动态最小开度算法防冻为空调机组护航

动态最小开度算法防冻为空调机组护航

晁春晖

身份证号码120106196709111532 

摘要：中国电子科技集团公司第十二研究所的生产工艺均需要中央空调系统（包括全新风空调系统和净化空调系统）全年运行。当冬季室外气温降至摄氏零度以下时，空调机组（或称空气处理机组）的操作和管理必须倍加留神，因为无论运行或停机状态，空调机组都有可能发生盘管冻裂的现象。我们创新部署自控算法，实时采集相关要素，计算空调机组水阀最小安全开度，保证了系统安全合理的运行。

关键词：中央空调防冻  动态最小开度算法  气候补偿  水温补偿

1   传统防冻措施及存在的问题

为了保证机组在冬季的正常运行，空调厂家在空调机组的表冷器前端设置有防冻开关保护装置，当盘管附近温度低于5℃时，防冻开关动作，空调机组停机报警。然而，多年的实践证明，空调设计对寒冷气候特点、设备运行的复杂工况和一些突发情况等因素仍然缺乏全面考虑能力，加之用户在使用管理过程中的一些薄弱环节，每到冬季，空调机组盘管冻裂现象时有发生。

也因为这个缘故，相当数量的空调机组用户（包括我所在内）自行摸索了另一种辅助防冻措施：在冬季运行模式下，将电动水阀的旁通管路阀门打开，保持一定开度，以保证机组内热水始终流通，从而防止盘管冻裂。这项操作存在一个难点，即需要由人工根据气温、房间温度等变化手动调整水阀开度。由于人工很难将阀芯开度控制在合适位置以精确控制流量，为保险起见，值班人员通常会将阀芯开度调到30~50度左右。然而，这种固定水阀开度很容易出现白天房间过热情况，晚上则出现热水短路，分走过多采暖流量，影响夜间暖气采暖效果。为了解决这个问题，将水阀开度调小，则可能出现机组盘管冻裂的情况。

虽说打开旁通管路阀门的方法存在以上弊端，但作为一种在实践中有一定效果的防冻措施，还是有着相当大的使用范围，并被长期坚持下来。然而，这种保护手段只是在一定程度减少了盘管冻裂的可能性，却不能从根本上解决问题。我所的运营实践表明，早上空调机组开机瞬间，最容易发生盘管冻裂；其次是晚上；甚至白天的水温波动、调节阀响应慢和自控过冲，也有可能导致盘管冻裂，可谓防不胜防。

2   动态最小开度算法防冻

多年来，我所空调机组盘管冻裂的情况时有发生，不仅造成设备损失，而且停机维修时间还会影响科研生产。为了攻克这个老问题，我所骨干组成的运行团队动足了脑筋，每一个环节（硬件、软件、操作技巧、管理方法）都不放过。几年来，大家不厌其烦地采集现场数据，反复地讨论、学习、设计和计算，摸索出了一系列改进措施，并加以试验和推行。天道酬勤，近两年，我所空调机组盘管时有冻裂的老难题终于被攻克了。

2.1   逻辑设计

在自控程序中写入自主设计的动态最小开度算法公式，即：

最小开度=（36回水温度-盘管前温度）%

公式解释：

1）36这个数值是经验取值，该数值随不同机组具体情况而定，可以上下浮动。比如，对有的机组来说，该数值为32，有的是34。项目组反复运行调试的结果，指向并证明了该数值范围的正确度。

2）回水温度一般不低于16℃，大致范围为16℃~20℃。极寒天气情况下，我所空调回水温度曾低至7℃~9℃。值得注意的是，动态最小开度算法公式完全能覆盖这种极端温度，其有效性得到了验证，盘管冻裂现象未出现。

3）对纯新风机组（如用氢厂房）而言，盘管前温度指室外新风温度，大致范围为-16℃~5℃；对净化机组而言，盘管前温度指新风和回风的混合温度。

2.2   原理阐述

动态最小开度算法公式的意义在于让机组“自动考虑”气候补偿和水温补偿，无需手工开启旁通管路阀门，便能始终保持盘管内的最小安全流量，杜绝冻裂现象发生。有了动态最小开度算法公式的保驾护航，无论空调机组处于开机或关机状态下，自控系统都能保证主管路流量始终不小于最小安全流量，从而避免了人工设定旁通阀门开度这种不合理的传统经验作法。

在开机状态时，自控系统依据房间实测温度和设定温度自动调节电动水阀；当主动调节或过冲导致阀门开度小于动态最小开度计算值时，自控系统自动读取动态最小开度计算值作为输出值。这套程序设定监测盘管前空气温度和回水温度，综合二者以判断机组负荷和防冻负荷，动态调整流量，在防止盘管冻裂的同时，又可以合理地供给热量来控制室内温度，避免过热情况出现。

在关机状态下，自控系统由最小开度算法来调整开度。该算法既能保证安全开度，以最经济流量达到防冻目的，还能为换热站节省不必要的流量损耗，让下班后热水流量能集中为采暖系统供热，提高供热效率，节能降耗。

2.3   传感器布置及安装

1）盘管前温度安装于盘管前8~10cm的空调机组箱体板内，监测盘管前进风温度；

2）回水温度的监测：

a、最开始采用浸入式水温传感器安装于盘管回水干管靠近阀组的位置，运行几天后发现，当干管电动阀开度为0的时候，热水没有循环，所监测到的回水温度受热传导的影响，和主干管回水温度一致，不能反映当下机组盘管的真实温度；

b、后来将浸入式水温传感器移至回水干管紧靠盘管的位置，发现监测到的温度依然是盘管的综合回水温度，无数细小支路高温、低温回水混合后的状态，依然不能反映盘管中风险最高最容易冻裂的支路回水温度；

c、经过大家的反复讨论决定，最终方案为，舍弃浸入式水温传感器，利用热敏电阻温度传感器，将之利用导热膏紧贴于盘管中最不利点的铜管表面，实时监测最不利点的回水温度。经过一个冬天的监测证明，该处是最佳选取点，既保障了动态最小开度算法的可靠性，杜绝冻裂的风险，维持科研生产厂房的环境舒适性，还能将水温大胆控制在6℃~7℃的低温状态， 节能高效。

2.4   实施效果

我所近两年的运行实践表明，空调机组自控系统加入动态最小开度算法公式后，无需采用手工开启旁通管路阀门这种传统辅助措施，机组能自动考虑气候补偿和根据所区供水温度随时并及时调整流量，实现防冻和节能的优化组合效果。这一举措在我所空调自控领域（甚至可能在暖通业界）属于首次使用，是针对空调机组盘管冻裂问题的一个非常智能化的解决方案。

3   项目便捷、推广性及效益

有了动态最小开度的算法程序，对比传统的防冻方法仅需在每台空调机组增加一个水温温度传感器即可实施该智能改造方案，让空调机组盘管冻裂的情况成为历史，同时解决了冬季防冻和用户房间室温控制相矛盾的两难问题，可以广泛应用于所有中央空调系统用户。

并且该项目既解决了空调机组盘管冬季冻裂的情况，避免了设备损失和相应的维修更换费用；还能根据气候补偿以及水温补偿自动确定阀门最小安全开度，淘汰了人工设定旁通阀门开度这种不合理的传统经验作法，节省人工，低耗高效，节能效益非常可观。

4   结语

空调机组广泛应用于各类环境控制场所，尤其在对空气净化有着高要求的现代社会，直流式新风机组在各类写字楼、学校、医院、体育场馆、生产车间等均是必不可少，而直流式新风机组在冬季冻裂的风险也最高，防冻对于冬季运行维护是重中之重。目前我所主要空调机组均写入动态最小开度算法，个别机组正在做相应改造；在修改原有自控程序的过程中，项目组和空调自控服务商技术人员密切交流、配合，将这个中央空调防冻的“特效药方”分享给合作伙伴。同时，在各类报告、总结和论文中也有相应介绍，以期全面推广经验。