中央空调冷凝热回收负荷调节与系统控制

孟富春 董明


摘要：本文讨论了热泵应用于空调冷凝热回收系统中的控制问题，进行了下列问题的讨论：系统连接、负荷调节策略、机组启闭顺序、传感器和执行器以及以一个设定参数为例的运行模拟。
关键词：冷凝热回收 连接方式 控制策略 运行模拟

冷水机组在运行时要通过冷却水系统排出大量的冷凝热，在制冷工况下运行，冷凝热可达制冷量的1.15~1.3倍，这部分热量都是通过冷却塔散到室外；同时，很多建筑物中都有生活热水的需求，这部分生活热水一般是通过燃煤、燃油或燃气锅炉来获得，能源利用效率很低。但由于冷水机组的冷凝热品位较低，不能直接当成生活热水使用，需要采用热泵来提高其品位，就成为热泵式空调冷凝热回收系统。采用空调冷凝热回收制取生活热水的方式，需要改造原有空调系统的冷却水回路，如果系统流程设计不合理，运行控制管理不够适合，可能会造成原有空调系统的工况紊乱，同时也无法满足制取生活热水的要求，本文特对这种节能系统的控制提出一点看法，以更好的发挥该种系统的优势，同时确保原有空调系统的安全运行。

1. 空调冷凝热回收系统简介


板换预热
热泵
给水水箱
15℃
生活热水箱65℃
给水泵
循环泵
图1 冷凝热回收系统组成简图
制冷机
冷却塔
30℃
37℃
32℃
℃
32℃
℃
热水循环泵

上图中，制冷机出来的冷却水不再全部进入到冷却塔中，而是有一部分分流到板式换热器和热泵中，分别用来加热生活热水的给水和作为热泵的低温热源，降温后再到冷却塔中（根据实际情况调整连接方式，见下文）。
当水箱水位不足时，启动给水泵，给水在板式换热器中与冷却水发生换热，得到预热后进入到热泵前与来自生活热水箱的水混合，然后进入到热泵中升温，上图所示是一个补水过程，此时生活热水箱的温度会逐渐降低，当补水过程结束后，生活热水箱中的水不断被循环泵打入到热泵中，水温得以持续升高，我们可以设定一个温度限，例如65°C，此时，热泵和循环泵都关闭，直到水箱水位下降后启动下一个补水周期。
经过良好设计的系统可以确保即使在最不利时，从生活热水箱出来的热水温度也不会低于50°C，这主要取决于水箱大小、热泵容量以及补水泵和循环泵的大小，总之取决于系统设计。



2. 热水系统与冷却塔的连接方式
原有的空调系统中，冷却水从制冷机出来后直接送到冷却塔就可以了，但采用冷凝热回收后，就要有一部分冷却水需要送到制取热水的装置中，根据冷却负荷以及热水负荷的关系，在板换、热泵与冷却塔之间有三种连接关系，分别是串联、并联和串并联，如下图所示：
板式换热器
热泵机组
冷却塔
37°C
32°C
一、串联方式
板式换热器
热泵机组
冷却塔
37°C
32°C
二、并联方式
板式换热器
热泵机组
冷却塔
37°C
32°C






板式换热器的作用是将生活热水补水的温度尽可能地提高，热泵机组的作用是把经过板式换热器换热后的给水温度提升到生活热水规定的出口温度。如果生活热水蓄热水箱足够大，板式换热器和热泵机组需要不间断地运行，那么采用串联方式就是很好的，一般来说板换和热泵的总负荷需求都小于冷却负荷，所以冷却水在经过热水装置后还必须要进入到冷却塔中，将冷却水温度进一步降温达到32度的额定标准。
当热水装置的负荷需求本身不够大的时候，此时板换和热泵机组是间歇运行方式，或者利用夜间廉价电力以降低成本，此时可以采用并联方式或串并联方式，以进行灵活的负荷调节。区别在于，并联方式下，板换和热泵的设计出口温度必须是32度，对设计有一定的要求；

3. 各种连接方式下的负荷调节策略
串联方式下，调节的关键在于控制冷却塔的出口温度，可以通过调节冷却塔的风扇控制冷却塔出口温度以避免冷却水温过高，造成制冷机效率的下降。同时通过阀门调节来分配板式换热器和热泵的流量供应，使各自的参数符合设计要求。
并联方式下，可以在板式换热器和热泵热源侧加设电动调节阀门以确保冷却水出口温度为32度，热泵自身的调节实际是比较复杂的，如果采用螺杆机组，热泵调节负荷的方式是根据热泵出口温度（例如设定为65度，或设定为热泵入口温度增加5度）的变化，改变压缩机的滑阀，及调节电子膨胀阀的膨胀量，此时从蒸发器中吸收的热量发生变化，就会导致冷却水出口温度变化，为了保证冷却水出口温度稳定在32度，需要调节板式换热器和热泵前的阀门来增大或减小冷却水的流量，以维持冷却水出口温度的稳定。可见，冷却水流量的调节在热泵出口温度反馈回路之外，存在着一定的时间滞后，可以以较长的时间步长进行，例如每3分钟进行一次调整。并联方式下，冷却塔的出口温度控制还可以通控制风扇转速来进行。
串并联的方式下，可以取消在板换和热泵上的电动阀门，只保留手动阀门就可以了，通过改变并联管路上的阀门，来改变分配给板换和热泵的流量，二者之间的流量可以通过手动改变；板换和热泵的出水再进行冷却塔中进行冷却。

4. 热水装置启动顺序和关闭顺序

　如图3 热水系统组成简图所示，冷凝热回收生活热水装置主要由下列部分组成：热泵、板式换热器、生活热水蓄水箱、热水循环泵、给水泵和补水箱组成，它们之间的启闭顺序如下所示：

ｄｏ　（不断检测水箱液位和出口温度）

if
１、水箱水位　　低于低限
ｔｈｅｎ
１、板换和热泵热源侧电磁阀开启，进行通水
２、给水泵启动
３、热水循环泵启动
４、热泵启动
ｅｌｓｅ　ｉｆ
１、水箱液位在高限和低限之间
２、出口水温小于６５度
ｔｈｅｎ　
１、热泵热源侧电磁阀开启
２、循环泵启动
３、热泵启动
ｅｌｓｅ　ｉｆ
１、开式水箱液位高于高限
ｔｈｅｎ
１、给水泵关闭
２、板换热源侧电磁阀关闭
ｅｌｓｅ　ｉｆ

１、开式水箱液位高于高限
２、水箱出口处温度高于６５
ｔｈｅｎ
１、关闭热泵
２、关闭循环泵
３、关闭热源侧电磁阀
上述保护和启动的前提是冷水机组处于开的状态。












5. 传感器和执行器
系统共需设置下列传感器：
生活热水箱液位传感器（或高低组合开关）
板换入口、出口温度传感器
热泵入口、出口温度传感器
水箱出口处温度传感器
板换热源侧入口、出口温度传感器
热泵热源侧入口、出口温度传感器
水泵吸合触点
热泵用流量开关
执行器：
板换热源侧阀门
热泵热源侧阀门
给水泵、循环泵开关

6. 水箱液位设定对系统运行的影响

假设给水泵的供水能力为２０ｔ／ｈ，热水水量供应是按照下图所示进行的，那么供给与实际需求之间的差异可以从下图中看出：



图3 实际热水需求与热水供应对应图
高峰不足的量必须被前面低谷所补偿，同时移峰填谷的情况也与蓄热的方式甚至水箱高低液位设定有关，下表中看到水箱液位的设置对热水供应的影响。

表1 水箱液位设定对热水供应的影响

第一次模拟： 高位低位 40 20










可见，水箱低限液位设置如果过低，某些时候无法满足负荷需要，所以，需要认真对待水箱液位的设定问题。
以上模拟假定水箱温度对供应热水量没有影响，这是一个不太确切的假定，实际上，当水温过高，末端用户会采用混水的方式调节水温，水量就不需要这么多了，所以还需要了解每一个时刻水箱出口处的温度，这需要结合热泵的工况进行，受篇幅限制，不在本文讨论。

总结：本文从实用的角度出发，从系统布置、控制策略、逻辑顺序、控制点数、运行模拟几个方面探讨了冷凝热回收系统的控制问题。


作者简介：孟富春 1973.9 本科 工程师 北京清源世纪科技有限公司 研发部经理