浅析机房空调水循环系统变频节能控制

空调水系统的能耗在整个空调系统中占很大部分，因此，研究空调水系统节能具有重要意义。采用变频控制技术的变频空调，可实现快速、节能和舒适的温度控制效果。本文首先分析了空调水系统的组成和工作原理，并探讨了冷水变流量的节能控制，最后使水泵工作在高效率区域的一些关键设计提出了建议。

通过变频器，根据空气终端的需要，可根据环境温度自动选择加热、冷却和除湿运行方式，使居室在短时间内迅速达到所需要的温度，并在低转速、能耗低、状态下以较小的温差波动，调节冷媒水泵、冷却水泵的工作频率，改变系统中冷媒水量和冷却水量，以达到节能的目的。变流节能控制模式也被称为机房空调节能控制。本文重点探讨了机房空调水循环系统变频节能控制的原理分析及相关设计要点。

1 空调水系统的工作原理

空调水系统主要设备包括：制冷机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔和风机盘管等空调末端设备。空调水系统是一个复杂的系统，各部件之间是相互联系、相互影响的。

1.1 风机盘管水系统

风机盘管的组成和工作原理，风机盘管主要有风机、盘管以及空气过滤器、电动机、室温控制装置等组成，风机常采用前向多翼离心式风机或贯流式风机，盘管则为带肋片的盘管式换热器。风机盘管的水系统的主要功能是输配冷流体，以满足末端设备或机组的负荷要求。其配置则应具备足够的输送能力，经济合理的选定水泵、管材和管径，具有良好的水力工况稳定性，应便于空调系统负荷变化时的运行调节，实现空调系统节能运行要求、并便于管理、检修和养护。

1.2 冷水机组工作原理

当天然的冷源不能满足空调需要时，便采用人工制冷的方式。主要有以下几种：

1）蒸汽压缩式制冷

蒸汽压缩式制冷系统的组成及工作过程：蒸汽压缩式制冷系统主要有制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四个主要设备组成，并用管道相连接，构成一个封闭的循环系统。

2）吸收式制冷

吸收式制冷与蒸汽式制冷一样，都是利用液体在汽化时需吸收热量这一物理特性来实现制冷的，不同的是蒸汽压缩式制冷是以消耗机械能为补偿，而吸收式制冷则是以消耗热能为补偿的，使热量从低温热原转移到高温热源。

1.3 冷却塔

制冷剂在冷凝器中进行冷却凝结过程中放出的热量，一般通过空气和水带走。以空气为冷却介质的冷凝器，多用于小型制冷系统及缺水地区。大中型制冷系统的冷凝器多以水为冷却介质。制冷装置的冷却回水，由冷却塔的上部喷向塔内的填充层上，以增大水与空气的接触面积及接触时间，被冷却后的水从填充层流至下部集水池，通过循环水泵再送回制冷装置循环使用。冷却塔顶部装有通风机，使空气以一定的流速由下而上通过填料层，以加强水的蒸发冷却效果。

2 冷水变流量的节能控制

2.1 变流量系统的主要控制措施

冷水流量发生变化后，水系统为了在新的流量下能达到稳定平衡，需对管路系统和水泵进行调节，即调节阀门的开度和水泵的转速，不同的控制策略将产生不同的控制效果，进而水泵的能耗情况也不相同，下面分别进行比较。冷水系统变流量运行的控制模式主要有温差控制法和压差控制法。

1）温差控制法

温度传感器测得供回水干管上的温差，与设定值比较，温差大则加大冷水泵的水流量，温差小则减小水流量。当负荷下降时，流量将随之减少，通过温差控制器、变频器，降低水泵转速减少流量。随着系统总水量减少，使用功能相似的空调房间其末端装置的水流量按比例减少，适应负荷的变化，适用于系统较小，房间功能比较简单，整体一致的能耗变化规律的情况，如在我国目前空调系统中运用得非常多的风机盘管系统。风机盘管系统的水路基本不控制，或采用三通阀、电磁阀控制，部分负荷时系统压差几乎不变，这给压差信号的采集造成困难，因而风机盘管系统采用压差控制准确性较差，系统采用最多的是温差控制。

2）压差控制法

压差控制是利用测定点压差值的变化来控制水泵的供水量，压力的传递速度较高，因而压差控制反应较快，目前在冷水系统中采用的主要有干管定压差。干管定压差控制只是将温度传感器换成了压力传感器，末端负荷减小而关小冷冻水的流量使得供回水干管上的压差增大，控制器将控制水泵减少水流量，保持供回水干管的压差不变，这样，对于负荷没有变化的其它末端来说，由于干管的供回水压差不变，各支管的供回水压差也是基本保持不变的（由于流量减小，干管上的阻力损失减小，支管上的压差略有增大），保证了各个末端有足够的水流量。

2.2 变流量系统的原理

空调冷水系统的最重要的目的是为空调系统的各末端装置提供能量的交换，如何在满足这个要求下尽量节能，在冷水系统的发展中在不断完善。在冷水系统的发展和完善的过程中总是不断遇到新的问题，如冷水温差过小、水系统阻力损失过大、管网水力不平衡等，如果保持供回水的温差不变，则冷冻水流量的需求下降，可通过减少冷冻水的输送量来降低水泵的能耗，这就是变流量技术。

3 方案设计

就目前的一般的改造设计而言，一般采用以温度控制为主，在机房空调系统改造的过程中，保持了原有的机房空调系统，增加了热泵机组、板式热交换器、储热罐和热水罐、增加了循环泵和调节阀等设备，还开发了一种具有通用功能的变频调速智能控制节能工作站。

1）对冷冻水泵的控制

冷冻水泵电动机应采用软启动。冷冻水泵电动机启动频率系统设定为45Hz。为保护空调系统的安全运行，冷温水系统最低运行频率设定值为30Hz。

在温差调节器上设定上限报警输出信号，当末端负荷突变，温差达到5℃时，将频率直接切换到45Hz。使水泵输出加大到最大流量，以提高负载的跟踪速度。冷冻水泵启动后，按智能控制器输出的控制参数值，调节冷冻水泵变频器的运行频率，控制冷冻水泵的转速，动态调节冷冻水的流量，使冷冻水的供回水温度逼近智能控制器给定的最优值。夏天：冷冻水额定供水温度为7℃，额定回水温度为12℃，温差△T=5℃；冬天：冷温水供水温度为50℃，回水温度为45℃，温差△T=5℃。

2）对冷却水泵的控制

冷却水泵启动后，按智能控制器输出的控制参数值调节冷却水泵变频器的运行频率，控制冷却水泵的转速，动态调节冷却水的流量，使冷却水的进、出水温度逼近智能控制器给定的最优值。

3）对冷却塔风机的控制

当风机启动后，在冷却塔风机频率设定高限值45Hz 保持运行30min后，系统根据空调主机冷却水进出水温度传感器的输入值变频调节风机转速，使冷却水进水温度逼近设定值，从而保证机房空调主机随时处于最佳运行状态。以实现冷却塔风机和空调主机在最佳工况下的节能运行。

4 结语

论文对机房空调系统变频调速技术进行了理论分析，通过对机房空调系统的节能措施的研究，可以避免不合理的低效用能，降低了空调系统的能耗，提高了能源的利用率。

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