Question

中央空调冷冻水温度与耗能之间关系

Answer 1

中央空调系统的制冷是一个逆向传热的过程。室内空气的热量只有依次通过热交换过程，才能被排放到大气中去。由此可见，中央空调制冷是由多个热交换过程串联而成的复杂控制过程，并且冷冻水循环是这个复杂过程中的一个重要环节。冷冻水又称冷媒水，是中央空调系统的载冷剂，承担着中央空调冷量的输送。冷冻水在空调末端经过换热吸收热量，经过冷冻水泵的驱动，将吸热升温后的冷冻水输送到冷水机组蒸发器内，液态制冷剂经蒸发吸收了热量，冷冻水温度降低再次进入空调末端，如些循环往复。在中央空调系统变流量控制技术问世之前，一般为定流量系统，由于空调负荷的不确定性，在系统部分负荷时，冷冻水循环系统常常运行在大流量、小温差的状态，致使冷冻水泵效率低以及输送能耗的白白浪费。所以，根据空调末端负荷的变化动态调节冷冻水流量，能够有效的降低空调水系统的耗能，从以下几个方面介绍。

1 冷冻水循环系统的特征：

(1.1) 结构的复杂性：冷冻水循环系统是中央空调系统的能量输送与分配系统，由冷冻水泵、分水器、集水器、水处理装置及管网等构成。由于管网结构形式复杂，管网中各个末端负荷变化情况各异、分布不同，管路系统的扬程损失大，使冷冻水循环系统的容量延迟及阻力特性变得非常复杂。

(1.2) 对象的延迟性：对于大型建筑物的中央空调系统，空调覆盖面积大，冷冻水循环系统的管网复杂、庞大，造成系统的热容量及热惯性比较大，是一个典型的大惰性系统；并且系统管道路径长，冷冻水循环一次需几分钟至十几分钟，所以它还是一个大时滞系统。

(1.3) 对象的非线性：严格来讲，基本所有的被控对象都具有非线性，只是程度不同。作为载冷剂，冷冻水在空调运行的循环过程中，冷量从冷水机组的蒸发器注入，经末端换热器流出；进入冷冻水的冷量，由冷水机组调节制冷剂流量来控制，而从冷冻水流出的冷量则由用户根据负荷变化通过二通阀来调节，在这些过程中，冷冻水温度与热流量之间都呈现非线性变化的关系。

冷冻水系统在运行过程中涉及到的变量有冷负荷、水流量、水压力、供回水总管温度、水泵能耗等，它们之间相互关联，具有强耦合与非线性的关系，是一个典型的多变量复杂系统。并且工况环境及负荷的多变性与随机性，使中央空调冷冻水系统的动态特性不易获得，成为一个时滞、时变、惰性强、非线性强、耦合性强的多变量复杂系统，难以获得其精确的数学模型。

2 冷冻水变流量运行的必要性与可行性分析：

系统负荷的时变性：人流量和室外气象条件的变化都会造成中央空调实际负荷的大幅波动，而冷冻水流量只能根据加减水泵实行有级调节，这样就出现在很多时间内冷冻水流量供大于求的情况，且一次泵始终处于满负荷运行，致使冷冻水泵输送能耗的白白浪费。

在空调水系统中考虑使用变流量的主要原因是空调负荷是随着外界环境和系统使用功能的而改变的，而设计空调系统时，往往是按最不利工况来选择设备的，这样在部分负荷时，定流量系统就会造成能耗的浪费，而变流量系统会随着负荷的变化动态调节冷冻水流量。目前的中央空调冷冻水系统冷源侧大都采用一次泵定流量加旁通阀系统，其原因主要有：定流量系统简单，无需复杂的自控设备，降低系统初期投资；影响冷水机组的安全运行等。

变流量水系统的原理是利用变频器调节水泵的转速，进而调节系统水流量，随着科技的发展，变频技术己比较成熟，在空调领域的应用也越来越多，关于变流量的理论研究和工程实践也己证明实现空调冷冻水循环系统变流量是可行的，作为一种高效的调节手段，为实现系统能耗的降低提供了有力保障。

随着空调行业技术的成熟，一般冷水机组都有着全面的自动调节装置，可以根据系统负荷的变化自动调节蒸发器和冷凝器中的制冷剂的循环流量，使冷水机组输出的冷量跟随负荷的变化而变化，以保持机组的稳定高效运行。并且冷水机组有最低流速限制，当蒸发器温度降低到一定程度，机组会自动进入待机状态，因此，根据负荷的变化调节冷冻水流量，使其与机组的制冷量相匹配，并不会引起蒸发器结冻的现象发生。

与流量相关的冷机性能指标主要有：允许的流量变化范围；允许的流量变化率。随着冷水机组控制性能的不断发展，冷水机组蒸发器的冷冻水流量已经允许在一定范围内变化运行，例如：螺杆机的冷冻水流量变化范围为 45%~120%，离心机的冷冻水流量变化范围为 30%~130%等。冷水机组所允许的流量变化范围越大，就越有利于冷冻水的流量调节；冷水机组所允许的流量变化率越大，则冷冻水循环系统变流量时冷水机组的出水温度的波动范围就越小。

实现冷冻水变流量的方法，有以下几种：改变管路特性曲线，在出口管路加装调节阀，调节流量，这种方法操作方便，但伴随额外的能量损失不经济；改变水泵的特性曲线，即调节水泵转速，水泵的能耗随转速而改变，节能效果显著；改变并联水泵的运行台数，这种方法调节粗糙，不能实现连续调节。结合以上三种方式的优缺点，一般采用变频调速与水泵台数调节相组合的方法，合理的调节水泵的工作台数及其运行参数，在满足系统需求的同时，实现节能。