中央空调节能基本原理.docx

1、中央空调节能基本原理中央空调节能基本原理在中央空调系统中，水泵和风机流量 Q、压力 P、转速 n 和功率 N 满足如下关系：流量 Q 与转速 n 成正比的关系; Q=an压力 P 与转速 n2 成正比的关系; P=bn2功率 N 与转速 n3 成正比的关系：N=gn3由此可见，如果采用变频器，在改变输出频率的同时，改变输出电压就能保障电动机稳定运行。在降 低电源频率时，即可降低水泵和风机转速，减少水泵和风机的流量（风量），从而按立方关系大幅度降低 水泵电机和风机的功率消耗，实现有效节能。见表 1。表 1.变频调速的节电比率如下表：冷量2.52.52.52.52.52.5温差2.52.753.1

2、33.584.185.0水流量 Q1.00.90.80.70.60.5泵转速 n1.00.90.80.70.60.5水压力 P1.00.810.640.490.360.25电机轴功率 N1.00.730.510.340.220.13节电率00.270.490.660.780.87中央空调节能技术路线水系统节能的技术途径是将定流量运行改变为变流量运行。调节旁通阀开度的变流量方法，其目的仅在于实现空调主机的定流量运行，保护主机安全,并不能节 省能量。增减运转水泵数量的变流量方法，调节粗放，节电效果不好。能够有效的节能的变流量方法，是改变拖动水泵、风机转动的交流电动机的工作频率，即改变水泵、 风机的

3、转速。应用变频调速技术，使水泵电机和冷却塔风机按照实际的需要，降低工作频率运行，实现变流量工作，这 就是水系统节能的基本原理。由于水泵、风机消耗的电功率与其工作频率的三次方成正比，即, 变频运行的节能效果是十分显著 的。寻求并建立水系统运行参数与主机制冷/制热效率之间的耦合关系，也就是通过优化空调主机的工况， 及时调节水系统的温度、流量，提高主机的效率，这就是主机节能的基本原理。中央空调系统潜在的节能空间为什么与工频运行时的温差大小有关？中央空调水系统节能的基本原理是：在保持流量与温差之乘积即转移的热量不变的前提下，用大温差、小流量代替工频时小温差、大流量工况，以大幅度地减少转移等量热量时的水

4、系统运输耗能（当然， 这里的大温差、小流量是有约束条件的）。若工频时，流量为 1，温差为 1，转移的热量=11=1。变频调速后，流量减小为 0.5，温差扩大为2，则转移的热量=0.52=1 不变；但水泵消耗的电功率则锐减至(0.5)3=0.125，节能效果是非常明显的 GB500192003采暖通风与空气调节设计规范6.4.1 条（2）空气调节冷水供回水温差：510， 一般为 5（其他国家的地区也常用较大设计温差，并在国内一些工程中使用例如建筑物取 69，区域 供冷为 810。考虑到我国目前制冷设备常用冷热量的名义工况，推荐为 5)。7.7.2 条（3）冷却水进出口温差应按冷 水机组的要求确定

5、：电动压缩式冷水机组宜取 5，溴化锂吸收式冷水机组宜为 57（当考虑室外气候条件可采用较大温差时，应与设备生产厂配合选用非标准工况冷却水 量的设备）。如某系统工频运行时冷却水温差均值为 3.5，则其潜在节能空间按(3.5/5)3=0.343 计，约 65.7%。中央空调及其节能1 空调空调，即空气调节，指使房间或封闭空间的空气温度、湿度、洁净度、气流速度等参数，达到给定要求 的技术。空调可分为舒适性空调和工艺性空调。 舒适性空调满足人的居住，工作和活动时对环境舒适性的要求。一般把冬季 1824,夏季 2228作为舒适性空调的标准。 工艺性空调满足生产、科研过程对环境空气参数的要求。工艺性空调对

6、温度变化范围、湿度、空气洁净度和气流速度等有特殊要求。1.1 空调作温度调节时的主要物理过程空调作温度调节时的物理过程的主线是热量转移。有时说冷量转移，实际上，冷量转移与热量转移是等价 的。（1）中央空调热季制冷时，热量转移的过程可示意如下。 室内空气中的热量，通过风机盘管传热作用转移到冷水中；冷水升温，室内空气降温。 制冷机消耗外部能量做功：把冷水中的热量搬移到冷却水中；冷却水升温，冷水降温。 冷却水中的热量，经冷却塔喷淋气化、风机吹风蒸发作用，转移到室外环境大气中；室外空气升温、湿 度加大，冷却水降温。需要说明的是： 空调运行时转移的是热量，不是携带热量的水和空气。室内空气并没有流到室外去

7、；冷水和冷却水是相 互隔离的。 冷却水带出的热量大于从空调室内移出的热量，其差额部分就是制冷机耗能做功产生的热量。 上述热量转移过程必须连续不断地进行，通道中任何一个地方都不能中断或消弱热量转移；否则，该处 就会因为热量堆积而引发故障。33热量转移的最终归属应该是一个可以无限吸纳热量的“无底洞”，通常就是环境大气和地下水。（2）中央空调冷季制热时，热量转移有两种方式。一种是先把煤、油、燃气的化学能转化为热能，再通过携带热量的热水，把热量经风机盘管转移到空调 室内。另一种是热泵方式。热泵是通过四通换向阀实现蒸发器与冷凝器功能互换的高效制热机。热泵消耗一部 分外界能量做功，把室外大气、地下水等较低

8、温度的低位热能，提升温度使之成为可以直接利用的高位热 能，然后通过携带热量的水或空气，把热量转移到室内空气中。（3）转移热量的计算热量转移时，如果工质（水）的相态没有变化，经传热器转移的热量 Q=kFt。式中，k=cp 为常数。c 为水的比热容，p 为水的比密度，F 为循环水的体积流量(m/s)，t 为流经传热器前、后水的温度差（）。循环水系统经传热器转移的热量取决于流量 F 和温差t 的乘积。这是以小流量、大温差代替大流量、 小温差转移等量热量的依据。1.2中央空调系统的耗能（1）运输耗能热能从高温物体传到低温物体是无需耗能，可以自发完成的。但对中央空调来讲，这种自发的过程无法实 用，必须对

9、携带热量的冷水、冷却水施加推动力，使之作快速的长程运输，这是用水泵、风机完成的。水 泵、风机的耗能，常称水系统耗能或辅机耗能。以压缩式制冷机为主机的中央空调系统，水系统耗能占系统总耗能的份额（平均值）约 27.5%。运输耗能的经济性指标是水输送系数，定义为提供给水系统的热（冷）量与输送水消耗电能量之比。（2）补偿耗能热力学第二定律指出，热量不可能自发地从低温物体转移到高温物体。要想完成上述热量转移，必须消耗 外界能量做功以作补偿。这种补偿耗能就是制冷机，热泵的耗能，也称主机耗能。制冷机补偿耗能的经济性指标是性能系数（COP）和能效比（EER），两者都定义为制冷量与净输入功率 之比，且净输入功率

10、都以 W 为单位。同一台制冷机，在制冷量和净输入功率相同的情况下，由于使用制冷量的单位不同，所得的经济性指标值 不一样。若以 kcal/h 为单位 COP=1 时，制冷量改用 W 为单位，则 COP=1.16;制冷量以 BTU/h 为单位，则 EER=3.97。 热效率为了 100%的一台 100KW 电炉，产生的热量是 100KW。一台效率为 100%、净输入电功率也为 100KW 的制冷机，其制冷量也是 100KW 吗？回答是否定的。压缩式制冷机消耗电能做功，实现人工制冷的逆卡诺循环，将热量从低温端搬移到高温端。开利离心式制 冷机，额定输入电功率为 211KW，制冷量为了 1055KW，C

11、OP=5。制冷机的制冷量总大于净输入功率， 这并不违背能量守恒定律。制冷机耗能用于搬移热量，并不是用于制造热量。 各种功、功率、冷量、热量单位的换算关系如下。1Cal（卡）=4.1868J（焦）,1kcal=10 cal=Cal（千卡，大卡）;1kW=860kcal/h=3412BTU/h,1BTU（英制热量）=1055J= 252cal;1HP（英制马力）=745.7W,1PS(公制马力)=735.5W; 1USRT(美国冷吨)=3.5169kW=3024kcal/h,1JRT(日本冷吨)=3.86kW=3320kcal/h,1BRT(英国冷吨)=3.923kW=3373kcal/h.2中央

12、空调中央空调也称集中式空调，用一台或几台制冷/制热机组集中供冷/供热，是集中进行空气处理、输送和分 配的空调技术。当空调房间数为 40500 间时，中央空调的耗能约为分散式空调的 63%74%。 按空气处理设备的不同，中央空调可分为集中系统：用风管集中进行空气的处理、输送和分配。半集中系统：各空调房间内的空气处理由各自的风机盘管完成。混合系统：即有集中系统，又有半集中系统。2.1中央空调系统2.1.1 大、中型中央空调系统，从布局上看，大致可分为三个部分。（1）空调机房制冷制热机组及其控制、辅助设备，低压配电柜，水系统的阀门，水泵、旁通阀、分水 箱、集水箱、各种传感器等等，通常被安装在一个机房

13、内，也称制冷制热站。（2）循环水管网其主体是分布在建筑物中的循环水管道，还有冷却塔，加压泵等。管网连通制冷制热机组与末端装置，制 冷制热机组与环境大气，是热量转移的通道。（3）末端装置半集中系统的末端装置多为风机盘管，二（三）通阀，装在空调房间内，实现管网中冷/热水和室内空气 间的热交换。末端装置还有新风机、排风机、空气过滤器、加湿机、去湿机等。2.1.2 中央空调系统，从功能上看，可分为另三个部分（1）（2）冷热源，即空调主机 冷/热水循环系统冷/热水循环系统为闭式系统，在最高处设置膨胀水箱，在机房内设置定压补水装置。a 按冷/热水管道的设置不同，冷/热水管网可分为：两管制：用同一套管网，热

14、季循环冷水，冷季循环热水，不能同时供冷又供热。三管制：供水管路为两套，分别供冷和供热，末端装置可选择用冷或用热；回水管路为同一套。 四管制：用两套不同的供、回水管路，分别供冷和供热。b按水流在末端装置中的路程不同，冷/热水管网又可分为：异程系统：水流经过各末端装置的路程不相等。 同程系统：水流经过各末端装置的路程相等。c 按有无加压泵，冷/热水管网还可分为：一次泵系统：只用一次泵推动冷水在用户装置与主机蒸发器之间循环。一、二次泵系统：一次泵推动冷水通过主机蒸发器循环，二次泵（加压泵）向用户提供冷水。冷/热循环水，从主机流出的，称供水；流入主机的，称回水。（3）冷却水循环系统冷却水系统，只在热季

15、制冷工况下才需运行。冷却水为开式系统，冷却塔与大气连通，需要经常补水。冷却水，从主机流出的，称出水；流入主机的，称进水。2.2 中央空调系统示意图图中， 主机为双台直燃型溴化锂吸收式冷热水机组，热季工况运行，主机在供冷的同时供给生活热水； 冷/热水循环系统为两管制，同程式，一、二次泵系统，一次泵二用一备，二次泵一用一备；冷却水泵二用一备；图中标注的参数为额定工况下的运行参数。3中央空调系统节能3.1 空调耗能的宏观态势和政府的节能方针目前，我国中央空调耗能己占建筑耗能的 60%以上，并有逐年上升的趋势。一些大、中城市空调用电占高 峰时段用电量的 35%以上。作为世界第二大能源消费国，国家发改委

16、在 2004 年发布了节能中长期专项规划。规划指出，“我 国单位建筑面积采暖能耗相当于气候相近发达国家的 2 至 3 倍”；“我国公共建筑和房住建筑全面执行节能 50%的标准是现实可行的；与发达国家相比，即使节能 50%后，仍有 50%的节能潜力”；“中央空调系统应 采用风机，水泵变频调速技术”。国家标准集中式空调系统经济运行（征求意见稿）指出，“为适应空调负荷的变化，对制冷压缩机、 水泵、风机应采用节能调节措施，如台数控制、变速装置等，不宜使用节流、旁路排放等方法”；“在满足 生产工艺和舒适性的条件下，合理降低建筑物空高的温、温度标准，适当增大供回水温差。”3.2 中央空调系统的节能空间传统

17、的中央空调系统的设计，以当地气象资料的极端条件为环境因素，以最大需冷（热）量为负荷因数， 再加上一定的安全系数，选择冷热源的容量和水系统的运输能力。并以此作为典型工况。这种典型工况与 实际工况相差甚远。据介绍，我国大多数宾馆的中央空调，全年之中有 70%以上的时间都运行在设计负荷的 50%以下。中央空调一开机，水泵和风机就 50Hz 满负荷情况下运行，而不管实际需要转移热量的多少。其结果是造 成水系统多数时间都在大流量、小温差下运行，既浪费了运输能量，还在制冷工况下加重了主机的耗能。 （1）中央空调系统潜在的节能空间，与工频运行时温差的大小有关。水系统节能的原理是：在转移等量热量的条件，以大温

18、差、小流量代替小温差、大流量工况，由于水泵、 风机消耗的电功率与流量的立方近似成比例，从而大幅度地降低转移等量热量时的运输耗能。如：工频运行时，设流量 F=1，温差 t=1，转移的热量 Q=KFt=1，水泵消耗的电功率 P=mF3=1（取 k=1m=1）；变频调速运行时，若 F=0.5，t=2，则转移的热量 Q=0.52=1，不变，而这时水泵消耗的电功率P=（0.5）3=0.125。（2）扩大温差、降低流量不能任意进行，是受约束的。 GB500192003 的推荐值是：冷水供回水温差一般为 5，热水供回水温差一般为了 10。 电动压缩冷水机组的冷却不进出口温差宜取 5。澳化锂吸收式冷水机组的冷

19、却水进出口温差宜取 57。如：某中央空调工频时冷却水温差的均值为 3.5，冷却水泵潜在的节能空间可按（3.55）3=0.343 计，约可节电 65.7%。（3）热季制冷工况下的大温差、小流量运行，有利于主机节能。冷水、冷却水系统，在流量不变即流速不变的情况下，水泵消耗的电能，没有用来增加水系统的动能和重 力位能，仅用以克服管阻做功，其最终会造成冷水、冷却水升温，这将加重制冷主机的负荷。而小流量运 行，可降低这部分有害的热量的产生。这是优化水系统运行参数能使主机节能的主要原因。（4）空调负荷侧的需冷/热量，与季节、气象、时段、昼夜、周日、客流等诸多因素有关，是随机变量。 若以 P。表示典型工况下

20、系统总的额定功耗，P（t）表示系统运行时实际需要的功耗，那末中央空调系统 理论上可节约的能量为P。-P（t）dt，即为下图中阴影部分的面积。中央空调水系统的自动控制自动控制是采用控制软、硬件使被控对象自动的按照给定规律运行。按控制目的不同，中央空调自动控制 有运行控制、保护控制、节能控制等。1 开环控制和闭环控制按系统中是否有被控变量反馈到输入端，控制系统可分为开环控制和闭环控制两大类。1.1 开环控制系统开环控制的输入量是预先给定的，不受输出量的影响，即没有反馈回路。原理框图如下：开环控制多用在控制要求不高，环境条件和系统参数比较稳定的场合。 手动变频调节循环水流量，是一个开环控制系统。手动

21、调节电位器电压（010V）作为参考输入量，变频器在输入电压控制下，自动变频变压，控制水 泵转速进而控制循环水流量。 简单编程控制循环水流量，也是一个开环控制系统。按不同的时段设置不同频率值，作为参考输入量，以后的控制过程同手动变频。1.2 闭环控制系统闭环控制有反馈回路，把被控变量反馈到输入端并与参考输入作比较，得到误差信号；误差信号加入控制 器；控制器按减小误差的方向改变被控变量。原理框图如下：闭环控制具有将误差减至最小的趋向，对环境条件和系统参数的变化有一定的抗干扰能力；但在有些情况 下，闭环系统的误差校正作用，会导致系统不稳定。 用压差传感器测得的冷水供回水压差，控制旁通阀开度，是一个闭

22、环系统。设参考输入值为 Po；当压差传感器测得的实际压差即反馈信号 PPo 时，误差信号有输出，控制旁通阀 电机向开度加大方向转动，使 P=Po。 冷却塔风机的开/停控制，也是一个闭环系统。设参考输入值为温度 T1、T2。当温度传感器测得的实际冷却水进水温度即反馈信号 TT2 时，误差信 号有输出，接通冷却塔风机；TT1 时，误差信号无输出，关闭风机；T1TT2 时，按 T 的正负选择开 启或不开风机。 循环水自动变频调速节能控制，是一个典型的闭环系统。设参考输入值为温差 to。反馈环节为两个温度传感器测得的实际水系统温差 t；误差信号 e=t-to； 控制器为 I/O 模块、智能控制模块、控

23、制算法和变频器；控制器按减小误差的方向改变水泵转速，进而改 变流量，控制温差=to。2 对控制系统的基本要求2.1 稳定性系统要能正常工作，首先必须是稳定的。处于平衡工作状况的系统，受到外部环境变化（如温度、湿度变化，负荷量变化）或系统参数变化（如模 拟电路工作点偏移）等作用时，经过一段暂态过程，能恢复平衡状态或建立新的平衡状态，则系统是稳定 的。对稳定系统来讲，在动态过程中，允许发生振荡现象，但振荡幅度必须是逐渐衰减的，振荡过程不能很长。 在闭环系统中，被控系统和控制元件的时延，是产生不稳定的根源。2.2 精度（准确度）系统精度用稳态误差表征，定义为系统响应的稳态值与期望值之差。 系统开环增

24、益较大时，精度较高。 提高系统精度时，有可能使系统不稳定；提高系统稳定性时，有可能降低精度。 2.3 瞬态响应（快速性）系统输入阶跃信号时，输出量随时间的变化曲线称瞬态响应。实际控制系统的瞬态响应，多数为如图的阻尼振荡过程。用延迟时间 和超调量 反映系统的快速性。 延迟时间 定义达到稳态值所需时间。系统惯量越大， 值越大，系统响应越迟钝。 超调量 定义为响应曲线最大值与稳态值之差，常用百分比表示，=（最大值稳态值）/稳态值 。合 适的超调量是一个快速响应系统必须的。2.4 稳健性一个控制系统，如果具有低的灵敏度和良好的抗干扰性，称为是稳健的。 这里的灵敏度指系统参数改变对系统响应的影响。闭环系

25、统的灵敏度低于开环系统，稳健性较好。 抗干扰性指系统在外界干扰（如电磁干扰，温度短暂上升干扰）时，能对干扰影响加以抑制，而对有用 信号，仍能迅速、准确响应的能力。2.5 控制系统的稳定性、准确性、快速性和稳健性要求常常是互相矛盾的，需要折衷处理，或有所侧重。 3 PID 控制在闭环系统中，按误差信号的比例、积分和微分量进行控制，称 PID 控制。当被控制对象的精确数学模型难以建立，系统参数经常变化时，应用 PID 控制方式，可以得到较为满意 的控制效果。PID 控制得到广泛应用。3.1 连续时间 PID 控制 控制器输入输出关系式为：u（t）=Kpe（t）+1/Tie（t）dt+Td de（t

26、）/dt拉氏变换式为：U(s)=KpE(s)+Ki E(s)/s+KdsE(s)传递函数为：U(s)/E(s)=Kp+Ki /S+Kds结构图如下： Kp 为比例系数比例控制能迅速改变误差大小，在调整初期起主要作用。比例控制只能减小误差但不能最终消除误差，比例系数过大可能会引起不稳定。 Ki 为积分系数ki=kp/Ti Ti 为积分时间常数。积分控制因累积特点在控制后期起主要作用，可提高控制精度。积分作用过强，会加大超调量，甚至出现振荡；降低积分作用，会使消除静态误差的过程变慢，但有利 于提高稳定性。 Kd 为微分系数Kd=KpTd，Td 为微分时间常数。微分控制是一种超前控制，用以减小误差的

27、扩大，主要作用是降低系统调整时间。微分控制只对快变化敏感，在系统稳态运行时不起作用。 选择合适的 kp、ki 和 kd 三个参数，是 PID 控制能否实际应用的关键。3.2 数字增量式 PID 控制（1） 数字 PID 控制，指对随时间连续变化的模拟量输入信号作离散采样处理，即用 A/D 变换器变换为 数字量信号；控制器处理数字信号；控制器输出的数字信号，再用 D/A 变换器变换为模拟量信号送给执 行装置。数字 PID 控制器无须模拟电路完成信号加减、比例放大、积分、微分等运算。（2） 增量式 PID 控制器的输出是控制量的增量。增量控制具有抗积分饱和的优点，即在计算积分作用时， 不必计算偏差

28、的累积和；增量控制使手动状态切换到自动控制状态时，无须初始化；因控制误动作造成的 影响较小。（3） 数字增量式 PID 控制算式是：u(k)=Kpe（k）-e（k-1）+Kie（k）+Kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)式中，kp、ki、kd 分别为比例、积分、微分系数；ki=kpTs/Ti，Ts 为采样周期，Ti 为积分时间常数；kd=kpTd/Ts，Td 为微分时间常数；u(k)为控制器当前的增量输出；e(k)为当前采样周期的误差；e(k-1)，e(k-2)分别为前一个、前两个采样周期的误差。（4）改进型数字式 PID 控制 系统在启动、停止或给定值大幅变化时，短时间内会出现大偏差，

29、加上系统本身的迟延，在积分项作用下，会造成过量超调和振荡。为此，可采取积分分离方法，即：e（k） A，取消积分作用，为 PD 控制；e（k） A，引入积分，为 PID 控制。A 为设定值。为避免系统频繁动作以及因此引起的不良后果，可采用不灵敏区的控制方法，即： u(k)= u(k)，当|e(k)|B；u（k）=0，当|e（k）|B.B 为不灵敏区宽度。3.3 PID 控制参数的整定(1)工程上常用试凑法整定 PID 参数被控量是温度时，可按 Kp=1.65，Ti=310min，Td=0.53min 先行设置。然后观察系统实际运行的响应曲线，按比例、积分、微分的次序反复试凑，直至满意。 （2）工

30、程上常用的另一种方法是响应曲线法 在系统阶跃响应曲线的拐点处，作切线，求出等效延迟时间 和等效时间常数 Tm，如图示。按下表，求得各参数。（T 为采样周期）投入运行，观察效果适当修正。4 模糊控制PID 控制难以胜任非线性、时变的复杂系统的控制。模糊控制是一种模仿人的思维方式和控制经验，避开 数学模型，从控制经验中提炼出控制规则的一种语言变量控制器。4.1 模糊控制系统结构框图（1）模糊控制系统是一个闭环系统。模糊控制是一种精确控制。其输入是具有确定值的清晰偏差量 e，其输出也是具有确定值的清晰输出量 u；u 的控制作用使偏差 e 尽量减小。（2）模糊控制器通过三个功能块完成控制功能。 模糊化：将输入误差量的确定值转换为模糊语言变量。如 e=+1.0，e=+0.2；模糊语言变量为：偏差为 正，偏差值为中等，偏差趋势为继续在正的方向上增大，增大速度为中等。 模糊推理与规则库：以控制经验和过程知识编制的推理语句为规则库，以模糊化后的输入量模糊语言变 量为条件依据，推出模糊化命题为推理结论。如输出量应为负，数值中等略大。 清晰化：将模糊推理得到的模糊语言，转换为控制用的确定数字值。如 u=-2.0。4.2 速度型