June2012.

[5]?? 黃皓明，董寶春，史杰，變流量系統中的幾種控制方法，能源技術1005-7439{2008}04-0236-04.