中央空调节能运行控制系统KT-CCS

一、中央空调系统及节能潜力

1.1中央空调系统组成

中央空调又称集中式空调和半集中式空调，是将冷热源转化为冷热风并执行相关空气处理的装备。主要设备包括中央空调主机、末端装备以及相关的配套装备。

（1）中央空调主机

中央空调主机是产生冷（热）源的装备，主要型式有活塞式冷水机组、螺杆式冷水机组、离心式冷水机组、溴化锂吸收式冷热水机组、风冷式冷热水机组、水源热泵机组和工商用单元式空调机组等。根据中央空调主机压缩机的类型和工作原理的不同，中央空调主机又可分为螺杆式、离心式、活塞式、溴化锂吸收式。

（2）中央空调末端装备

中央空调末端装备，主要包括组合式空调机组、风机盘管、水管、风管、冷却塔、阀门等。

1.2 中央空调的分类

（1）根据中央空调所需能源的不同，可分为用热型中央空调和电制冷型中央空调。具体含义如下：

1）用热型

燃油、燃煤、燃气产生热能使中央空调机组正常工作，包含直燃型溴化锂吸收式冷热水机组和蒸汽/温水型溴化锂吸收式冷热水机组。用热型中央空调通常运用于燃油、燃气、燃煤供应充足、成本较低，且电力较为紧缺或用电成本相对较高的地区

2）用电型

电能使中央空调机组正常工作，包含螺杆式、活塞式、离心式等其他电制冷（热）型的中央空调机组。

（2）根据中央空调冷热负荷输送介质的不同，可分为全空气式系统、全水系统、空气-水系统、冷剂系统四种类型。

1）全空气系统

是指冷热负荷的输送均由经过处理的空气来承担；

2）全水系统

该系统特性是风机盘管不加新风；

3）空气—水系统  空气—水系统的特性是其风机盘管加新风；冷剂系统是指制冷的蒸发器直接放在室内吸收热湿负荷。

1.3 中央空调系统工作原理

1.3.1中央空调主机

主机部分由压缩机、蒸发器、冷凝器及冷媒（制冷剂）等组成，其工作原理如图所示。

低压气态冷媒被压缩机加压进入冷凝器并逐渐冷凝成高压液体。在冷凝过程中冷媒会释放出大量热能，这部分热能被冷凝器中的冷却水吸收并送到室外的冷却塔上，*终释放到大气中去。随后冷凝器中的高压液态冷媒在流经蒸发器前的节流降压装置时，因为压力的突变而气化，形成气液混合物进入蒸发器。冷媒在蒸发器中不断气化，同时会吸收冷冻水中的热量使其达到较低温度。*后，蒸发器中气化后的冷媒又变成了低压气体，重新进入了压缩机，如此循环往复。

1.3.2 冷冻水循环系统

从主机蒸发器流出的低温冷冻水，由冷冻泵加压送入冷冻水管道（出水），进入室内进行热交换，带走房间内的热量，*后回到主机蒸发器（回水）。室内风机用于将空气吹过冷冻水管道，降低空气温度，加速室内热交换。

1.3.3冷却水循环系统

该部分由冷却泵、冷却水管道、冷却水塔及冷凝器等组成。冷冻水循环系统进行室内热交换的同时，必将带走室内大量的热能。该热能通过主机内的冷媒传递给冷却水，使冷却水温度升高。冷却泵将升温后的冷却水压入冷却水塔（出水），使之与大气进行热交换，降低温度后再送回主机冷凝器（回水）。

1.4 中央空调系统节能潜力

中央空调对使用单位来说是耗电较大的设备，在有些商厦中，空调耗电占到总用电量的60%左右，因此中央空调的节能具有较大的经济效益。

（1）中央空调系统在设计时，一般是按当地*热天气时所需的*大制冷量来选择机型的，并且留10％～20％设计余量。然而，实际上绝大部分时间空调不会运行在满负荷状态下，因此存在较大的富余，中央空调系统的部分节能潜力就来自于此。

（2）由于冷热负荷随气温变化而变化，所以中央空调系统的冷冻主机应该根据负载变化随时加载或减载，而冷冻水泵和冷却水泵也应随负载变化作出相应调节，否则就会造成很大的浪费。在中央空调系统中，冷冻水泵和冷却水泵的容量是根据建筑物*大设计热负荷选定的，且留有一定的设计余量。为了适应负荷变化，通常采用节流或回流的方式来调节流量，因而产生大量的节流或回流损失，且对水泵电机而言，由于仍在工频下全速运行，因此造成了能量的浪费。

（3）中央空调机组和众多的风机盘管，随时都在调节过程中，冷冻水使用量也处在不断变化的过程中。如果没有自控措施，系统压力会很不稳定，甚至使系统不能正常工作。一般传统做法是在冷冻水的分水缸和集水缸之间加装一套压力旁通控制装置，水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成。这样做，虽然也能解决压力平衡问题，但很不经济，不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能，而且还造成中央空调*末端达不到合理效果的情况。

（4）由于水泵采用的是Y—△ 启动方式，电机的启动电流均为其额定电流的5～7倍，一台90kW电动机的起动电流可达到500A以上，在如此大的电流的冲击下，接触器、电动机的使用寿命会大大下降，同时，起动时的机械冲击和停泵时水锤现象，容易对机械零部件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、备件费用。

综合以上原因，为了节约能源和费用，需对中央空调系统进行节能改造，以便达到节能和延长使用寿命的目的。

二、中央空调运行节能控制系统（KT-CCS）

中央空调系统是具有系统强惯性、大滞后等特点，其过程要素之间存在着严重的非线性、大滞后及强耦合关系。对这样的系统，无论用经典的PID控制，还是现代控制理论的各种算法，都很难实现较好的控制效果。

中央空调运行节能控制系统（KT-CCS），是针对各类中央空调系统而研发的综合节能治理系统。该系统以计算机、PLC、变频器、传感器等硬件为核心，集成了闭环控制技术、PID运算、模糊技术和人机整合技术，以中央空调系统主机变负荷运行为基点，对冷冻水循环、冷却水循环、冷却塔及新风处理等系统进行全面的优化调节，使中央空调系统运行在*佳状态，从而节省大量电能。

2.1中央空调运行节能控制系统（KT-CCS）的组成

中央空调运行节能控制系统（KT-CCS）由中央空调主机调节、冷冻水调节、冷却水调节、新风调节、数据采集等子系统组成。通过对中央空调系统运行参数的监测，结合室温和末端温度的变化，控制中央空调系统变负荷运行，达到保证制冷（热）质量、降低电能消耗的目的。

KT-CCS系统组成示意图见图2-1。

2.2 中央空调主机（冷水机组）调节子系统

中央空调主机压缩机按照其额定制冷量和制冷效率，一般的额定输入功率从100kW到1000kW。冷水机组的目的是产生低温（7℃）的冷冻水，所以供（出）水温度的高低直接影响到机组的负荷。而末端空气处理机启动的多少也会影响冷冻水的回水温度。

对于压缩机单机容量和台数已确定的中央空调机组，按照便于能量调节和适应制冷（热）对象的工况变化等因素进行制冷（热）功率输出调节，是中央空调主机节能的关键。

KT-CCS的空调主机调节，由下列方法实现：

（1）在制冷（热）机组的冷量调节中，引入变频变容量调节技术。

（2）采用先进的制冷剂流量控制技术，精确控制蒸发温度。

（3）对于主机自身没有冷量调节功能的制冷（热）机组，采取多台压缩机分级制冷（热）和变频变容量调节技术。

（4）对于大型制冷（热）机组一般都具有冷量调节装置，制冷（热）机组的制冷（热）量可随冷负荷的要求而变化。制冷机组的的冷量调节，除吸收式以外，均是在不改变制冷（热）工况的前提下，通过改变压缩机的输气量，进而改变供液量以调节蒸发器产冷量。如表2-1 所示。

上述冷量调节过程中，随着环境温度和末端室温的变化，压缩机仍存在精细调节的空间。表2-1中，活塞式、离心式压缩机的制冷（热）调节，都是以节流方式进行的，并未改变压缩机功率。通过变频变容量调节，可快速、准确地调整压缩机频率，使压缩机时刻处于*佳运行状态，以节省因频繁起动时，为保证正常的制冷（热）循环、建立冷凝、蒸发压力差所消耗的功率。

2.3 中央空调从动系统的节能调节

中央空调从动系统由冷冻水循环系统、冷却水循环系统及冷却塔风机系统等部分组成，如图2-2所示。功率配置一般为：

（1）冷冻水循环系统  循环动力来自冷冻泵，其功率一般在11kW到132kW。

（2）冷却水循环系统  循环动力来自冷却泵，其功率一般在11kW到132kW。

（3）冷却塔系统  为冷水降温提供风力，风机功率一般在3kW到15kW。

当制冷（热）机的负荷发生变化时，冷冻水、冷却水的需求量和冷却塔的冷却风量也将发生相应的变化，必须做出相应的调节。

由于水循环系统动力来自于交流电机拖动的泵类机械，按照传统设计，这些泵类机械均运行在定流量状态，不能根据负荷的变化来调速运行，因此浪费大量电力。本系统采用变频调速技术来控制中央空调从动系统，通过改变泵类设备的转速（即改变流量），跟踪需求，更好地解决压差平衡，大大地节约电能损耗。

2.4数据采集及控制单元

数据采集及控制单元，可根据动态过程特征识别，基于模糊控制理论自适应地调整运行参数，实现中央空调水系统真正意义上的变温差、变压差、变流量运行，使控制系统具有高度的跟随性和应变能力，以获得*佳的控制效果。

（1）对冷冻水循环系统的控制

数据采集及控制单元采用了模糊预测算法，当环境温度、空调末端负荷发生变化时，各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至控制及数据处理单元，依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，实时预测计算出末端空调负荷所需的制冷（热）量，以及各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量的*佳值，并以此调节各变频器输出频率，控制冷冻水泵的转速，改变其流量，使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量运行在*优值。

KT-CCS系统对冷冻水系统采用了输出能量的动态控制，实现了空调主机冷媒流量跟随末端负荷的需求供应，使空调系统在各种负荷情况下，都能既保证末端用户的舒适性，又*大限度地节省了系统的能量消耗。

（2）对冷却水循环系统及冷却塔风量的控制

KT-CCS系统对中央空调冷却水及冷却塔风量的调节采用模糊优化的控制方法，当环境温度、空调末端负荷发生变化时，中央空调主机的负荷率将随之变化，系统的*佳转换效率也随之变化。控制单元在动态预测控制冷媒循环的前提下，依据所采集的空调系统实时数据及系统的历史运行数据，计算出冷却水*佳进、出口温度，并与检测到的实际温度进行比较，动态调节冷却水的流量和冷却塔风量，使系统转换效率逼进不同负荷状态下的*佳值，保证中央空调系统在各种负荷条件下，均处于*佳工作状态，从而实现中央空调系统能耗*大限度的降低。

三、中央空调运行节能控制系统的效能

3.1 KT-CCS系统的应用效果

（1）运行安全、稳定、可靠，功能指标到达设备技术要求；

（2）直观显示运行参数、自动化程度较高，能及时、准确地自动跟踪末端空调负荷运行；

（3）实现了空调泵组的软启动、软停止、运行平滑稳定，较大地改善了设备的启停性能和运行磨损；

（4）系统具有强大的管理功能和安全保护功能，确保整个空调系统优化、安全的运行；

（5）实现了中央空调系统*大限度的节能，系统（主机、冷冻水泵、冷冻水泵、冷却塔风机）综合节电率达25%以上。

3.2 节能效果举例

某大酒店空调使用面积48000M2，空调总制冷量1800冷吨，共设有4台空调机组，单位面积设计制冷量250W/m2，中央空调系统原设计为定流量运行，无自动控制系统和BA系统。节能改造前，该项目年耗电220万kW.h，电费185万元。

1）原中央空调系统设备配置

2）节能效益

实施节能改造后，每年节约电量54万kW.h，每年减少电费支出45万元人民币（系统综合节能率25%，综合电价按0.848元/kW.h计算）。

按照行业标准折算，即每年可节约216吨标准煤，每年可减排：

CO2  排放：540000*900/106= 486吨；

SO2  排放：540000*11/106  = 5.94吨；

N2O3排放：540000*3/106   = 1.62吨；

由此可见，节能改造的实施不仅节约了大量的能源，还减少了煤炭燃烧所产生的废气排放和温室气体排放，对环境保护起到了巨大的作用。

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