中央空调系统节能单元强耦合机理分析与“慧节能”系统全局优化策略

引言

中央空调系统是由冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等多个子系统构成的强耦合非线性复杂系统。在实际运行中，各单元之间通过热力学参数（温度、压力、流量）形成紧密的相互制约关系。这种耦合性导致针对单一设备的节能措施往往难以独立奏效——某一单元的节能收益可能被其他单元增加的能耗所抵消，甚至引发系统整体能效的恶化。

本文从热力学基本原理出发，建立各单元间的数学关联模型，量化分析耦合作用对系统能耗的影响机制，并提出“慧节能”系统基于系统综合能效比（SCOP）的全局优化控制策略。

一、中央空调系统能耗结构分析

中央空调系统的总能耗由多个子系统构成，其典型占比分布如下：

• 冷水机组：60% – 80%（核心能耗单元）
• 水泵系统（冷冻+冷却）：10% – 25%
• 冷却塔风机、末端风机盘管：10% – 15%

这一结构表明：冷水机组的运行效率对系统整体能耗具有决定性影响，任何节能策略都应以保障主机高效运行为前提。

二、制冷循环的热力学基础

冷水机组的制冷循环可基于压焓图进行热力学分析。其制冷系数（Coefficient of Performance, COP）定义为：

$$COP=\frac{{Q}_{0}}{{P}_{comp}}=\frac{{h}_{1}-{h}_{4}}{{h}_{2}-{h}_{1}}$$

其中：

• ${Q}_{0}$：制冷量（kW）
• ${P}_{COMP}$：压缩机输入功率（kW）
• ${h}_{1}$：蒸发器出口（压缩机入口）制冷剂焓值（kJ/kg）
• ${h}_{2}$：压缩机出口（冷凝器入口）制冷剂焓值（kJ/kg）
• ${h}_{4}$：节流阀后（蒸发器入口）制冷剂焓值（kJ/kg）

COP值受蒸发温度${T}_{e}$和冷凝温度${T}_{c}$的直接影响：

• 蒸发温度升高，${h}_{1}$增大，单位制冷量增加，COP提高
• 冷凝温度升高，${h}_{2}$增大，压缩功增加，COP降低

工程估算关系：

• 蒸发温度 ${T}_{e}\approx{T}_{chw,out}-(4∼5)℃$（${T}_{chw,out}$为冷冻水出水温度）
• 冷凝温度 ${T}_{c}\approx{t}_{cw,in}+(8∼10)℃$（${T}_{cw,in}$为冷却水进水温度）

三、单元间耦合作用量化分析

3.1 冷却侧节能与主机效率的耦合关系

冷却水泵变频改造的核心原理是依据实时散热需求动态调节水流量，降低水泵功耗。水泵功耗与流量的关系遵循相似定律：

$$\frac{{P}_{pump}}{{P}_{comp,0}}={\left( \frac{n}{{n}_{0}} \right)}^{3}\approx{\left( \frac{{Q}_{w}}{{Q}_{w,0}} \right)}^{3}$$

其中$n$为转速，${Q}_{w}$为冷却水流量。理论上，流量降低20%，水泵功耗可降低约50%。

然而，冷却水流量的降低将导致冷凝器换热系数下降，使得冷凝温度升高。冷凝温度与功耗的关系可近似表达为：

$$\frac{{P}_{comp}}{{P}_{comp,O}}\approx1+{K}_{c}⋅\Delta{T}_{c}$$

根据工程统计数据，系数${K}_{c}\approx0.02∼0.03/℃$，即冷凝温度超出合理范围每升高1℃，主机功耗增加2%-3%。

量化分析示例：

• 假设冷却水泵变频使流量降低20%，水泵节电率约50%
• 但因此导致冷凝温度升高2℃，主机功耗增加约5%
• 冷却水泵能耗按最大占比15%计算
• 若主机原能耗占系统60%，则系统总能耗变化为：

$$\Delta{E}_{total}=(-50\%\times15\%)+(+5\%\times60\%)=-7.5\%+3\%=-4.5\%$$

即水泵的显著节电被主机增耗部分抵消，净节电率仅4.5%。

3.2 冷冻侧节能与主机效率的耦合关系

3.2.1冷冻水泵的两种主要控制策略

在中央空调冷冻水系统中，水泵的变频控制主要有两种策略[2][4]：

（1）温差控制

依据冷冻水供回水温差$\Delta{T}_{chw}$调节水泵频率。温差与流量的关系为：

$$\Delta{T}_{chw}=\frac{{Q}_{0}}{{c}_{p}⋅\rho⋅{Q}_{chw}}$$

其中${c}_{p}$为水比热容，ρ为水密度，${Q}_{chw}$为冷冻水流量。当负荷${Q}_{0}$降低时，若保持流量不变，温差将减小；变频控制的常规策略是减小流量以维持设定温差，从而降低水泵功耗[2]。该控制方式较适合于风机盘管加独立新风的空调系统[2]。

（2）压差控制

依据供回水压差ΔP调节水泵频率，包括两种具体方案[1][4]：

• 冷源侧供回水总管压差控制：压差测点设置在制冷站集水器与分水器之间
• 最不利末端压差控制：压差测点设置在最远端空调末端的供回水管路

压差控制具有响应迅速、控制精度高的优点，但其设定值难以精确确定，且由于压差设定值固定，当流量趋近于零时压差不趋于零，节能效果可能受到影响[5]。

温差控制与压差控制的对比[5]：

控制方式	优点	缺点	适用场合
温差控制	负荷跟踪性好，节能效果明显	温度变化滞后，响应慢	负荷变化平缓的系统
压差控制	响应迅速，控制精度高	设定值难确定，低流量时节能效果打折	负荷波动频繁的系统

工程实践中，常采用串级控制将两者结合，以温差控制为主回路（外环），压差控制为副回路（内环），兼顾响应速度与节能效果[5]。

3.2.2 控制策略对主机效率的耦合影响

无论采用温差控制还是压差控制，过度降低冷冻水流量都会削弱蒸发器换热效率，导致蒸发温度下降。蒸发温度与主机功耗的关系为：

$$\frac{{P}_{comp}}{{P}_{comp,0}}\approx1-{K}_{e}⋅\Delta{T}_{c}$$

其中${K}_{e}$为负值，即蒸发温度下降将增加功耗。

研究数据表明：当冷冻水流量降至设计值的60%时，主机COP下降幅度约9%以内[2]。考虑极端情况：

• 冷冻水泵节电率：$(1-{0.6}^{3})\times100%=78.4%$
• 水泵能耗占比：15%

主机增耗：9%，主机能耗占比：60%

系统净节电率：

$$\Delta{E}_{total}=\left( 78.4\%\times15\% \right)+\left( -9\%\times60\% \right)=11.76\%-5.4\%=6.36\%$$

尽管节电率被削弱，但系统整体仍为正收益。

四、“慧节能”系统全局优化数学模型

4.1 系统综合能效比（SCOP）定义

为克服单元间耦合带来的评估困难，应采用系统综合能效比（System Coefficient of Performance, SCOP）作为核心评价指标：

$$SCOP=\frac{\sum{Q}_{0}}{\sum{P}_{total}}=\frac{累计制冷量}{冷水机组功耗 + 冷冻水泵功耗 + 冷却水泵功耗 + 冷却塔功耗}$$

对于变工况运行，季节能效比（Seasonal COP）可更准确反映实际运行效率：

$${SCOP}_{seasonal}=\frac{\sum_{{i=1}}^{{n}} ({Q}_{0,i}⋅{t}_{i})}{\sum_{{i=1}}^{{n}} ({P}_{total,i}⋅{t}_{i})}$$

其中${t}_{i}$为第$i$种工况的运行时间占比。

4.2 全局优化目标函数

“慧节能”系统的优化目标可表述为：在满足末端负荷需求的前提下，最大化系统综合能效比，即：

$$max⁡SCOP=\frac{{Q}_{load}(t)}{{P}_{chiller}({T}_{e},{T}_{c},PLR)+{P}_{chwp}({Q}_{chw})+{P}_{cwp}({Q}_{cw})+{P}_{ct}({Q}_{air})}$$

约束条件：

• 冷冻水流量范围：${Q}_{chw,min}\leq{Q}_{chw}\leq{Q}_{chw,max}$
• 冷却水流量范围：${Q}_{cw,min}\leq{Q}_{cw}\leq{Q}_{cw,max}$
• 蒸发温度下限：${T}_{e}\geq{T}_{e,min}$（防冻保护）
• 冷凝温度上限：${T}_{c}\leq{T}_{c,max}$（高压保护）
• 主机部分负荷率范围：${PLR}_{min}\leq{PLR}\leq1$

4.3 协同控制策略

基于上述模型，“慧节能”系统采用主机优先、动态协同的控制逻辑：

• 主机效率优先：在部分负荷条件下，优先保障主机运行在高效区间（通常PLR=70%-90%）
• 冷却侧协同：动态调节冷却水流量，使冷凝温度维持在设定目标值附近，而非单纯追求冷却水泵最低功耗
• 冷冻侧协同：依据主机实时COP曲线，优化冷冻水流量设定值，在“水泵节电”与“主机增耗”之间寻找最优平衡点

五、耦合条件下的节电率评定方法

5.1 测试条件标准化

在节能效果测试期间，严格限制人为干预，确保能耗变化仅来源于“慧节能”系统的介入[10]。

5.2 系统能效综合评定法

借鉴分项计量理念，在具备独立计量能力的项目中，同步记录系统总能耗及各单元分项能耗，聚焦于系统总节电率与SCOP提升率：

$$系统节电率=\frac{{E}_{base}-{E}_{save}}{{E}_{base}}\times100%$$

$$SCOP提升率=\frac{{SCOP}_{save}-{SCOP}_{base}}{{SCOP}_{base}}\times100%$$

其中${E}_{base}$和${SCOP}_{base}$为基准期（“慧节能”系统未介入）的总能耗与系统能效比，${E}_{save}$和${SCOP}_{save}$为测试期（系统介入）的对应值。

该方法将单元间的耦合影响内部化，其结果更具综合性与说服力。

结论

中央空调系统的节能改造必须从热力学机理和系统全局出发，尊重单元间的强耦合关系，避免单一设备导向的片面策略。冷冻水泵的控制存在温差控制与压差控制两种主流方式，各有优缺点，工程中常采用串级控制实现优势互补[5]。本文通过建立数学模型与量化分析，揭示了冷冻/冷却侧节能与主机效率之间的相互制约机制，并提出了以SCOP最大化为目标的全局优化控制策略。”慧节能”系统通过主机优先、动态协同与综合能效评价三大核心技术，有效应对耦合干扰，实现系统整体能效的持续优化。结合科学的测试与评定方法，其节能效果将更具可信度与推广价值。

参考文献

[1] 刘新民. 基于安全与高效的空调水循环泵选型方法与控制策略浅析[J]. 暖通空调, 2024, 54(1): 95-105.

[2] 李彬. 一次泵变流量水系统控制技术的研究[D]. 山东建筑大学, 2006.

[3] 武汉科技大学. 一种中央空调一次冷冻泵变频控制系统及其控制方法[P]. CN115597133B, 2024.

[4] 朱明杰. 空调冷冻水系统的运行控制策略[D]. 同济大学, 2007.

[5] 电子产品世界. 基于LabVIEW的空调水系统控制研究及仿真[J]. 2011.

[6] Eurovent Certification, “Understanding SEER and SCOP”, 2023.

[7] 制冷快报, “制冷系统压力、温度、制冷量、功耗怎么算”, 2018.[8] 广西大学, “中央空调系统精细化能流建模及需求响应潜力评估研究”, 2024.

[9] Alves et al., “Measurement and classification of energy efficiency in HVAC systems”, Energy and Buildings, 2016.

[10] T/ACCEM 023-2024《中央空调节能效果评价导则》