CN106545930B - 一种高效节能中央空调机房及节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供本发明提供一种中央空调系统高效节能方法，中央空调系统制冷机房包括制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔，包括以下步骤：1）制冷主机采用大、小搭配，制冷主机、冷冻水泵以及冷却水泵采用一一对应的管路设计；2）运行过程中，根据冷主机开启的数量和冷却水总流量，当水温大于预设的冷却水温度范围阈值时，继续对冷却水进行降温；3）预设开机策略，根据预设的能效值设置制冷机房的主机的高效运行区间进行判断，控制中央空调系统制冷机房在不同负荷状态运行时，所开启的主机均运行在高效区间。能大大提高中央空调系统的能效，且有效节能。

Description

一种高效节能中央空调机房及节能方法

技术领域

本发明涉及中央空调技术领域，是一种高效节能空调机房及节能方法。

背景技术

现有的中央空调系统是按最大负荷设计的，并留有一定的裕量。常规情况下，在部分负荷时(特别是低于60％负荷时)系统会在低效区运行，能耗较高。中央空调机房主要用电设备包括：制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔。其中60％以上的能耗为制冷主机能耗。要提高机房的综合能效COP，最理想的状态是使这四大用电设备，在不同负荷状态下，都能在高效区运行。其中，最主要的是提高主机能效。主要措施有两点：一是尽量降低冷却水温度；二是制定合理的开机策略，使主机在不同负荷状态运行时，都能在高效区运行。水泵与冷却塔的控制策略都是围绕这两点来制定的。

目前的空调机房缺乏对上述四大设备运行状态的精确检测，对设备运行实现粗放式管理；或没有制定根据末端负荷变化同时又能使主机保持高效运行的开机策略，或者控制手段有限，不能有效执行；或系统调试不到位，没有排除缺陷，造成系统带病长期运行；行业规范重视主机的能效，忽视机房综合能效。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高效节能空调机房及节能方法。

本发明提供一种中央空调系统高效节能方法，中央空调系统制冷机房包括制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔，包括以下步骤：

1)制冷主机采用大、小搭配，制冷主机、冷冻水泵以及冷却水泵采用一一对应的管路设计；

2)运行过程中，根据冷主机开启的数量和冷却水总流量，当水温大于预设的冷却水温度范围阈值时，继续对冷却水进行降温；

3)预设开机策略，根据预设置的制冷机房的主机的高效运行区间进行判断，控制中央空调系统制冷机房在不同负荷状态运行时，所开启的主机均运行在高效区间。

进一步地，所述冷却水的降温方法为：根据制冷主机开启的数量和冷却水总流量，在冷却塔流量变化范围内，控制冷却塔运行台数，控制实际冷却水流量在冷却塔额定水流量的上下限比例内。

进一步地，所述冷却水塔的控制方法为：当所述冷却塔额定水流量低于下限比例，减少冷却塔运行台数，高于上限比例，增加冷却塔运行台数。

进一步地，所述预设开机策略，包括以下步骤：

1)根据末端的最大需冷量配置制冷主机数量及单台容量，主机采用大小机搭配，使制冷机房供冷量从10％—100％变化时，都能搭配到高效区运行的制冷主机；

2)根据制冷主机，冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔的特性，预设确定每台设备的高效运行区，所述高效区为：主机，冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔的特性工作负荷为70％以上，设置所述冷冻水泵、冷却水泵恒定在70％以上负荷运行位高效区；

3)根据每台制冷主机，冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔的特性，定义出它们的高效区，然后根据供冷量从10％-100％的变化量及保持在高效区间运行来决定主机运行台数，负荷比，冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔按定温差运行，且保持在高效区运行，实时监测综合能效，在保证供冷正常的情况下，及时调整主机，冷冻水泵，冷却水泵，冷却塔运行状态。

进一步地，还包括对冷冻水泵及冷却水泵水泵的控制策略，根据中央空调系统的预设温差，结合实际运行需求进行温差控制，温差变大则增加流量，温差变小则减少流量。

本发明的另一个目的在于提供一种中央空调系统，包括制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔，采用上述任一所述央空调系统高效节能方法。

进一步地，还包括与所述制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔分别对应连接的自动控制系统，自动控制系统用于控制所述制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)选用国家一级能效或以上的制冷主机，主机能耗占比达60％以上；

2)合理采用大、小主机搭配，以满足负荷变化的需求，使单台主机在全负荷段都能有高效区间运行；

3)主机、水泵采用一一对应的管路设计，以便实现对主机流量的精确控制，便 于调节主机的运行区间；

4)采用低流速、低阻力管道设计，降低水泵功率；

5)精细化调试，系统全面、准确的监测及控制，可及时发现并解决不良问题，健康的系统自然比带病运行节能，精确可靠的检测带来优秀的控制，使设备保持高效运行。

附图说明

图1为本发明节能方法流程示意图；

图2为本发明中央空调系统示意图1；

图3为本发明中央空调系统示意图2.

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种中央空调系统高效节能方法，如图1所示包括以下步骤：

S01制冷机房的主机采用大、小搭配，制冷主机、冷冻水泵以及冷却水泵采用一一对应的管路设计；

其中，大小主机搭配是常用手段之一，目的是使机房在10％-100％的负荷段运行时，易于搭配出运行的主机在高效段运行。

主机和水泵的常规的设计为多台主机并联，多台水泵并联后再串联在一起运行如图3所示，一一对应是指每台主机和对应的水泵串联后组成一套主机水泵组，再和其他主机水泵组并联起来如图2所示；

其中，冷冻水泵通过冷冻水管以水为载体把制冷主机产生的冷量带给空调末端，同时把末端的热量带回主机，制冷主机把该热量转换到冷凝器中，冷却水泵把热量输送到冷却塔上散发到外界，把冷却水冷却，然后送回主机冷凝器吸热。

S02运行过程中，根据冷主机开启的数量和冷却水总流量，当水温大于预设的冷却水温度范围阈值时，继续对冷却水进行降温；

在主机安全运行的条件下，冷却水的温度越低越好，因为冷却温度越低主机COP越高。

S03预设开机策略，根据预设的能效值设置制冷机房的主机的高效运行区间进行判断，控制制冷机房在不同负荷状态运行时，所开启的主机均运行在高效区间。

进一步地，所述降低冷却水温度的降温的方法为：根据制冷主机开启的数量和冷却水总流量，在冷却塔流量变化范围内，尽量增加冷却塔运行台数，控制实际冷却水流量是冷却塔额定水流量的上下限比例内。

进一步地，还包括所述冷却水塔的优化控制步骤：当所述冷却塔额定水流量低于下限比例，减少冷却塔运行台数，高于上限比例，增加冷却塔运行台数。

进一步地，所述预设开机策略，包括以下步骤：

根据末端的最大需冷量配置制冷主机数量及单台容量，主机采用大小机搭配，使制冷机房供冷量从10％—100％变化时，都能搭配到高效区运行的主机；

根据主机，水泵及冷却塔的特性，预设确定每台设备的高效运行区，所述高效区为主机、水泵及冷却塔的特性工作负荷为70％以上，设置所述水泵恒定在70％以上负荷运行位高效区；

根据每台主机，水泵及冷却塔的特性，定义出它们的高效区，然后根据供冷量从10％-100％的变化量及保持在高效区间运行来决定主机运行台数，负荷比，水泵及冷却塔按定温差运行，且保持在高效区运行，实时监测综合能效，在保证供冷正常的情况下，及时调整主机，水泵，冷却塔运行状态。

具体地，还包括冷冻水泵及冷却水泵水泵的控制策略，该冷冻水泵及冷却水泵水泵的控制策略为根据中央空调系统的预设温差，根据所述的制冷机房工作负荷进行温差控制，具体为结合实际运行需求进行温差控制，温差变大则增加各个水泵的流量，温差变小则相应减少流量。

具体地，所述温差为水泵进出水的温度差。

进一步地，还包括与所述制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔分别对应连接的自动控制系统，自动控制系统用于控制所述制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔。

具体地：所述的中央空调系统如图2所示，中央空调系统机房包括制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔等组成，与常规设计相比，中央空调系统的节能控制方法，包括：

1)选用国家一级能效或以上的制冷主机；

2)合理采用大、小主机搭配，以满足负荷变化的需求；

3)主机、水泵采用一一对应的管路设计，以便实现对流量的精确控制；

4)采用低流速、低阻力管道设计，降低水泵功率；

5)精细化调试，系统全面、准确的监测及控制；

合理的控制策略：包括以下：

主要措施有：一是尽量降低冷却水温度；二是预设开机策略，使主机在不同负荷状态运行时，都能在高效区运行。冷冻、冷却水泵与冷却塔的控制策略都是围绕这两点来制定的。

一降低冷却水温度的策略

冷却水的温度的控制主要与冷却塔相关。根据前述的冷却塔特性，冷却塔的换热量与换热面积和换热风量有正比关系，当相同换热量时，增大面积，可相应减少风量，从而通过风机变频减少耗电。风机电机变频节电的机理和水泵电机相同。

尽量增大冷却塔的换热面积

一是设计选型时选用换热面积足够大的冷却塔，二是在部分负荷时，可多开冷却塔，合理增大换热面积。具体见下述。

提高冷却塔的换热效率主要措施包括让冷却塔进、出水均匀，播水均匀等。冷却塔控制策略：

(1)一般来说，冷却塔与主机数量一对一，当主机数量全开时，冷却塔数量全开；

(2)当开部分数量主机时，根据冷却水总流量，在冷却塔流量变化范围内，尽量增加冷却塔运行台数，控制实际冷却水流量是冷却塔额定水流量的上下限比例内。(上下限通常按50％-75％考虑)。低于下限比例(50％)，减少冷却塔运行台数，高于上限比例(75％)，增加冷却塔运行台数；

(3)由于冷却塔的运行效果受其他干扰因素影响较大，(如风向、安装位置、分水情况、品牌等)，流量的上下限比例需具体项目，具体测试。原则是降低冷却水温度，并减少风机能耗。

二、高效机房的开机策略

原则是使主机在不同负荷状态运行时，都能在高效区运行。

制冷机房的运行规律往往是根据天气，末端的需求量等供应冷量，且是从设计额定值的100％到10％中不停变化，在如此宽广的供冷区域中让主机组、水泵、冷却塔保持高效运行，需要根据机房主机组的大小机搭配情况，水泵、冷却塔的特性参数，建立数学模型，获得最佳的开机方案。

案例：

如表1、2所示某酒店空调设计容量2100RT，设计温差为：冷冻水为8℃，冷却水5℃，高效机房机房配置：

700RT定频离心机3台，COP＝7.0(国标工况),高效区为100％-70％。(备用1台)，

350RT定频螺杆机2台，COP＝6.38(国标工况)高效区为100％-70％。

700RT离心机配对冷冻水泵3台，350RT螺杆配对冷冻水泵2台，变频配置。

700RT离心机配对冷却水泵3台，350RT螺杆配对冷却水泵2台，变频配置。

散热量400RT冷却塔8台，变频配置。

表1

表2

1、运行冷负荷1786～2100RT时，开3台700RT离心机，8台冷却塔，3台700RT配套的冷却水泵，3台700RT配套的冷冻水泵。

2、运行冷负荷1401～1785RT时，开2台700RT离心机，1台350RT螺杆机，8台冷却塔，2台700RT配套的冷却水泵，1台350RT螺杆机配套的冷却水泵，2台700RT配套的冷冻水泵，1台350RT螺杆机配套的冷冻水泵。

3、运行冷负荷1051～1400RT时，开2台700RT离心机，6台冷却塔，2台700RT配套的冷却水泵，2台700RT配套的冷冻水泵。

4、运行冷负荷701～1050RT时，开1台700RT离心机，1台350RT螺杆机，5 台冷却塔，1台700RT配套冷却水泵，1台350RT螺杆机配套的冷却水泵，1台700RT配套冷冻水泵，1台350RT螺杆机配套的冷冻水泵，。

5、运行冷负荷351～700RT时，开1台700RT离心机，4台冷却塔，1台700RT配套冷却水泵，1台700RT配套冷冻水泵。

6、运行冷负荷210～350RT时，开1台350RT螺杆机，1台冷却塔，1台350RT配套冷却水泵、1台350RT配套冷冻水泵。

由此可见，合理的开机策略，可使制冷机房在全负荷段单台主机都保持在高效区运行

三、水泵控制策略

冷冻水泵和冷却水泵的控制策略相对简单，就是根据空调系统的设计温差，结合实际运行需求进行温差控制。(如冷冻水8℃温差，冷却5℃温差)。温差变大则增加流量，温差变小则减少流量。这种控制方式，可通过末端制冷量的需求变化，(温度变化)，调节制冷主机的制冷量，实现按需供冷。

具体影响因素有：主机最小流量，水泵的最低频率，系统阻力影响等。所以，需要通过具体调试来确定最优参数。

当水泵启动工作后，水泵工作频率按照程序设定是由进出水温度自动调节(冷冻水温差8℃，冷却水温差5℃)；由以上三幅图可以看出水泵在运行状态下，通过调节水泵频率，能够控制进出水的温差符合设定值。

四、自动控制系统准确可靠

制定了合理的控制策略后，包括冷却塔控制策略，开机控制策略，水泵控制策略。可靠的执行是必须的，这时候，自控系统发挥关键作用，具体控制如下：

当末端的热负荷增大时，造成冷冻水回水温度升高，制冷主机会增加制冷量来维持冷冻水的出水温度不变，冷冻水泵需通过增频来相加大流量，输出更多制冷量，从而保持机房输出制冷量与末端热负荷的平衡。当末端热负荷减少时，反之亦然。

当主机的制冷量增大时，主机的散热量也会增大，造成冷却水回水温度升高，冷却水泵需通过增频来加大流量，送出更多热量给冷却塔，冷却塔通过风机增频来加大换热量，维持冷却水出水温度不变，从而保持主机散热量和冷却塔换热量的平衡。当主机的制冷量减少时，反之亦然。

当末端的热负荷增大到一定量时，需增加运行主机来增加机房的输出制冷量，控制系统将根据设定好的开机策略增加主机及水泵及冷却塔。

当末端的热负荷减少到一定量时，主机已不在高效区运行，控制系统将根据设定好的开机策略减少运行主机及水泵和冷却塔，从而维持上述设备在高效区运行。

精确及时的测量及判断，是既保证供冷，又保证高效率的必备条件。

建立远程监控系统可有效监控机房的运行状态，及时发现问题，解决故障，是高效机房的重要保障。

五精细化调试，找出主机，水泵及冷却塔最佳运行平衡点

每套中央空调系统都有各自的独特性，通过精细化的调试，个性化调整开机策略及其他逻辑，使之设备在全负荷段都能保持高效运行，是建造高效机房必要条件之一。

没有精确可靠的测量就没有优秀的控制，需要精确测量的参数为：

对每台主机，水泵及冷却塔组配备独立的计量电表，便于第三方检测，电表和机房控制系统通讯，在电脑上记录日、月、年用量。

每台主机的冷冻水及冷却水侧都配备独立的流量计，配对的测量温差精度为0.02℃的传感器，为便于第三方检测，配置独立的冷量计，并和控制系统通讯，在电脑上记录日、月、年的冷量。

每台主机都需测量以下参数：

冷冻水进出水温度，冷却水进出水温度，主机的电流、电压，蒸发器的冷媒进出温度，冷凝器的冷媒进出温度，若条件许可，宜测量更多数据。

每台水泵需测量电流及电压，进出水压力(或压差)，变频器频率。

冷却塔组需测量电流、电压，变频器频率及冷却总管的进出水温度，流量，宜增加测量每个塔的出水温度。

系统还需测量冷冻水总管的进出水温度，压力，主支管的回水温度。

气象站应有干球及湿球温度传感器，使用气象站专业箱体，内带标准的水银干湿球温度计，内置水箱可维持30天无需加水。

传感器的精度要求：

流量计：0.5％

冷量计：符合EN1434要求

重要温差测量：AA级(0.1℃)配对0.02℃

温度传感器：A级(0.15℃)

压力传感器：0.5％(满量程)

压差传感器：＜1％(满量程)

电表：0.5级

互感器:0.5级

对于相同的室内负荷，可以采用低冷冻水温及小流量，此时冷机能耗高，但水泵能耗低；反之，则冷机能耗低而水泵的能耗高。

对于相同的制冷量，可以降低冷凝压力以减少冷机耗，但较低的冷凝压力既需要较低的冷却水温度，这可能会增加冷却水泵和冷却塔风机的能耗，反之亦然。

主机，水泵及冷却塔的能耗平衡点取决于机房的综合能耗指标，在保证末端供冷的前提下，以综合能耗最优为最佳平衡。

Claims (6)

1.一种中央空调系统高效节能方法，中央空调系统制冷机房包括制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔，其特征在于，包括以下步骤： 1）制冷主机采用大、小搭配，制冷主机、冷冻水泵以及冷却水泵采用一一对应的管路设计； 2）运行过程中，根据制冷主机开启的数量和冷却水总流量，当水温大于预设的冷却水温度范围阈值时，继续对冷却水进行降温； 3）预设开机策略，根据预设的能效值设置制冷机房的主机的高效运行区间进行判断，控制中央空调系统制冷机房在不同负荷状态运行时，所开启的主机均运行在高效运行区；

所述预设开机策略，包括以下步骤： 根据制冷主机，冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔的特性，预设确定每台设备的高效运行区，所述高效运行区为：主机，冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔的特性工作负荷为70%以上，设置所述冷冻水泵、冷却水泵恒定在70%以上负荷运行为高效运行区； 根据每台制冷主机，冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔的特性以及高效运行区，然后根据供冷量从10%-100%的变化量及保持在高效运行区来决定主机运行台数，负荷比，冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔按定温差运行，且保持在高效运行区，实时监测综合能效，在保证供冷正常的情况下，及时调整主机，冷冻水泵，冷却水泵，冷却塔运行状态。

2.根据权利要求1所述的中央空调系统高效节能方法，其特征在于，所述冷却水的降温方法为：根据制冷主机开启的数量和冷却水总流量，在冷却塔流量变化范围内，控制冷却塔运行台数，控制实际冷却水流量在冷却塔额定水流量的上下限比例内。

3.根据权利要求2所述的中央空调系统高效节能方法，其特征在于，还包括对所述冷却塔的优化控制步骤：当所述冷却塔额定水流量低于预设下限比例，减少冷却塔运行台数，高于预设上限比例，增加冷却塔运行台数。

4.根据权利要求1所述的中央空调系统高效节能方法，其特征在于，还包括对冷冻水泵及冷却水泵的控制策略，具体为采用中央空调系统的预设水温温差，根据所述的制冷机房工作负荷进行温差控制，温差变大则增加流量，温差变小则减少流量。

5.一种中央空调系统，包括制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔，其特征在于，采用权利要求1-4任一所述中央空调系统高效节能方法。

6.根据权利要求5所述的中央空调系统，其特征在于，还包括与所述制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔分别对应连接的自动控制系统，自动控制系统用于控制所述制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔。