变冷冻水温DDC控制及节能研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 15 4 8.73MB 90 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪 论
§1.1 课题的来源及意义
随着能源危机的不断到来以及人们可持续发展观念的不断加强，能源的高效
合理利用问题已经引起了广泛关注。由于建筑使用能耗在总能耗中占有相当大的
比重（在发达国家一般占到全国总能耗的三分之一左右，在我国占全国总能耗的
比例则一直维持在 20％以下[1]，由此可见随着生活水平的提高，我国的建筑使用
能耗具有很大的上升空间），因此建筑节能对能源的高效合理利用具有十分重要的
意义。在我国，建筑节能已经得到了党中央、国务院的高度重视。胡锦涛总书记
在建立节约型社会、节约型城市的讲话中指出：“要突出抓好节约能源、节约原材
料和节约用水工作，大力发展循环经济”，要发展“节能节地型建筑”。温家宝总
理也强调：“要坚决贯彻节约优先的原则，把节能、节水、节地作为可持续发展的
大政策”，并多次批示、关注建筑领域的节能问题。而建筑使用能耗中空调能耗又
占有很大的份额，据一般办公楼能量使用分析，空调部分占整个办公楼能量消耗
的约占 50％，照明约占 33％，其他设备约占 17％，空调部分中冷热源使用能量约
占40％，输送系统约占 60％[2]。因此空调节能是整个节能工作中不容忽视的一环。
由于空调运行过程中的大多时间是处于部分负荷状态下的，所以通过空调自
控使空调能够跟踪实际负荷运行就显得尤为重要。采用实时跟踪的空调控制方式
既能避免空调按设计负荷运行时所造成的夏季过冷或冬季过热现象的产生，保证
室内的舒适性，又能在很大程度节约能源，实现可持续发展之路。
目前，空调系统的节能控制主要体现在对冷热源系统、冷媒输送系统和空气
分布系统的节能控制这三个方面。通常采用节能方式有多台机组或水泵台数控制、
时间启停控制、变制冷剂流量（VRV）控制、变水量（VWV）控制、变水温（VWT）
控制、变风量（VAV）控制等。
变水温控制分变冷冻水温控制和变冷却水温控制，本文仅讨论变冷冻水温控
制。变冷冻水温控制是目前经常采用空调节能方式之一，但通常做法都很简单，
只是管理人员根据不同季节设定不同的冷冻水供水温度。这种根据管理人员的经
验所进行的设定，主要考虑了季节的变化，而很难考虑到每天的天气变化所形成
的负荷变化，也较难考虑到使用人员数的变化所带来的负荷变化，往往难以真正
反映建筑物实际负荷的变化情况。因此，如果能根据建筑物的实际负荷来重新设
定冷冻水供水温度的话，那么将大大节约能源。
空调控制方式则可分为常规仪表控制系统、DDC 控制系统和 PLC 控制系统。
DDC 控制具有控制能力强、可靠性好、性价比高等优点。DDC 控制器是目前空调
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集散型控制系统中常用的现场控制器，具有体积小、连线少、功能齐全、安全可
靠、性能价格比优等诸多优点。
本课题主要针对实际工程中的中、小型集中式空调系统，根据空调系统、大
多时间处于部分负荷下运行的特点，采用变冷冻水温 DDC 控制的方法实现空调系
统的节能运行。本课题将从实际应用的角度出发，开发专用的变冷冻水温 DDC 控
制器，并安装在上海理工大学建筑环境与设备系统综合实验装置上，进行相关的
调试和对比实验。通过实验验证不同负荷下采用变冷冻水温 DDC 控制所能获得的
室内温湿度控制效果和节能效果。
本课题所得出的结论将对集中式空调系统的实际运行调节有一定的指导作
用，对集中式空调系统的节能运行优化有一定的借鉴意义，对本课题开发的变冷
冻水温 DDC 控制器进一步改进，具有较大的实际应用价值。
§1.2 国内外研究现状
§1.2.1 关于变冷冻水温控制的国内外现状
目前有关变冷冻水温控制的研究主要集中在其对于整个集中式空调系统的可
行性和经济性的分析上，而对于具体的运行方法则较少提到。
文献 5中邹同华等指出适当地调整冷水机组冷冻水（供水）温度的设定值可
收到较好的节能效果。冷冻水温越高，则机组耗电率越低，每提高 1℃，节电约 3％。
在调高冷冻水温设定值时，需符合负荷端的温度要求。调高冷冻水温设定值的方
法有两种：一是随室外气温设置，二是随负载设置。
文献 6中作者刘金平等以某公司的 C7 -U WJ1320B5Y 型水冷整体式冷水机组
为例，按冷却水进水温度 30℃和出水温度 35℃计算了该机组在不同冷冻水供水温
度时的性能，得出提高冷冻水供水温度，可以提高机组性能，冷冻水供水温度越
高，COP 值越大，即所耗的电能越少，经济性越好。设计工况时冷冻水供水温度
为7℃，当负荷率为 60％时，若取冷冻水温为 13.6℃，则 COP 为4.62，与设计工
况相比，COP 增大了 13.3％。同时指出，采用变冷冻水供水温度调节的方法不仅
可以在部分冷负荷时满足室内温湿度的要求，具有可观的经济性，而且该技术操
作简单，调节方便，又无需昂贵的设备，将会得到应用。
文献 7中作者陆琼文等介绍浦东国际机场能源中心根据空调负荷的变化特点，
作了变冷冻水（供水）温度运行的尝试，取得了良好的节能效果。作者针对浦东
国际机场的负荷特点和气象条件，提出了分阶段变冷冻水温运行的方案。通过分
析得出，冷冻水温的升高使冷水机组的蒸发压力和蒸发温度升高，改善了机组的
制冷性能，使得制冷量和 COP 增加。通过统计之前各年的供冷量和全年供冷量的
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特点，将整个供冷季分为 6个时段，得到每个时段的平均供冷量和供冷比例，再
根据不同冷冻水流量下，供冷量随供水温度变化的曲线得出各时段的冷冻水供水
温度。这样就可以根据空调负荷的变化，降低运行能耗。
文献 8中作者林欣通过实验和结合实际空调系统的节能分析得出，采用冷冻
水（供水）温度分季节调节比采用定冷冻水（供水）温度运行能节省了 2.3％的能
耗；采用变冷冻水（供水）温度自动控制同分季节调节相比，能节约 5.25％的能
耗。同定冷冻水温空调系统比较，变冷冻水温自动控制调节使冷水机组运行能耗
节省约 7～9％。因此，在中小型集中式空调系统部分负荷运行时，通过自动控制
冷冻水供水温度，可以有效提高冷水机组运行效率，降低运行能耗，且能使室内
温度及相对湿度满足舒适性要求。
文献9作者周登锦通过部分负荷时对空气处理机组采用变冷冻水温调节进行
热湿交换计算和对冷水机组的节能分析得出，对于舒适性空调系统采用变冷冻水
温调节可以满足舒适性要求；其节能效果显著，能带来可观的经济效益。另外还
通过不同扰动的变冷冻水温空调系统的LabVIEW仿真实验得出，当负荷变化时，
变冷冻水温空调系统能够获得良好的调节效果，且能较快的达到室内温度的设定
值，并能自动确定冷水机组的冷冻水温。当由于室内负荷的减小产生的扰动使室
内温度降低了1℃时，通过提高冷冻水温的调节方法，使室内温度最终又调节到设
定值25℃，从而实现了变冷冻水温空调系统对室内温度的自动控制。
文献10 中作者许远超等认为对于风机盘管加新风系统采用质调节方法是可
行的，不仅节能，且能满足一般舒适性空调对于温湿度的要求。如当负荷率为70％
时，采用10℃的冷冻水供水温度，与设计工况相比，离心式机组耗电量下降了5.5％，
螺杆式机组耗电量下降了9.2％，节能效果明显。同时作者指出，由于冷冻水温的
提高，使得末端空气处理设备的除湿能力下降，室内相对湿度变大，使得冷冻水
温的提高受到一定的限制。当室内负荷为60％，采用11.8℃的冷冻水温，室内相对
湿度就达到了63％，所以，对舒适性空调系统，冷冻水温的提高一般以不超过12℃
为宜。
文献11中作者王健等介绍了两种冷冻水（供水）温度再设控制方式，一种是
工程上常用的简化方式，即根据室外气温分阶段设定供水温度，如可以根据日平
均气温按日设定供水温度，水温可在7～10℃之内变化，但每天的供水温度恒定。
另一种更精细的运行方式是不断根据用户负荷的变化与运行台数的关系，来确定
供水温度的设定值。当需要增加制冷机台数时，在一定程度上可以通过降低冷冻
水供水温度来满足用户负荷的增长，较低的冷冻水温可以扩大末端设备的传热温
差，从而增加传热量，进而推迟开启冷冻的时间。降低供水温度所增加的制冷主
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机的电耗总是小于增开一台制冷主机和对应水泵产生的电耗。
文献12中作者朱云芳等提出在理论上冷冻水回水温度可反映空调的需冷量，
因此可以根据回水温度来实现冷水机组的起、停台数的控制，达到节能目的。
文献13中作者孙国平还提出了离心式冷水机组的控制方案，根据实际需求负
荷的大小来控制压缩机的运行状态，最终通过改变导叶开度的大小，调节制冷剂
循环流量，控制蒸发温度，调节制冷量，最终达到加载、卸载，控制冷冻水供水
温度的目的。
文献 14 中作者 Austin Stephen B.也指出在部分负荷的情况下，提高冷冻水的
供水温度，可以提高冷水机组运行性能系数 COP，降低冷水机组的能耗。
文献 15 中作者 Azmi Kaya，P.E. 指出冷水机组运行时提高冷冻水供水温度，
将会使进入压缩机的制冷剂的温度和焓值升高，即能增加冷水机组循环效率，提
高冷水机组的 COP 值。
通过国内外关于变冷冻水温控制方面的资料可以看出，空调系统根据负荷变
化采用不同的冷冻水供水温度能使室内温湿度满足舒适性要求，且能提高制冷机
组的效率，降低运行能耗，减少运行费用。而调节供水温度的方式是多种多样的。
另外，值得注意的是冷冻水供水温度的变化会引起去湿能力的变化，容易使室内
相对湿度超出舒适性范围，另外压缩机正常工作时对吸气、排气压力也有一定要
求，因此在采用变冷冻水温（供水温度）控制时，应进行全面考虑。
§1.2.2 关于 DDC 控制的国内外现状
随着科学技术的不断发展和人们对高品质生活不断追求，建筑智能化程度的
也越来越高。为了取得良好的室内环境控制效果，就必须运用现代控制技术；而
直接数字控制，简称 DDC（Direct digital control），是目前应用最广泛的控制方式
之一，其相应的产品为直接数字控制器，简称 DDC 控制器。
文献 16 中作者陈沛霖指出随着现代建筑业的发展，智能化建筑日益增加，现
代智能建筑室内环境往往集成了大量的设备：如供热空调、给水排水、变配电与
自备紧急发电、照明、共用天线与闭路电视、电梯与电动扶梯、广播通信、保安
监视、火灾报警与自动灭火、停车库管理系统等。这些设备不仅数量多，而且分
散在各楼层的不同部位。为了合理利用设备，节省能源和人力，确保设备的安全
运行，可采用先进的集散型控制系统，即采用分散式直接控制与中央集中监控相
结合的分层控制形式，控制功能由分散的 DDC 控制器完成，而数据资料则由中央
计算机集中管理，这样可大大加强各子系统的独立性和可靠性，减少中央计算机
的工作量，从根本上保证了建筑设备自动控制系统的实时性和可靠性。由此可见，
其中 DDC 控制器担负着不同系统的具体控制任务，是整个集散型控制系统极其重
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要的组成部分。
文献 17 ASHRAE Handbook 中介绍了 DDC 控制器工作过程：首先 DDC 控制
器从传感器接收电信号，接着将电信号转换成数字信号，然后在微处理器中进行
数字运算，最后 DDC 控制器输出数字信号，将其转换成电信号去驱动执行机构。
文献 18 中作者马向真指出集散控制系统（Total Distributed System）的基本结
构可分为中央站、分站 （DDC 控制器）、现场传感器与执行器三个基本层次。
DDC
控制器的微型计算机（简称微机）在数据采集和处理时，主要是对大量生产过程
参数进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和整理、数据超限报警以及
对大量数据进行积累和分析。DDC 控制器也称为现场控制器或下位机，安装在控
制现场，可接受上层中央计算机（也称上位机）传送来的命令，并将本地的状态
和数据传送到上位机。在上位机不干预的情况下，DDC 控制器可单独对设备执行
控制功能，根据设定参数进行各种算法的运算、控制输出。DDC 系统具有可靠性
高、控制能力强、可编写程序（PLC）等特点。既能独立监控相关设备，又可联入
公控网，接受统一控制和管理。
文献 19 中作者王慧杰等指出在集散型控制系统中 DDC 控制器是分布在现场
被控设备处的多台微型计算机控制装置，用以完成被控设备的实时监测、保护与
控制任务，能克服计算机集中控制带来的危险性高度集中和常规仪表控制功能单
一的局限性。运用 DDC 控制器进行计算机监测和控制，可以实现以下功能：如检
测功能、控制功能、保护功能和集中管理功能等。
文献 20 中作者黄从利指出 DDC 控制器是一种构造简单操作容易的控制设备，
它可借由接口转接设备随负荷变化作系统控制，如空调冷冻水系统的控制、空调
箱送风机的变频控制及冷却塔风机的变频控制等，以让空调系统更有效的运转。
这样，不仅能为物业管理带来很大的经济效益，而且还可使系统在较佳的工况下
运行，从而延长设备的使用寿命以及达到提供舒适的空调环境和节能之目的。
文献 21 中作者方忠祥等指出一般建筑物中常用的空调系统如定风量（CAV）
系统、变风量（VAV）系统、变流量（VWV）系统等，都可以采用 DDC 进行控制。
文献 22 中作者于梅春等指出空调系统 DDC 控制主要可以实现焓值调节、最
佳启停控制和温度控制等功能。
文献 23 中作者李洪国介绍了烟台正海电子网板有限公司采用 EXCEL 5000 直
接数字控制系统（采用 EXCEL100 和EXCEL500 两种 DDC 控制器）进行高精细
荫罩 CDT 洁净生产厂房的空调控制，实现电子工业生产厂房的恒温恒湿、高洁净
控制的情况。
文献 24 中作者胡国平以某综合性建筑的楼宇自动化控制过程为例，介绍了该
变冷冻水温 DDC 控制及节能研究
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控制系统按楼层采集温度信号，在空调系统的末端管路上设置电动阀门；通过 DDC
控制器采集温度信号、新风阀的开启信号，再输出电动阀门的控制信号控制风机
盘管系统的冷热水流量，以及输出送风机的控制信号控制送风量，以实现房间温
度的自控的情况。作者指出通过一系列空调系统的控制基本上避开了“人”的因
素，有效避免了能源的浪费。
通过国内外关于 DDC 控制方面的资料可以看出，DDC 控制器是目前空调集
散型控制系统中常用的现场控制器，能实现检测、控制、保护和集中管理等功能，
具有控制能力强、可靠性高、性价比高等诸多优点。目前 DDC 控制器的控制主要
集中在室温控制、焓差控制、流量控制和最佳启停控制等方面，而关于变冷冻水
温的 DDC 控制器还不多见。鉴于变冷冻水温较好的室内温湿度控制效果和良好的
节能效果，因此就很有必要对这方面进行深入研究。
§1.3 本课题研究内容和主要关键技术
§1.3.1 研究内容
本课题主要针对实际工程中的中、小型集中式空调系统，根据空调系统大多
时间处于部分负荷下运行的特点，采用变冷冻水温 DDC 控制的方法实现空调系统
的节能运行。
本课题的研究内容主要有：
1、首先分析变冷冻水温空调系统的特点、变冷冻水温空调的室内温湿度控制
效果和节能效果、现有的变冷冻水温控制方法的特点、空调系统 DDC 控制的基本
情况以及制冷压缩机的多种能量调节方式。
2、接着根据提高机组冷冻水供水温度能够提高机组效率的原理，提出按照空
调房间实际负荷率来自动设定冷冻水供水温度的 DDC 控制方案。即在室内负荷小
时，采用较高的供水温度，在室内负荷大时，采用较低的供水温度；再由 DDC 控
制器根据实测冷冻水供水温度和设定值之间的偏差来自动调节压缩机的冷量，以
使冷冻水的供水温度达到设定值的方案，以此达到既满足室内温湿度要求又节能
的目的。
3、然后按照上述方案开发变冷冻水温专用的 DDC 控制器。该控制器须具有
如下功能：一要能自动计算空调房间的负荷率；二要能根据计算的负荷率大小自
动设定相应的冷冻水供水温度；三要能根据实测供水温度与设定值之间的偏差自
动调节压缩机的冷量，使冷冻水的供水温度符合设定值的要求。
4、最后再从实际应用的角度出发，以上海理工大学城市建设与环境工程学院
建筑环境与设备系统综合实验装置为实验平台，在该实验系统上安装新开发的变
第一章 绪论
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冷冻水温 DDC 控制器，并进行相关的调试和对比实验。通过实验验证不同负荷下
采用变冷冻水温 DDC 控制所具有的室内温湿度控制效果和节能效果。
§1.3.2 主要关键技术
1. 变冷冻水温 DDC 控制方案的确定；
2. 变冷冻水温实验系统的改建；
3. 变冷冻水温 DDC 控制的稳定性；
4. 变冷冻水温 DDC 控制的舒适性和节能效果。
变冷冻水温 DDC 控制及节能研究
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第二章 变冷冻水温空调及其控制系统
在确定变冷冻水温 DDC 控制方案之前有必要对变冷冻水温空调系统和空调自
动控制系统作进一步深入分析，以便最终确定的控制方案合理、可行。
变冷冻水温空调系统与变风量、变流量等空调系统相比具有自己的特点，本
章主要介绍和分析了变冷冻水温空调系统的意义、基本原理、特点、控制效果、
节能效果、控制方法，空调自动控制系统的组成和分类、PID 控制算法以及制冷压
缩机的多种能量调节方式。
需要说明的是，文中冷冻水供水温度（或简称“冷冻水温”）是指出冷水机
组的冷冻水温度，冷冻水回水温度是进冷水机组的冷冻水温度，冷冻水进水温度
是指进盘管或表冷器等末端空气处理设备的冷冻水温度，冷冻水出水温度是指出
盘管或表冷器等末端空气处理设备的冷冻水温度。
§2.1 变冷冻水温空调系统的意义及基本原理
§2.1.1 意义
制冷机组是空调系统中主要的耗能设备。一般在整个办公楼的耗能中空调部
分占有相当大的比例（约 50％），而其中制冷机组的耗能又占到 40％左右[2]，因此
对制冷机组采取相应的节能措施，能取得较大的节能效果。
同时，由于空调设计时采用的是夏季空调室外计算日平均温度历年平均不保
证5天的标准进行计算的；考虑到未来发展等问题，一般还会预留一定的裕量，所
以最后的制冷机组往往会选得比较大。而室外环境每天每时都在发生变化，室内
人员数和设备的使用情况也会根据实际工作的需要而有所变动，因此平时制冷机
组往往很少在设计状态下运行，也就是说大多数情况下制冷机组的负荷率是小于1
的。根据文献[9]可知，实际空调系统负荷多数时间在设计负荷的40～80％之间。
所以对制冷机组进行节能具有很大的潜力。
为了取得较好的节能效果，应在空调系统设计选型时采用节能型的制冷机组。
为了满足室内环境要求同时也能够取得一定节能效果，需在日常运行过程中采用
相应的控制措施，以使机组的运行能随负荷的变化而变化。
采用恒定冷冻水供水温度的能量调节方法降低了机组的 COP，这一点往往被
人忽视。对一次泵系统，在部分负荷时用户侧总流量偏小时，一定是用户侧各调
节阀关小所造成的。此时适当地提高机组供水温度的设定值，就会使用户侧自动
开大阀门，增大流量，减小温差，这样旁通水量减少，进入蒸发器的水温升高，
由于设定值提高，供水温度也升高，机组蒸发温度上升，机组 COP 就提高了[25]。
第二章 变冷冻水温空调及其控制系统
9
§2.1.2 基本原理
冷冻水系统是以水作为制冷机组与末端空气处理系统（如风机盘管和表冷器
等）能量传递的介质，通过水将制冷机组的冷量带到风机盘管或表冷器中，再由
风机带动空气与风机盘管或表冷器内的冷冻水进行换热，使空气降温或去湿后再
送入空调房间，从而达到消除室内热湿负荷的目的。
在保持冷冻水流量不变的前提下，根据空调房间的实际负荷改变冷冻水的供
水温度，在室内负荷变小时，提高冷冻水的供水温度，不仅能使空调房间的温度
不致于过低，更能在一定程度上节约能耗。
那么，通过冷冻水供水温度的提高是怎样实现空调房间温度控制和节能的
呢？
风机盘管和表冷器是空调系统的主要末端空气处理设备，进口空气参数、处
理风量、冷冻水温以及冷冻水流量均会影响风机盘管和表冷器的热工性能。
以风机盘管为空调系统末端设备的盘管换热量综合表达式为[26]：
454.0434.0
27.306
w
tBAQ
（2-1）
式中 Q－ 不同工况下的换热量（kW）；
－ 不同工况下冷冻水的流速（m/s）；
tw－ 不同工况下冷冻水的进水温度（℃）；
A－ 风机盘管型号及运转档次修正系数；
B－ 室内温湿度调节修正系数。
由公式 2-1 可知，风机盘管换热量分别与冷冻水的流速及进水温度有关。在保
持冷冻水进水温度不变的前提下，降低冷冻水的流速，减少冷冻水的流量，将减
少盘管的换热量，最终将提高送风温度；而在流经盘管的水量不变的前提下，盘
管的换热量与冷冻水的进水温度呈负幂次方关系，即冷冻水的进水温度越高，盘
管的换热量越小，这也将引起送风温度的升高。因此在室内负荷变小时，可通过
提高盘管进水温度，减小盘管换热量来提高送风温度，以维持室内温度的稳定。
以JW40-6 型通用表冷器为例，假设表冷器进口空气干球温度为 27℃，湿球温
度19.5℃，迎面风速 2.5m/s，水流速 1.5 m/s，相同冷冻水量不同冷冻水进水温度
下的供冷量是不同的，见表 2-1[7]。
表2-1 不同冷冻水进水温度下的表冷器供冷量
冷冻水进水温度
（℃）
4.4
5.7
7.0
8.3
9.5
16.0
18.6
21.5
供冷量（kW）
134.64
123.42
112.2
100.98
89.76
44.88
33.66
22.44
由上表可知，随着冷冻水进水温度的提高，表冷器的供冷量逐步减小，因此
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1课题的来源及意义随着能源危机的不断到来以及人们可持续发展观念的不断加强，能源的高效合理利用问题已经引起了广泛关注。由于建筑使用能耗在总能耗中占有相当大的比重（在发达国家一般占到全国总能耗的三分之一左右，在我国占全国总能耗的比例则一直维持在20％以下[1]，由此可见随着生活水平的提高，我国的建筑使用能耗具有很大的上升空间），因此建筑节能对能源的高效合理利用具有十分重要的意义。在我国，建筑节能已经得到了党中央、国务院的高度重视。胡锦涛总书记在建立节约型社会、节约型城市的讲话中指出：“要突出抓好节约能源、节约原材料和节约用水工作，大力发展循环经济”，要发展“节能节地型建...

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