按需流量泵送的制作方法
【專利摘要】無論設施負載條件如何，按需流量以實質性提高的效率來操作冷凍水設施。通常，按需流量使用操作策略，其根據恒定△T線(其典型地接近或達到設計AT)控制冷凍水泵送和冷凝器水泵送。這減少了或消除了低AT綜合癥，并對于給定負載條件減少了冷凍水泵和冷凝器水泵的能量使用。以這種方式操作冷凍水泵形成協同作用，其通常平衡了貫穿設施的流速，減少了不需要的旁路混合和冷凍水設施的空氣處理器風扇和其他部件的能量使用。在設施冷凍器，應用按需流量通過制冷劑過冷和過熱增大了制冷效果，同時防止了堆積。按需流量包括臨界區(qū)重置特征，其允許恒定AT線被重置，以調整變化的負載條件。
【專利說明】按需流里栗送
[0001]本申請是2012年3月23日提交的、名稱為“按需流量泵送”、申請?zhí)枮?01080042631.X的中國專利申請的分案申請。
[0002]相關申請的交叉引用
本申請要求2009年7月23日提交的、名稱為“Demand Flow Pumping”的美國專利申請第12/507，806號的優(yōu)先權。

【技術領域】
[0003]本發(fā)明一般性地涉及冷凍水舒適冷卻和工業(yè)過程冷卻系統，特別是涉及用于有效操作冷凍水冷卻系統的方法和裝置。

【背景技術】
[0004]許多商業(yè)和其他建筑以及校園通過冷凍水設施冷卻。通常，這些冷凍水設施產生冷凍水，該冷凍水被泵送到空氣處理器以冷卻建筑物空氣。冷凍器、空氣處理器和冷凍水設施的其他部件被設計成在特定的冷凍水進入和離開溫度(或AT，Delta T)條件下操作。在設計的AT下，這些部件是最有效的，并且能夠以其額定容量產生冷卻輸出。當進水和回水溫度變得比設計Λ T更接近時，出現的低Λ T降低了冷凍水設施的效率和冷卻容量，并使冷凍水設施使用比給定需求所需更多的能量。
[0005]冷凍水設施被設計成滿足建筑物、校園等的最大可能的冷卻需求，這也稱為設計條件。在設計條件下，冷凍水設施部件位于其容量的上限，其中系統是最高效節(jié)能的。然而，對于冷卻必須要求這種高需求的情況是不常發(fā)生的。實際上，幾乎所有的冷凍水設施一年中的90%均在設計條件以下工作。例如，涼爽的天氣條件會導致冷卻需求顯著下降。隨著冷卻需求減少，AT通常也會降低。這意味著，對于大多數時間，幾乎所有的冷凍水設施在低AT和小于最佳效率下操作。這種長期的低AT被稱為低AT綜合癥(Low Delta TSyndrome)。
[0006]已開發(fā)了許多緩和策略來解決低AT綜合癥，例如，通過使用復雜的定序程序和設備0N/0FF選擇算法，但是沒有一個策略證明完全解決了該現象。在多數情況下，冷凍水設施的操作者簡單地將更多的水泵送到系統空氣處理器以增大其輸出，但這具有進一步減少已經較低的AT的復合作用。而且，在次級回路中增加泵送會導致泵送能量比必須的泵送能量更高。
[0007]根據下文的論述，將變得更加明顯的是，本發(fā)明解決了與現有技術有關的缺陷，同時提供了現有技術構造未想到的或不可能的眾多額外的優(yōu)點和益處。


【發(fā)明內容】

[0008]按需流量提供了一種用于高效操作冷凍水設施的方法和裝置。實際上，當與傳統操作方案比較時，按需流量在滿足冷卻輸出需求的同時，提供了相當大的能量節(jié)省。通常，按需流量根據恒定AT線控制冷凍水、冷凝水或這二者的泵送。這在允許冷凍水設施滿足冷卻需求的同時，減少了能量使用、減少或消除了低ΛΤ綜合癥。在一個或多個實施例中，恒定AT線可被重置到另一 AT線，以在保持節(jié)能的同時滿足變化的冷卻需求。
[0009]低Λ T綜合癥已經困擾并且將繼續(xù)困擾冷凍水設施，導致過度的能量使用和人為的容量減少。這妨礙了冷凍水設施滿足冷卻需求，即使在部分負載條件時。如本文將要描述的，按需流量及其操作策略解決了這些問題，并且提供了額外的益處。
[0010]在一個實施例中，按需流量提供了一種用于有效操作冷凍水設施的方法。該方法可包括設置冷凍水ΛΤ，以及控制通過一個或多個部件的冷凍水流速，以保持(或稱維持)一個或多個冷凍水設施部件上的冷凍水ΛΤ0冷凍水AT包括冷凍水設施部件處的冷凍水進入溫度和冷凍水離開溫度。在一個或多個實施例中，通過增加冷凍水流速以減少冷凍水AT以及降低冷凍水流速以增大冷凍水ΛΤ，可保持冷凍水AT。典型地，冷凍水流速將通過一個或多個冷凍水泵控制。
[0011]當發(fā)生一個或多個觸發(fā)事件時，可執(zhí)行臨界區(qū)重置，以調整冷凍水AT。通常，臨界區(qū)重置提供新的或重置的AT設置點，以按需調整冷卻輸出或容量。冷凍水AT可以各種方式重置。例如，可通過調整冷凍水進入溫度、調整冷凍水離開溫度或這二者使冷凍水AT重置?？刂评鋬鏊O施部件上的冷凍水流速通過這種方式保持冷凍水Λ Τ，實質性地減少了冷凍水設施的低AT綜合癥。實際上，該減少可使得冷凍水設施處的低AT綜合癥被消除。
[0012]各種發(fā)生的事情可成為用于臨界區(qū)重置的觸發(fā)事件。例如，空氣處理器單元的冷凍水閥打開超過特定閾值可作為觸發(fā)事件。另外，冷凍水設施的旁路中的冷凍水溫度增加或降低、或三級泵的流速變化超過特定閾值可作為觸發(fā)事件。在外科套房/手術室、制造環(huán)境或其他空間的濕度水平也可作為觸發(fā)事件。
[0013]也可根據本方法控制冷凝器水流速。例如，本方法可包括建立冷凝器水AT，其包括冷凝器處的低的冷凝器水進入溫度和冷凝器水離開溫度。冷凝器可使用低的冷凝器水進入溫度來提供制冷劑過冷，這對制冷效果和冷凍器效率極為有益?？赏ㄟ^調整經過冷凝器的冷凝器水流速(例如通過一個或多個冷凝器水泵)來保持冷凝器水AT。
[0014]保持冷凝器水△ T允許冷凝器在無堆積的情況下提供制冷劑過冷，即使在低的冷凝器水進入溫度條件時。可通過控制冷凝器水離開溫度保持冷凝器水△ Τ，其中冷凝器水離開溫度通過調整經過一個或多個冷凝器水泵的冷凝器水流速而被控制。
[0015]在另一實施例中，提供了一種用于操作冷凍水設施的一個或多個泵的方法。此方法可包括:利用第一泵將第一流速的水泵送通過冷凍器，和調整第一流速以保持冷凍器上的第一 AT。第一 Λ T可包括冷凍器進入溫度和冷凍器離開溫度，其無論冷凍水設施負載條件如何，都能提供冷凍器的蒸發(fā)器處有益的制冷劑過熱。
[0016]本方法也可包括:利用第二泵將第二流速的水泵送通過空氣處理器單元，以及調整第二流速以保持在空氣處理器單元上的第二 AT。第二 Λ T可包括空氣處理器單元進入溫度和空氣處理器單元離開溫度，其無論冷凍水設施負載條件如何，都能提供空氣處理器單兀處所需冷卻輸出。在一個或多個實施例中，第一 ΔΤ和第二 ΔΤ可相似或相同，以平衡第一流速和第二流速并減少冷凍水設施的旁路處的旁路混合。旁路混合是低△ T綜合癥的常見原因，因而其減少是極為有利的。
[0017]該方法可包括臨界區(qū)重置，以增加冷卻輸出。例如，當空氣處理器單元的水閥打開超過特定閾值時，可通過使第二 △ T重置增大第二流速。這種第二流速的增大導致空氣處理器的冷卻輸出增大。
[0018]該方法可用于各種冷凍水設施構造。例如，該方法可包括:利用第三泵通過冷凍水設施的分配回路以第三流速將水泵送到第二泵，并且調整第三流速以保持第三AT。該實施例的空氣處理器的冷卻容量可通過臨界區(qū)重置被增加。例如，當第二泵提供的第二流速超過特定閾值時，第三流速可通過使第三ΛΤ重置而被增大。如上所述，增大第三流速，增大了空氣處理器的冷卻容量。
[0019]該方法也可控制冷凝器水流速。例如，該方法可包括:利用第四泵將冷凝器水以第四流速泵送通過冷凍器的冷凝器，和調整第四流速以保持冷凝器的第四AT。第四AT可包括冷凝器水進入溫度和冷凝器水離開溫度，其無論冷凍水設施負載條件如何，都能提供制冷劑的過冷并防止制冷劑堆積。例如，冷凝器水進入溫度可低于用于冷凝器水的濕球溫度，以提供制冷劑過冷。
[0020]在一個實施例中，提供了一種用于控制冷凍水設施的一個或多個泵的控制器。該控制器可包括:輸入裝置，其被配置成接收來自一個或多個傳感器的傳感器信息；處理器，其被配置成控制由一個或多個泵提供的流速，以保持冷凍水設施的部件的AT ;以及輸出裝置，其被配置成將一個或多個信號發(fā)送到一個或多個泵。該處理器也可生成一個或多個信號，其控制由一個或多個泵提供的流速。AT可包括進入溫度和離開溫度。
[0021]該處理器可被配置成，基于傳感器信息，通過增加或降低流速保持AT。該處理器也可被配置成，通過響應傳感器信息降低△ T，來執(zhí)行臨界區(qū)重置，該傳感器信息表示在部件處需要額外的冷卻容量。傳感器信息可為各種信息。例如，傳感器信息可為溫度信息。傳感器信息還可以是或者替代性地可以是選自下組的操作信息，該組由空氣處理器冷凍水閥位置、VFD Hz、泵速、冷凍水溫、冷凝器水溫和冷凍水設施旁路溫度組成。
[0022]該處理器可被配置成，通過控制Λ T的離開溫度保持Λ T0離開溫度可通過調整經過冷凍水設施部件的流速而被控制。例如，流速可通過增加流速以降低離開溫度和降低流速以升高離開溫度進行調整?？刂破鞅３值摩?T可類似于部件的設計AT。這允許該部件根據其制造規(guī)范高效操作。
[0023]對于本領域的技術人員而言，在分析以下附圖和詳細描述后，本發(fā)明的其他系統、方法、特征和優(yōu)點將是明顯的、或者將變得明顯。所有這些額外的系統、方法、特征和優(yōu)點應被認為包括在本描述之內，處于本發(fā)明的范圍內，并由所附權利要求保護。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]附圖中的部件并不一定是按比例繪制的，相反，其重點是放在對本發(fā)明原理的圖解說明上。附圖中，相似的附圖標記在不同視圖中表示相應的部件。
[0025]圖1是方框圖，其示出了示例性的分離冷凍水設施；
圖2是方框圖，其示出了示例性冷凍水設施處的低AT綜合癥；
圖3是方框圖，其示出了示例性冷凍水設施處的過度流量；
圖4是方框圖，其示出了示例性直接初級冷凍水設施；
圖5是方框圖，其示出了示例性冷凍器的部件；
圖6Α是示例性壓力焓曲線圖，其示出了制冷循環(huán)；
圖6Β是示例性壓力焓曲線圖，其示出了制冷循環(huán)中的過冷； 圖6C是示例性壓力焓曲線圖，其示出了制冷循環(huán)中的制冷劑過熱；
圖7是一圖表，其示出了示例性冷凝器處低冷凝器水進入溫度的益處；
圖8是示例性壓力焓曲線圖，其示出了示例性冷凍器處的按需流量的益處；
圖9A是曲線圖，其示出了流速與軸速之間的關系；
圖9B是曲線圖,其示出了總設計頭(design head)與軸速之間的關系；
圖9C是曲線圖，其示出了能量使用與軸速之間的關系；
圖9D是曲線圖，其示出了示例性AT線和泵送曲線以及能量曲線；
圖10是方框圖，其示出了示例性控制器；
圖1lA是流程圖，其示出了示例性控制器中的操作；
圖1lB是流程圖，其示出了示例性控制器中的操作；
圖12是一圖表，其示出了由氣溫引發(fā)的示例性臨界區(qū)重置；
圖13是一圖表，其示出了由冷凍水閥位置引發(fā)的示例性臨界區(qū)重置；
圖14是方框圖，其示出了示例性的分離冷凍水設施；
圖15是一圖表，其示出了由VFD赫茲引發(fā)的示例性臨界區(qū)重置；
圖16是示例性冷凝器的橫截面圖；
圖17是一圖表，其示出了示例性冷凍水設施的按需流量的益處；
圖18是一圖表，其示出了示例性冷凝器的冷凝器水進入溫度和離開溫度之間的線性關系;
圖19是一圖表，其示出了示例性冷凍水設施處的按需流量條件下壓縮機能量變換；
圖20是壓力焓曲線圖，其示出了在示例性冷凍器處的按需流量條件下制冷循環(huán)變化的；
圖21是一圖表，其示出了在示例性冷凍水設施處的按需流量條件下對能量和容量的效果；
圖22是曲線圖，其示出了在示例性冷凍水設施利用按需流量的日志平均溫差；
圖23A是一圖表，其示出了在低AT的示例性冷凍水設施中冷凍水流量與AT之間的關系;
圖23B是一圖表，其示出了具有示例性恒定冷卻容量的按需流量的靈活性；
圖23C是一圖表，其示出了具有示例性恒定流速的按需流量的靈活性；以及圖24是一圖表，其示出了在示例性冷凍水設施處的按需流量條件下的空氣側能量變換。

【具體實施方式】
[0026]在以下描述中，為了提供對本發(fā)明更全面的描述，給出了眾多具體細節(jié)。然而，對本領域技術人員而言，明顯的是，本發(fā)明可在沒有這些具體細節(jié)的情況下實施。另一方面，本文并不詳細描述，公知特征，以免掩蓋或模糊本發(fā)明。
[0027]本文所述的“按需流量(Demand Flow)”指的是用于減少或消除低Λ T綜合癥并提高冷凍水設施效率的方法和裝置。按需流量可在現有冷凍水設施的改進工程以及冷凍水設施的新型裝置或設計中實現。本文所用的“冷凍水設施”指的是這樣一種冷卻系統，其使用了冷凍水以提供某些過程所需的適當冷卻或冷凍水。這種冷凍水設施典型地(但不總是)用于冷卻校園、工業(yè)綜合性建筑、商業(yè)建筑等。
[0028]一般而言，如下文將進一步描述的，按需流量在冷凍水設施內使用冷凍水的可變流量或泵送，以解決低△T綜合癥并實質性提高冷凍水設施的效率。按需流量條件下的可變流量保持用于冷凍水設施部件的AT,其到達或接近部件的設計AT。結果，按需流量實質性提高了冷凍水設施及其部件的操作效率，從而大大節(jié)省了能量成本。按需流量提供的效率提高還提供了減小污染的益處。而且，不同于傳統的可變或其他泵送技術，通過使這些部件在接近或處于其特定的進入和離開冷凍水溫度、或設計△ T運行，按需流量還延長了冷凍水設施的預期壽命。
[0029]無論冷卻要求或負載如何，按需流量通過以同步方式操作冷凍水設施部件，都能提供了增大的效率。在一個或更多實施例中，通過控制一個或更多泵處的冷凍水和冷凝器水的泵送發(fā)生這種情況，從而保持冷凍水設施的特定部件或地點處的AT。一般而言，按需流量在各個冷凝器或水泵上操作，從而在冷凍水設施的特定部件或地點保持ΛΤ。例如，可操作初級冷凍水泵以保持冷凍器上的ΛΤ，可操作次級冷凍水泵以保持設施空氣處理器上的Λ Τ，并且可操作冷凝器水泵以保持冷凝器的AT。
[0030]以這種方式控制各個泵(和流速)導致冷凍水設施的同步操作,這將在下文中進一步描述。這種同步操作使冷凍水設施的流速均衡，顯著減少或消除了低AT綜合癥和相關的低效率。
[0031]在傳統的冷凍水設施中，可變流量根據冷凍水設施或系統中某一位置處的最小壓差或Λ P (Delta P)而被控制。按需流量與這些技術不同之處在于，其關注Λ T而非Λ P。利用按需流量，無論負載條件(即，冷卻需求)如何，都可對所有冷凍水設施部件保持最佳AT。保持恒定或穩(wěn)定的AT允許在冷凍水流量中具有寬的變化，從而不僅在泵送能量而且在冷凍器能量消耗方面產生節(jié)能。例如，通過控制經過冷凍水泵或冷凝器水泵的流速，無論負載條件如何，都可將冷凍器△ T保持在接近或到達冷凍器的設計參數，從而使冷凍器的冷凝器換熱器管束和蒸發(fā)器的效率最大。
[0032]相反，傳統的可變流量方案是在非常窄的范圍內改變流量，因而不能實現按需流量的成本和能量節(jié)省。這是因為，傳統的流量控制方案控制流速以產生特定的壓差或ΛΡ，而不是ΛΤ。另外，傳統的可變流量方案僅設法保持僅僅在某一預定系統位置處的ΛΡ，而忽略了低ΛΤ。這導致流速比生成和分配所需量的冷卻輸出所需的流速高得多，在很大程度上補償了低ΛT造成的低效率。
[0033]因為流速通過按需流量控制，以保持AT而不是保持設施空氣處理器處的ΛΡ或特定的冷卻輸出，因而可能出現下列情況:流速過低，而不能基于系統多樣性在某些區(qū)域中產生所需量的冷卻輸出。為解決這種情況，按需流量包括有本文稱為“臨界區(qū)重置”的特征，其允許由按需流量保持的AT基于系統的特定需要(其在系統的所需流速時未被充分滿足)被重置為另一(典型地更低)值。這可能是由于針對供應負載的不適當的管道系統、不正確地設定尺寸的空氣處理器，或者許多無法預料的系統異常造成的。如將在下文中進一步描述的，這允許通常通過增大冷凍水流量來保持新的或重置的AT從而提供了額外的冷卻。
[0034]按需流量的應用對空氣處理器以及冷凍水設施的冷凍器、泵和其他部件產生協同效應。這導致凈能量使用的減少，同時保持或甚至增大了冷凍水設施的額定容量。如將在下文中進一步描述，在按需流量條件下，很少或沒有過度的能量用于提供特定水平的冷卻。
[0035]優(yōu)選地，由按需流量保持的AT將接近或達到冷凍水設施部件的設計AT，以使部件效率最大化。保持AT的優(yōu)點可通過冷卻容量方程可知，例如
(GPM-AT")
Tons = ^^，其中Tons為冷卻容量，GPM為流速，K為某一常量。如該方程所示，隨著Λ T降低，冷卻容量也降低。
[0036]注意，盡管在此參照了一個具體的容量方程進行描述，但是應該理解，按需流量的操作和益處還能通過各種容量方程顯示。這通常是因為冷卻容量、流速和恒定AT之間的關系為線性的緣故。
[0037]從下述示例可看出保持AT的優(yōu)點。對于K為恒定值24的情況，通過在16度的設計AT條件下提供1500 GPM的流速，可生成1000噸的容量。通過在16度的Λ T條件下提供750 GPM的流速，可生成500噸的容量。然而，在低AT (例如傳統系統中常見的)條件下，將需要更高的流速。例如，在8度的AT條件下，500噸的容量將需要1500 GPM的流速。如果Λ T進一步降低，例如降低至4度，則冷卻容量在1500 GPM條件下將為250噸。其中，冷凍水設施泵或其他部件可能僅能具有最大1500 GPM的流速，則冷凍水設施將不能夠滿足500噸的所需要求，即使在設計AT條件下，冷凍水設施在1500 GPM的條件下能夠具有1000噸的容量。
[0038]1.低AT綜合癥
現在將參照圖1描述低△ T綜合癥，圖1示出了示例性的分離冷凍水設施。如圖所示，冷凍水設施包括初級回路104和次級回路108。每一回路104、108可具有其自身的進水和出水溫度，即ΛΤ0注意，按需流量同樣還對直接/初級冷凍水設施(即非分離的冷凍水設施)有利，這將在下文中進一步描述。
[0039]在分離的冷凍水設施的操作期間，冷凍水通過一個或更多冷凍器112產生于生產或初級回路104。該冷凍水可通過一個或更多初級冷凍水泵116在初級回路104中循環(huán)。然后，來自初級回路104的冷凍水可通過與初級回路104流體連通的分配或次級回路108分配到建筑物(或其他結構)。在次級回路108內，冷凍水通過一個或更多次級冷凍水泵120循環(huán)到一個或更多空氣處理器124?？諝馓幚砥?24允許來自建筑物空氣的熱量被傳遞到冷凍水，例如通過一個或更多熱交換器。這將冷卻空氣提供到建筑物。典型地，如果空氣處理器124能更好地冷卻一定量的空氣，則建筑物空氣被促使或吹動通過熱交換器。冷凍水離開空氣處理器124，然后由于冷凍水經由空氣處理器吸收的熱量而以更高溫度返回到次級回路108。
[0040]冷凍水然后離開次級回路108，并以更高溫度返回到初級回路104。由此可知，初級回路104和次級回路108 (以及附接到這些回路的冷凍水設施部件)具有進水溫度和出水溫度，或AT。在理想情況下，兩個回路的進入溫度和離開溫度將達到其各自的設計ATs。不幸的是，實際上，冷凍水回路工作在長期低Λ T條件下。
[0041]出現低AT原因有很多。在一些情況下，冷凍水設施的不良設計會導致低AT發(fā)生。由于冷凍水設施的復雜性和實現完美設計的難度，這是相當普遍的。例如，次級回路108的空氣處理器124可能未被恰當選擇，因而冷凍水吸收的熱量達不到預期。在此情況下，來自次級回路108的冷凍水以低于預期的較冷溫度進入初級回路104，從而導致低AT。注意，由于不良設計和/或操作，冷凍水設施可在各種負載條件(包括設計條件負載)下以低Λ T操作。
[0042]隨著冷卻輸出下降以滿足小于設計條件的負載，也會發(fā)生低AT。由于輸出下降，冷凍水流量、冷凍水AT和其他因素變得無法預測，通常導致低AT。事實上，在實際中，已知傳統的Λ P流量控制方案總是在一些(即使不是全部)冷凍水設施部件導致低AT。
[0043]例如，為了減少從設計條件的冷卻輸出，冷凍水設施的空氣處理器124的一個或多個冷凍水閥可被關閉(部分地或完全地)。這減少了通過空氣處理器124的冷凍水流量，因而提供更少的冷空氣。然而，因為冷凍水閥被部分關閉，當冷凍水以更高速率通過空氣處理器124時，冷凍水從空氣吸收比必需的更少的熱量，如通過比設計AT更低的AT證明。因而，離開空氣處理器124的冷凍水并不如其以往“溫暖”。結果，離開次級回路108通往初級回路104的冷凍水比所需要的更冷，從而在兩個回路中導致低AT。
[0044]為了利用特定實例進行圖解說明，圖2提供了一個示例性冷凍水設施。在該例中，初級回路104中產生的冷凍水為40度。由此可知，離開空氣處理器124的冷凍水可為52度而不是預期的56度，這是因為冷凍水閥已被關閉，并且冷凍水的流速對于當前負載過高。由于在旁路128中沒有過度分配，次級回路的冷凍水離開溫度仍為40度。假設系統具有16度的設計AT，現在有12度的低AT，其比設計AT低4度。這里要注意，低AT自身減少了
fΓτΡΜ hT\
容量，并致使過度能量用于提供給定的冷卻輸出。通過容量方程可知，Tons = ? ^~J
，Tons容量被低AT顯著減少。為了補償，將需要更高的流速或GPM，從而對于給定的冷卻需求導致泵送能量的過度使用。
[0045]再次參照圖1，低AT的另一原因是在初級回路104、次級回路108或二者內的過度流量造成的旁路混合。旁路混合和過度流量是低ΛΤ的已知原因，并且傳統上極難解決，特別是利用Λ P流量控制方案。實際上，過度流量的一個普遍原因是效率低下的Λ P控制方案造成的冷凍水的過量泵送(如以上實例所示)。為此，流量失衡和旁路混合在使用ΛΡ流量控制方案的冷凍水設施中是常見的事。注意，旁路混合即使在設計條件下也會發(fā)生，這是因為，如同任何復雜機器一樣，冷凍水設施很少是完美的。實際上，冷凍水設施經常被設計具有與次級泵流速不匹配的初級冷凍水泵流速。
[0046]在分離的冷凍水設施中，連接初級回路104和次級回路108的分離器或旁路128被提供，以處理回路之間的流量失衡。這典型地由于回路之一中的過度流量或過度泵送而發(fā)生。旁路128—般通過允許來自一個回路的過度流量循環(huán)到另一回路將其接收。注意，過度流量不限于任何特定回路，在所有回路中除了其間的流量失衡之外還可有過度流量。
[0047]過度流量一般表示過多能量正被消耗在泵送冷凍水上，如稍后通過親合定律描述，并且還加劇了低AT的問題。為了利用圖3進行圖解說明，圖3示出了具有過度流量的示例性冷凍水設施，當存在過度初級或分配冷凍水流量時，來自空氣處理器124和次級回路108的冷凍水與來自初級回路108的供應水在旁路128中混合。這兩種水流的最后混合比設計的冷凍水更溫暖，其然后被分配到空氣處理器124。
[0048]例如，來自次級回路108的54度水的300加侖每分鐘(GPM)的過度流量將與來自初級回路104的40度的冷凍水在旁路128中混合，從而將次級回路中的冷凍水的溫度升高到42度。現在，次級回路的冷凍水具有的溫度高于初級回路的冷凍水。這在初級回路104和次級回路108中導致低AT以及冷卻容量的相應減少。
[0049]冷凍水流的旁路混合因其加劇了低Λ T也是不受歡迎的。例如，當空氣處理器124檢測到由旁路混合造成的升高水溫或者因升高的水溫不能夠滿足冷卻需求時，其冷凍水閥打開，以允許額外的水流通過空氣處理器124，從而增大空氣冷卻容量。在傳統的ΛΡ系統中，次級冷凍水泵120也將增大冷凍水流速，從而增大空氣處理器124處的空氣冷卻容量。流速的這種增大造成初級回路104與次級回路108之間的旁路128處的流速的進一步失衡(即，進一步的過度流量)。增大的過度流量通過造成額外的旁路混合而加劇了低ΛΤ，這甚至進一步降低AT。
[0050]過度流量和旁路混合對于給定的冷卻需求還造成過度能量使用。在一些情形下，額外的泵送能量被用于增大初級回路104中的流速，從而更好地平衡來自次級回路108的流量并防止旁路混合。另外或替代性地，額外的冷凍器112可能需要在線，或者額外的冷凍器能量可用于在初級回路104中產生足夠的冷凍水，從而補償旁路混合對冷凍水供應的升溫效應。在空氣供應側，空氣處理器124通過移動更大量的空氣可試圖補償由升高的水溫造成的減少容量。這典型地通過對一個或更多風扇132增大功率以使額外空氣移動通過空氣處理器124而實現，如通過親合定律進一步所述。
[0051]在許多情況下，這些措施(例如，增大的冷凍水泵送、空氣處理器水閥的打開、增大的空氣供應空氣運動)不能充分補償由低AT造成的冷卻容量的假象減少。因而，冷凍水設施的確不能夠滿足冷卻需求，即使這種需求水平可能小于其額定冷卻容量。在這種措施能夠補償容量的假象減少的情形下(例如通過啟動額外的冷凍器)，冷凍水設施基本使用多于必須的更多能量，以通過補償低AT效應的而被消耗的大量過度能量來提供所需的冷卻輸出。
[0052]應理解的是，低Λ T還發(fā)生在直接初級冷凍水設施構造(即，非分離的冷凍水設施)中，即使這種構造一般不具有建筑物返回水與生產供應水的混合問題。直接初級系統總是具有設施或系統旁路、3通閥或者二者均有，從而保持通過系統的最小流量。例如，圖4示出了具有這種旁路的示例性直接初級冷凍水設施。類似于分離的冷凍水設施，在這些旁路或3通閥中會發(fā)生過度流量。因而，低AT問題(諸如過度冷凍器能量、過度泵送能量和減少的系統容量)在直接初級構造中也存在。實際上，低AT的問題是相同的，其與設施構造如何無關。在實踐中，這已通過在兩種類型的冷凍水設施中發(fā)生低AT綜合癥這一事實得以證實。
[0053]現在將進一步描述關于冷凍器的低AT的效應。圖5示出了示例性冷凍器112。出于例示的目的，圖5的虛線描繪了哪些部件是否是示例性冷凍器112的一部分，其中虛線內的部件是冷凍器的一部分。當然，應理解的是，冷凍器可包括額外的部件或比所示更少的部件。
[0054]由此可知，冷凍器112包括通過一個或更多制冷劑線路536連接的冷凝器508、壓縮機520和蒸發(fā)器512。蒸發(fā)器512可通過一個或更多冷凍水線路532被連接到冷凍水設施的初級或其他回路。
[0055]操作中，冷凍水可進入蒸發(fā)器512，其在此將熱量傳遞給制冷劑。這使得制冷劑蒸發(fā)，從而致使制冷劑變成制冷劑蒸汽。來自冷凍水的熱傳遞將水冷卻，從而允許水通過冷凍水線路532返回到初級回路。例如，通過將熱量傳遞到蒸發(fā)器512內40度的制冷劑，54度的冷凍水可被冷卻到42度。42度的冷凍水然后可用于冷卻建筑物或其他結構，如上所述。
[0056]為了使制冷循環(huán)連續(xù)，由蒸發(fā)器512產生的制冷劑蒸汽冷凝返回到液態(tài)形式。制冷劑蒸汽的這種冷凝可由冷凝器512執(zhí)行。如已知，制冷劑蒸汽能夠僅冷凝在較低溫度的表面上。因為制冷劑具有相對較低的沸點，因而制冷劑蒸汽具有相對較低的溫度。為此原因，壓縮機520可用于壓縮制冷劑蒸汽，從而升高蒸汽的溫度和壓力。
[0057]制冷劑蒸汽增大溫度允許蒸汽以更高溫度冷凝。例如，在沒有壓縮的情況下，制冷劑蒸汽可為60度，而經過壓縮，蒸汽可為97度。因而，可在97度以下而不是60度以下發(fā)生冷凝。這非常有益，這是因為一般更容易提供具有的溫度低于制冷劑蒸汽增大溫度的冷凝表面。
[0058]制冷劑蒸汽進入冷凝器508，其熱量可在此被傳遞到冷凝介質，從而致使制冷劑返回到液態(tài)。例如，冷凝器508可包括管殼設計，其中，冷凝介質流經冷凝器的管。通過這種方式，制冷劑蒸汽可冷凝在冷凝器外殼內的管上。如這里所討論的，冷凝介質為冷凝器水，盡管應理解的是，可使用其他液體或介質。在冷凝之后，制冷劑然后通過制冷劑線路536和減壓器528返回到蒸發(fā)器508，其中制冷循環(huán)繼續(xù)。
[0059]冷凝器508可通過一個或更多冷凝器水線路540被連接到冷卻塔524或其他冷卻裝置。因為冷凝器水從制冷劑蒸汽吸收熱量，冷凝器水必須被冷卻，以使其溫度保持足夠低，從而使制冷劑蒸汽冷凝。冷凝器水可通過一個或更多冷凝器水泵516在冷凝器508與冷卻塔524之間循環(huán)。這提供冷卻的冷凝水的供應，其允許制冷劑蒸汽連續(xù)冷凝。注意，盡管冷卻塔524在圖4的實施例中用于使水冷卻，但可使用冷凝器水的其他供應。
[0060]冷凍器的操作還可通過諸如圖6A所示的壓力-焓曲線圖顯示。在該圖中，壓力表示在垂直軸線上，而焓在水平軸線上。在點604，制冷劑在蒸發(fā)器中可處于大量飽和或主要為液態(tài)。隨著制冷劑在蒸發(fā)器中從冷凍水吸收熱量，其焓增大，從而使制冷劑在點608變成制冷劑蒸汽。圖中點604與點608之間的部分表示冷凍器的制冷效果。在此期間，由制冷劑從冷凍水的熱吸收將冷凍水冷卻。
[0061]壓縮機然后可用于增大制冷劑蒸汽從點608到點612的溫度和壓力。這被稱為“提升(lift)”。該提升允許制冷劑蒸汽在冷凝器中冷凝，如上所述。在點612與點616之間，制冷劑蒸汽將熱量傳遞到冷凝器水并在冷凝器中冷凝，從而將蒸汽再次變成液體。制冷劑然后在點616與點604之間經過減壓器，其降低液態(tài)制冷劑的溫度和壓力，從而使其可在蒸發(fā)器中使用并使制冷循環(huán)繼續(xù)。
[0062]如將在下文中進一步描述的，與冷凝器中的低Λ T相關的問題導致冷凍器因在局部負載條件時缺乏最小提升而失效。當冷凝器與蒸發(fā)器之間的壓差下降過低，則發(fā)生對工業(yè)而言稱之為“堆積(stacking)”的情況。這是制冷劑在冷凝器中累積的情況，從而將蒸發(fā)器的飽和壓力和溫度下降到臨界點。制冷劑還具有對油的較高親合力，因而堆積將在冷凝器中擋住一大部分充油，從而致使冷凍器在許多低壓力、低蒸發(fā)器溫度或低油壓力問題時關閉。
[0063]因為多數傳統的冷凝器水泵送系統在恒定體積條件下操作，冷卻塔也處于最大流量條件。隨著冷卻塔上的負載減小，操作范圍保持相對恒定，從而降低塔的效率。相反，在可變流量的冷凝器水系統中，操作范圍隨著流量而減小。這允許更低的冷凝器水進入溫度以及冷凍器能量和冷卻塔風扇能量的相關減少，這將在后文中進一步描述。
[0064]低Λ T還導致了效率非常低下的冷凝器水泵效率(KW/Ton)，并通過適時令地低的冷凝器水進入溫度限制了冷凍器可用的制冷劑過冷量。在給定負載下，對于每一度的冷凝器水進入溫度降低，壓縮機能量降低大約1.5%，并且冷凍器的名義噸位增大大約1%。因而，如將在下文中進一步描述的，非常期望能在最低可能的冷凝器水進入溫度下操作冷凍器。
[0065]另外，蒸發(fā)器處的低AT降低了制冷循環(huán)的制冷效果。如將在下文中進一步描述的，這降低了蒸發(fā)器產生的制冷劑蒸汽的溫度。
[0066]I1.按需流量
通常，按需流量包括用于在增大冷凍水設施和系統的效率的同時解決低△ T綜合癥的系統和方法。如上所述，傳統的冷凍水系統控制方案直接產生能量和容量的低效率(由低Δ T綜合癥、高KW/Ton證明)以及降低的空氣側容量。以上描述還表明，在多數傳統的控制方案與最佳的系統能量和可交付容量之間存在直接沖突。這由壓差或ΛΡ最清楚地得以證明，冷凍水泵送控制方案忽略了增大的能量使用和降低的系統容量。傳統設計的基于ΛΡ的泵送方案不可避免地產生以下系統:其隨著其系統負載變化而以低ΛΤ綜合癥執(zhí)行。
[0067]在理想狀態(tài)，冷凍水Λ T在冷凍水設施的初級、次級和任意三級或其他回路中是相同的。使冷凍水設施部件以其所選擇的或設計AT操作總是產生最大可交付容量和最高系統效率。因而，在理想世界，冷凍水AT與設計AT匹配。為了生成這種理想情形，冷凍水設施部件的選擇、設計、安裝和泵送控制方案必須理想。遺憾的是，這種理想實際上格外罕見或從未實現過，并且冷凍水設施的設計、負載和安裝中的不一致總是存在。
[0068]不同于傳統的控制方案，按需流量的本質原理是通過強調滿足冷卻需求而盡可能接近設計△ T操作，這將在下文中關于臨界區(qū)重置的描述。無論冷卻負載如何，這都允許冷凍水設施以高效率操作。這與傳統的控制方案相反，其中在部分或恰好設計負載條件下的操作由于困擾這些傳統系統的低△ T綜合癥而使用基本比所需更多的能量。
[0069]另外，因為泵被控制以保持AT接近設計AT或達到設計AT，因此無論設施上的負載如何，冷凍水設施都有效地利用了能量。當與傳統的控制方案比較時，如根據以下圖表可知，能量使用在按需流量條件下明顯更少。該圖表上表示的值根據操作的按需流量實施的實際測量值而獲得。
[0070]例如，圖7為實際按需流量應用的圖表，其顯示通過減少冷凝器水進入溫度可實現的能量減少。圖8為壓力-焓示圖，其將恒定體積的冷凝器水泵送804和ΛΡ冷凍水泵送方案與按需流量泵送808比較。由此可知，與傳統的恒定體積泵送804相比，在制冷效果通過過冷812和制冷劑過熱816被增大的同時，提升被減少。
[0071]按需流量對冷凍水設施具有可測、持久和重復的效果，因其基于同樣是可測和可預測的可靠科學基本原理。由于應用按需流量產生的效率和可交付容量的增益將描述如下。
[0072]稱為親合定律的利用可變流量冷凍水設施泵送能量效率的基本前提包括下列定律:
?定律1:如方程Q1Al2 = N/N2顯示，流量與軸轉動速度成比例，其中N為軸轉動速度，Q為容積流速(例如CFM、GPM或L/s)。這由示于圖9A曲線圖中的流量線936示出。
[0073].定律2:壓力或水頭與軸速度的平方成比例，如方程H1M2=(N1Z^N2)2顯示，其中H為通過泵或風扇產生的壓力或水頭(例如ft或m)。這由示于圖9B曲線圖中的泵送曲線916示出。
[0074].定律3:功率與軸速度的立方成比例，如方程P1A32=(N1ZiN2)3顯示，其中P為軸功率(例如W)。這由示于圖9C曲線圖中的能量曲線920示出。
[0075]親合定律規(guī)定，冷凍水壓降(在上文中也被稱為TDH或被稱為H)與流速的平方的變化有關，而能量利用與流速的立方的變化有關。因此，在按需流量中，隨著流速降低，冷卻容量或輸出被成比例地降低，但是能量利用成指數地降低。
[0076]圖9D是曲線圖，其示出了示例性的恒定AT線904。因為線上的所有點利用相同的Λ T生成，因而線904被稱為恒定AT線。在該曲線圖中，水平軸線表示流速，而垂直軸線表示壓力。從而，如圖所示，AT線904顯示對于恒定Λ T產生特定冷卻輸出所需要的流




/ fJpjLf Αψ\
速。在一個或更多實施例中，AT線904可通過容量方程限定，例如Tb? = ^ ,其


\ -K- /
表明，流速(GPM)的增加或減少引起冷卻輸出(Tons)成比例增加或減少。注意，雖然特定Λ T線904被示于圖9D中，但是應該理解，對于各種冷凍水設施或冷凍水設施部件，Λ T線940可不同。
[0077]通常，按需流量對于給定冷卻輸出試圖將流速保持在Λ T線904上。這當滿足冷卻需求時產生重大效率增益(即能量節(jié)省)。相反，通過傳統的控制方案確定的流速比通過AT線904規(guī)定的流速更高(常常基本上)。這已在實踐中顯示并且常常被記錄在傳統的冷凍水設施的操作日志中。圖9D示出了示例性的日志點908(其示出了傳統控制方案確定的流速)以及按需流量點912。按需流量點912代表在按需流量原理條件下適合于給定冷卻輸出的流速。
[0078]典型地，傳統控制方案確定的日志點908將具有比冷凍水設施滿足實際冷卻需求所需更高的流速。例如，在圖9D中，日志點908比按需流量點912具有更高的流速。這至少部分地是因為，傳統的控制方案必須以更高流速和增大的冷卻輸出來補償低ΛΤ造成的低效率。
[0079]利用按需流量，流速沿著Λ T線904調整，并與負載成線性，這意味著，冷凍水設施及其部件在達到或接近設計AT時操作。以這種方式，低AT通過按需流量被消除或明顯減少。因而，與傳統的控制方案相比，用于冷卻的所需需求可以較低的流速和冷卻輸出而被滿足。這很大程度上是因為冷凍水設施并非必須補償低△ T的低效率。
[0080]圖9D疊放了上述泵送曲線916和能量曲線920，以示出按需流量提供的效率增益。如圖所示，泵送曲線916在其垂直軸線上代表總設計頭(TDH)或壓降，并且在其水平軸線上代表容量或軸速。親合定律規(guī)定軸速與流速成線性比例。從而，泵送曲線916可在圖9D中被疊放，以示出按需流量提供的效率增益。親合定律還規(guī)定，泵送曲線916為平方函數。因此，根據這些曲線圖可以看出，隨著流速沿著AT線204線性減少，TDH成指數減少。
[0081]如所示的能量曲線920在其垂直軸線代表能量使用，并且在其水平軸線代表軸速(其如所述已被顯示為與流速成線性比例)。在親合定律條件下，能量曲線920為立方函數。從而由此可知，隨著流速減少，能量使用成指數減少，甚至比TDH更多。用另一方式陳述，隨著流速增加，能量使用根據立方函數成指數增加。為此，非常希望操作系統泵以便提供實現特定冷卻輸出必需的最小流速。
[0082]由此可知，當利用按需流量操作冷凍水設施時，發(fā)生相當大量的能量節(jié)省。圖9D突出顯示了按需流量點912和日志點908之間的能量使用的差異。如通過能量曲線920可知，在通過這些點表示的冷卻輸出處，日志點908和按需流量點912之間的過度能量使用932相當大。再次，這是因為隨著流速增加，能量使用成指數增加。
[0083]圖9D還突出顯示了按需流量點912和日志點908之間的TDH的差異。由此可知，日志點908再一次具有比滿足當前的冷卻需要必須的基本更高的TDH。相反，在按需流量點912，TDH低的多。如通過泵送曲線916可知，日志點908和按需流量點912之間的過度TDH 924相當大。從而，和傳統的控制方案比較，在按需流量條件下由冷凍水設施消耗基本更少的功。這是有益的，因為在泵上施加更少的應變，從而延長其使用壽命。
[0084]II1.按需流量操作策略
為幫助描述按需流量，術語操作策略將在此將用于指代應用于冷凍水設施及其部件以實現對設施能量使用和冷卻容量有益的按需流量的原理、操作和算法。操作策略有益地影響冷凍水設施的常見的大部分方面(如果不是全部的話)。如將在下文描述，這些方面包括冷凍水產生(例如，冷凍器)、冷凍水泵送、冷凝器水泵送、冷卻塔風扇操作以及空氣側風扇操作。無論負載條件如何，操作策略的應用通過在設計Λ T或接近設計Λ T操作冷凍水設施部件，都顯著減少或消除低Λ T綜合癥。對于冷凍水設施部件和設施整體而言，這又優(yōu)化了能量使用以及可交付容量。
[0085]在一個或多個實施例中，操作策略可通過冷凍水設施的一個或多個控制裝置或部件被具體化和/或實施。圖10示出了可被用來實施操作策略的示例性控制器。在一個或多個實施例中，控制器可接受輸入數據或信息，根據操作策略對輸入執(zhí)行一個或多個操作，并提供相應的輸出。
[0086]控制器1004可包括處理器1004、一個或多個輸入裝置1020以及一個或多個輸出裝置1024。輸入裝置1020可用于從一個或多個傳感器1028接收數據或信息。例如，通過一個或多個傳感器1028探測到的關于冷凍水、冷凝器水、制冷劑或冷凍水設施組件的操作特征的信息可經由輸入裝置1020被接收。
[0087]處理器1004然后可對經由一個或多個輸入裝置1020接收的信息執(zhí)行一個或多個操作。在一個或多個實施例中，處理器可執(zhí)行一個或多個存儲在儲存裝置備1012上的指令，以執(zhí)行這些操作。指令也可被硬接線到處理器1004，例如在ASIC或FPGA的情況下。注意，儲存裝置1012可在處理器1004內部或外部，并且還可用于存儲數據或信息。在一個或多個實施例中，指令可為機器可讀的代碼的形式。
[0088]操作策略可通過一個或多個指令具體化，以便通過執(zhí)行指令，控制器1004能夠根據按需流量操作冷凍水設施或其部件。例如，可執(zhí)行一個或多個算法來確定應該何時執(zhí)行增加或減少冷凍/冷凝器水流速，以使冷凍/冷凝器水泵送保持在△ T線上或接近Λ T線。一旦指令在來自一個或多個輸入裝置1020的信息上執(zhí)行，則相應的輸出可經由控制器1004的一個或多個輸出裝置1004提供。如圖所示，控制器1004的輸出裝置1024連接到VFD 1032。VFD 1032可連接到冷凍器、冷凝器或其它泵或冷卻塔風扇(未顯示)。以這種方式，控制器1004能夠控制冷凍水設施泵處的泵送。
[0089]注意，操作策略可被認為是提供外部控制操作，其控制冷凍水設施的部件。例如，在改型的情況下，控制器1004等可對冷凍水設施應用按需流量，而不需要改變設施的現有部件。例如，控制器1004可控制現有的設施VFDs和泵。在一些實施例中，VFDs可被安裝在一個或多個冷凍水泵、冷凝器水泵或其它泵上，以允許通過操作策略控制這些泵。在一個或多個實施例中，也可安裝一個或多個傳感器，或通過控制器1004可使用現有的傳感器。
[0090]圖1lA是流程圖，示出了可由控制器1024執(zhí)行的示例性操作，以執(zhí)行操作策略。應理解，這里描述的一些步驟可以不同于此處所述的順序被執(zhí)行，并且在對應于在此處所述操作策略各個方面的各實施例中，可具有較少的或額外的步驟，但未顯示在流程圖中。
[0091]在所示實施例中，傳感器信息在步驟1104被接收。例如，可接收關于冷凍水設施部件的冷凍水進入溫度、離開溫度或兩者的傳感器信息。同樣，可接收操作特征(例如空氣處理器處的冷凍水閥的位置、VFDs的速度或輸出、泵的速度或流速)及其它信息。
[0092]在步驟1108，基于在步驟1104接收的信息，控制器可確定是否在一個或多個泵增加或減少，以保持AT優(yōu)選接近或到達設計AT。例如，參考圖1，如果在空氣處理器124處的冷凍水離開溫度顯示低ΛΤ，則可通過次級冷凍水泵120調整次級回路108中的流速，以保持空氣處理器124的設計AT。
[0093]在步驟1112，輸出可被提供給例如VFD或其它泵控制器，或者甚至直接提供給泵，以增加或減少如在步驟1108中確定的流速。在以上該實例中，通過減少流速，冷凍水在空氣處理器124中保持更長時期。因為冷凍水通過空氣處理器124更長時期地暴露于溫暖的建筑物空氣，這致使冷凍水的焓增加。
[0094]冷凍水的焓上的增加升高了空氣處理器124的離開冷凍水溫度。隨著水離開次級回路108，次級回路的出水溫度升高。以這種方式，Λ T可增加到接近或達到設計AT(減少或消除了低Λ T綜合癥)。
[0095]雖然以上實例描述了保持空氣處理器124處等AT，以這種方式可保持其它冷凍水設施部件(包括初級、次級或其它回路)處的以及設施部件內的ΛΤ。例如，在一個或多個實施例中，冷凍水設施的控制器可改變一個或多個冷凝器水泵的流速，以保持冷凍器部件(例如冷凍器的冷凝器)的AT。
[0096]如上簡要論述，操作策略也可包括一個或多個臨界區(qū)重置。在一個或多個實施例中，臨界區(qū)重置改變控制流速的ΛΤ。本質上，臨界區(qū)重置改變通過操作策略控制流速的AT線。這允許操作策略根據各種Λ T線通過操作滿足冷卻需求。實際上，這些AT線將典型地接近在設計AT處生成的AT線。當接近或達到設計Λ T有效地操作冷凍水設施時，操作策略因此是靈活的并且能夠滿足各種冷卻需求。
[0097]臨界區(qū)重置可用于增加或減少冷卻輸出，例如通過增加或減少冷凍水流量。在一個或多個實施例中，臨界區(qū)重置可用于通過增加冷凍水流量增加冷卻輸出。這可發(fā)生在冷卻需求不能通過以特定AT操作冷凍水設施被滿足的情形。例如，如果冷卻需求不能被滿足，則臨界區(qū)重置可用于將操作策略保持的當前ΛT重置到新的值。例如，操作策略保持的Δ T可從16度重置到15度。為了在冷凍水設施部件處產生這種低Λ T值，冷凍水的流速可被增加，以保持一個或多個冷凍水設施部件的新的AT值。增加的流速將額外的冷凍水提供給冷凍水設施部件，其反過來提供增加的冷卻輸出來滿足需求。例如，到達空氣處理器的增加的冷凍水流量將為空氣處理器提供額外的冷卻空氣容量。
[0098]注意，當冷凍水設施或其部件正產生太多的或過度的冷卻輸出時，也可發(fā)生臨界區(qū)重置。例如，如果冷卻需求被降低，則臨界區(qū)重置可改變被保持的AT，以使其接近設計AT。例如在以上實例中，當冷卻需求被降低時，AT可從15度重置回16度。相應地，冷凍水流速可被減少，這減少冷卻輸出。典型地，基于如在試運轉過程期間發(fā)現的系統動力學，計算AT設置點的線性重置。
[0099]圖12是一圖表，其示出了用于示例性的空氣處理器單元的臨界區(qū)重置的實例。由此可見，△ T可被重置到較低的值，以提供更多冷凍水流量，從而降低空氣處理器單元的供給空氣溫度。由此還可見，將ΛT重置到較高的值通過減少到達空氣處理單元的冷凍水流速升高了供給空氣溫度。
[0100]在操作中，λ T被重置到的值可以各種方式確定。例如，在一些實施例中，用于進水和出水溫度(即重置AT)的新值可根據公式或方程確定。在其它實施例中，一組預先確定的設置點可用于提供重置Λ T值。這能夠關于圖12 (其示出了示例性的一組設置點1024)進行描述。一般而言，每個設置點1204為給定觸發(fā)事件提供AT值。例如在圖12中，每個設置點1204為空氣處理器單元的給定空氣供給溫度提供Λ T值。設置點1204可在按需流量設置或試運轉期間確定，并且以后可根據需要調整。
[0101]如果新的或重置λ T值仍不足以滿足冷卻需求，可觸發(fā)另一臨界區(qū)重置，以便再次重置由操作策略保持的AT。在一個或多個實施例中，臨界區(qū)重置可發(fā)生，直到冷凍水設施能夠滿足冷卻需求。
[0102]在一個或多個實施例中，臨界區(qū)重置通過增加量(例如度)改變待保持的AT。這有助于確保待保持的AT接近設計AT。雖然可導致冷凍水部件內的輕微減少的效率，但基本減少或消除低△ T的益處勝過效率上的輕微減少。當和傳統的控制方案相比時，按需流量的效率增益將基本保持。
[0103]導致臨界區(qū)重置的情況在這里將被認為是觸發(fā)器或觸發(fā)事件。如所述，當冷凍水設施部件正產生太多或太少的冷卻輸出時，可觸發(fā)臨界區(qū)重置。為了確定設施部件是否正產生太多或太少的冷卻輸出，操作策略可利用來自一個或多個傳感器的信息。如將在下文進一步描述，此信息可包括冷凍水設施內的冷凍水的特征(例如溫度或流速)、一個或多個冷凍水設施部件的操作特征、空間的空氣或環(huán)境條件(例如溫度或濕度)以及其它信息。參考圖12，例如，觸發(fā)器可以是空氣處理器單元的供給空氣溫度。例如，如果供給空氣溫度和需要的空氣供給溫度不匹配，可觸發(fā)臨界區(qū)重置。
[0104]如上述間接提到，作為臨界區(qū)重置的結果，AT也可通過操作策略增加。例如，如果冷卻需求降低，可通過臨界區(qū)重置將AT重置到較高的值。在圖12中顯示將AT重置到較高的值以降低冷卻輸出(即升高空氣處理器單元的供給空氣溫度)的實例。與上文類似，通過臨界區(qū)重置增加△ T可通過各種事件或條件被觸發(fā)。
[0105]圖1lB是流程圖，其示出了可通過控制器1024執(zhí)行的示例性操作，包括臨界區(qū)重置操作。在步驟1116，在步驟1104接收的信息可被處理，以確定是否已發(fā)生觸發(fā)。如果如此，則可發(fā)生臨界區(qū)重置，其將Λ T線重置到泵送被控制的狀態(tài)。例如，由一個或多個傳感器提供的操作特征(例如空氣處理器水閥的位置、VFD速度或輸出、設施旁路中等冷凍水溫度)或其它信息可引起臨界區(qū)重置，這將在下文進一步描述。
[0106]如果發(fā)生臨界區(qū)重置，則控制器將利用在步驟1108的AT的重置值或重置AT線來確定是否需要增加或減少流速。然后，如上所述，輸出可被提供給一個或多個泵，以實現這種流速改變。如果沒發(fā)生臨界區(qū)重置，則控制器可繼續(xù)使用當前Λ T線或AT，并相應地控制流速。注意，圖1lA和IlB的步驟可連續(xù)發(fā)生或可在各個時期發(fā)生。以這種方式，臨界區(qū)重置和流速相對來說可連續(xù)地或在需要的時期調整。
[0107]現在將關于冷凍水泵和冷凝器水泵的操作描述按需流量的操作策略。如將根據以下論述變得明顯，通過操作策略控制泵送和流速對冷凍水產生(例如冷凍器)、冷凍水泵送、冷凝水泵送、冷卻塔風扇操作和空氣側風扇操作具有非常有益的影響。
[0108]A.冷凍水泵操作
如上所述，冷凍水泵提供通過冷凍水設施的冷凍水流。在一個或多個實施例中，冷凍水泵提供通過冷凍水設施等初級、次級、三級或其它回路的冷凍水流。
[0109]在一個或多個實施例中，操作策略控制這種冷凍水泵，以使其流速位于或接近上述的ΛΤ線。如關于圖9D的曲線圖所述，特別是當和傳統的控制方案比較時，根據AT線操作冷凍水泵產生相當大的能量節(jié)省。
[0110]根據AT線操作冷凍水泵可以各種方式完成。一般而言，這種操作使一個或多個泵處的流速保持位于或接近ΛΤ線。根據冷凍水泵的位置或類型，操作策略可利用不同的方法。例如，根據泵是否位于初級、次級、三級或其它回路上，不同的操作可用于控制冷凍水泵的流速。在一個或多個實施例中，由冷凍水泵提供的流速可通過連接到泵的變頻驅動(VFD)控制。應理解的是，其它裝置(包括冷凍水泵自身的裝置)可用于控制流速、泵送速度坐寸ο
[0111]特別地，但不總是，操作策略控制通過一個或多個冷凍水泵的流速，以保持在冷凍水設施的一個或多個點的溫度。一個或多個傳感器可用于探測這些點的溫度。流速然后可被調整，以根據來自傳感器的溫度信息保持溫度。以這種方式，在冷凍水設施的一個或多個點可保持ΔΤ。
[0112]參考圖1，在一個實施例中，操作策略可控制次級冷凍水泵120，以保持在空氣處理器124的AT，優(yōu)選地達到或接近設計AT。這根據Λ T線操作次級冷凍水泵120，并且確?？諝馓幚砥?24在有效地操作時能提供其額定冷卻容量。如上所述，可通過增加或減少經由次級冷凍水泵120等流速保持特定AT。
[0113]操作策略也可控制初級冷凍水泵116，以同樣保持冷凍水設施的一個或多個點處的AT。例如，初級冷凍水泵116可被操作，以保持用于初級回路104、次級回路108或兩者的AT。再次，這可通過增加或減少一個或多個初級冷凍水泵116的流速實現。
[0114]如根據容量方程可見，AT和流速之間的關系為線性。從而，通過保持初級和次級回路104、108的特定ΛΤ，流速將典型地接近或處于平衡狀態(tài)。這減少或消除了過度流量，從而導致旁路混合的減少或消除。
[0115]注意，在一個或多個實施例中，可使用消除旁路混合的其它方式。在一個實施例中，初級冷凍水泵116可被控制，以保持冷凍水設施的旁路128內的溫度。因為旁路128內的溫度是旁路混合的結果，保持旁路內的溫度也控制旁路混合。以這種方式，旁路混合和其對低AT的復合影響可被極大地減少，并且，在許多情況下被有效地消除。在一個實施例中，保持的溫度可使得初級和次級回路104、108之間存在平衡或近似平衡，從而減少或消除旁路混合。
[0116]例如，可通過測量旁路128內的冷凍水的溫度確定次級回路108中的過度流量。如果旁路溫度接近或等于來自空氣處理器124的返回水溫度，則存在過度次級流量，并且初級冷凍水泵116等速度可被增加，直到旁路中的冷凍水溫度下降到接近或達到初級回路104中的冷凍水的溫度。如果旁路溫度接近或等于來自初級回路104的供應冷凍水溫度，則存在過度初級流量。初級冷凍水泵116等速度可被減少，直到旁路溫度下降到來自空氣處理器124和初級回路104的返回冷凍水溫度之間的中點。在這種“死區(qū)”內的旁路溫度對初級泵速沒有重置影響。在一個或多個實施例中，初級冷凍水泵116等速度可能不減少到初級冷凍水泵的AT設置點之下。
[0117]在另一實施例中，操作策略可控制初級冷凍水泵116，以通過使初級回路104中的冷凍水的流速與次級回路108中的冷凍水的流速匹配來減少或消除過度流量。一個或多個傳感器可用于確定次級回路108的流速，以允許初級冷凍水泵116匹配流速。
[0118]現在將關于根據操作策略的冷凍水泵的操作描述臨界區(qū)重置。如上所述，臨界區(qū)重置可改變冷凍水泵被操作的ΛΤ線。一般而言，當有太多或太少的冷卻輸出時，如可通過一個或多個傳感器確定，可發(fā)生臨界區(qū)重置。對于不同的冷凍水泵，臨界區(qū)重置可在不同的時間發(fā)生和/或基于不同的傳感器信息發(fā)生。
[0119]參考圖1，例如，如果確定通向空氣處理器124沒有足夠的冷凍水流量來滿足冷卻需求，則可觸發(fā)用于次級冷凍水泵120的臨界區(qū)重置。這種確定可基于各種信息(典型地由一個或多個傳感器收集)而做出。例如，當來自空氣處理器124的冷卻的空氣比需要的更暖時，可發(fā)生臨界區(qū)重置。
[0120]在一個實施例中，空氣處理器124內的一個或多個冷凍水閥的位置可表不,沒有足夠的冷凍水流量并觸發(fā)臨界區(qū)重置。例如，冷凍水閥打開超過85%或者另一閾值可表示空氣處理器124是“極需”冷凍水并且觸發(fā)臨界區(qū)重置。在一個實施例中，臨界區(qū)重置可遞增地降低空氣處理器124上待保持的AT，引起通過空氣處理器的冷凍水流速的增加。空氣處理器124現在可滿足冷卻需求。如果不能，則空氣處理器的冷凍水閥將保持打開超過閾值，并且可觸發(fā)額外的臨界區(qū)重置，直到冷卻需求能被滿足。隨著冷卻被滿足，冷凍水閥關閉，這阻止進一步的臨界區(qū)重置。
[0121]圖13是一圖表，其示出了用于示例性空氣處理器單元的臨界區(qū)重置。在這個實施例中，臨界區(qū)重置由空氣處理器單元的冷凍水閥的位置觸發(fā)。由此可見，隨著冷凍水閥朝100%打開的方向調節(jié)，Λ T被重置到較低的值，以將額外的冷凍水流量提供給空氣處理器單元。在操作中，將冷凍水供應給空氣處理器單元的冷凍水泵(例如次級或三級冷凍水泵)可用于提供額外的冷凍水流量。注意，圖13還顯示，當冷凍水閥的位置從打開移動至閉合時，臨界區(qū)重置可用于增加AT。
[0122]對于初級冷凍水泵116，也可觸發(fā)臨界區(qū)重置。在一個或多個實施例中，對于初級冷凍水泵116，可觸發(fā)臨界區(qū)重置，以確保在冷凍水設施里有很少的或沒有旁路混合。在一個或多個實施例中，過度流量(如果有的話)可通過感知旁路的水溫而被探測。旁路內的水溫的增加或減少可觸發(fā)臨界區(qū)重置。例如，隨著旁路的水溫增加，初級回路中的泵送可被增力口，以保持在初級回路和次級回路之間的平衡。在一個實施例中，用于初級冷凍水泵116的VFD可通過每分鐘加或減IHz來調節(jié)，直到產生平衡或近似平衡。在操作中，操作策略將典型地導致過度流量，其在零和可忽略的流量之間振蕩，從而導致旁路混合的顯著減少或消除。注意，在一些實施例中，因為平衡在旁路里的流量可以是高度可變的和動態(tài)的，臨界區(qū)重置可連續(xù)地發(fā)生。
[0123]例如，在一個實施例中，旁路中的溫度可被測量和控制(例如通過產生泵VFD頻率調整)到48度的設置點。這種設置點溫度通過系統在一定程度上可變，并且在試運行時被確定。隨著旁路中的溫度升高超過所述設置點，與產生冷凍水流量相比，過度分配水流量的跡象是已知的。按需流量生產泵算法然后可重置，通過臨界區(qū)重置，以使VFD頻率每分鐘增大1Hz，直到分離器中的溫度下降低于設置點減去2度死區(qū)之時。這些參數還可通過系統可變并應在系統試運行時被確定。低于設置點加死區(qū)的旁路溫度表示已獲得過度產生水流量，并且產生泵送控制算法然后以每單位時間的相同頻率倒轉，但不會高于原始的ATS置點。該控制策略允許產生泵送滿足次級或分配回路中的動態(tài)負載條件。這將在所有剛建成等分離泵送系統中的低Λ T綜合癥減少至其最低可達水平。注意，最小VFD頻率可在試運行期間被設定，以匹配制造商的最小流量需求。
[0124]操作策略(包括其臨界區(qū)重置)可被應用于分離的冷凍水設施的各種配置。圖14示出了示例性冷凍水設施，其具有初級回路104、次級回路108和三級回路1404。眾所周知，次級回路108可為分配線路，其將冷凍水運送到三級回路1404。注意，在一些冷凍水設施中可提供多個三級回路1404。一般而言，三級回路1404具有至少一個三級冷凍水泵和一個或多個空氣處理器124，其向一個或多個建筑或其它結構提供冷卻。
[0125]在操作中，三級冷卻泵1408可被操作，以保持空氣處理器124上的AT。如上所述，對于空氣處理器124，此AT優(yōu)選地接近或達到設計AT。次級冷凍水泵120可被操作，以保持在三級泵204上的AT。優(yōu)選地，對于三級回路204，此Λ T接近或達到設計AT。初級冷凍水泵116可被操作，以保持冷凍器112上的AT。對于冷凍器，此AT優(yōu)選地接近或達到設計AT。
[0126]在具有一個或多個三級回路1404的冷凍水設施中，臨界區(qū)重置還可基于各種標準被觸發(fā)。例如，用于三級冷凍水泵1408的臨界區(qū)重置可基于空氣處理器124中的冷凍水閥的位置被觸發(fā)。用于次級冷凍水泵120的臨界區(qū)重置可基于三級冷凍水泵1408的流速(例如由泵的速度指示)、泵的VFD輸出等被觸發(fā)。三級冷凍水泵1404處的高流速可表示三級回路1404或三級泵1408是“極需”冷凍水的。從而，臨界區(qū)重置可被觸發(fā)，以通過增加一個或多個次級冷凍水泵120處的流速從次級回路208向三級回路1404提供額外的冷凍水流量。
[0127]例如，在一個實施例中，當任意三級冷凍水泵1404 VFD頻率達到55Hz時，為了阻止三級泵VFD頻率升高而高于55Hz或其它頻率閾值，次級回路208的泵Λ T設置點可通過臨界區(qū)重置被線性重置。該設置點、頻率閾值或二者可在冷凍水設施的按需流量的試運行或安裝期間被確定。
[0128]圖15是一圖表，其示出了用于三級冷凍水泵的臨界區(qū)重置。在這個實施例中，臨界區(qū)重置通過三級水泵的VFD的操作頻率(Hz)觸發(fā)。由此可知，隨著三級泵VFD (或三級泵速或流速的其它指示)增加，AT可被重置到較低的值。如所述，降低AT值引起通向三級泵的冷凍水流量增加，從而允許冷卻需求被滿足。臨界區(qū)重置發(fā)生的頻率和其關聯的AT值可在冷凍水設施的按需流量的設置或試運行期間被確定。注意，隨著三級泵的頻率或速度減少，AT也可增加。
[0129]用于初級冷凍水泵116的臨界區(qū)重置可如上所述發(fā)生，以保持平衡或近似平衡，從而極大地減少或消除初級和次級回路104、108之間的旁路混合。
[0130]注意，在一個或多個實施例中，對于冷凍水設施子系統的大多數臨界區(qū)域，臨界區(qū)重置可被觸發(fā)。臨界區(qū)域在這個意義上可被認為是在區(qū)域或過程中必須被保持以提供所需條件的參數。此參數可包括空氣處理器供應空氣溫度、空間溫度/濕度、旁路溫度、冷凍水閥位置、泵速或VFD頻率。例如，三級冷凍水泵送(例如校園設計中的建筑物泵送系統)可基于在建筑物內的大多數臨界區(qū)域被重置而離開其ΛT線。分配泵送可基于該系統中的大多數臨界三級泵VFD HZ被重置而離開其AT線。
[0131]B.冷凝器水泵操作
一般而言，冷凝器水泵提供冷凝水流，以允許冷凍器內的制冷劑的冷凝。因其允許制冷劑蒸汽返回液態(tài)以繼續(xù)制冷循環(huán)，該冷凝是制冷循環(huán)的重要部分。在一個或多個實施例中，操作策略的應用致使冷凝水泵根據AT線操作，從而產生相當大的能量節(jié)省。
[0132]圖16示出了在外殼1608內包括多個冷凝器管1604的示例性冷凝器512。制冷劑蒸汽可被容納在外殼1608內，以使制冷劑蒸汽接觸冷凝器管1604。在操作中，冷凝器水流經冷凝器管1604，引起冷凝器管1604具有比制冷劑蒸汽更低的溫度。結果，隨著來自蒸汽的熱量通過冷凝器管被傳遞到冷凝器水，制冷劑蒸汽在冷凝器管1604上冷凝。
[0133]在一個或多個實施例中，通過控制通過冷凝器管1604的冷凝器水的流速，操作策略影響制冷劑和冷凝器水的溫度。降低冷凝器水的流速導致水在冷凝器管1604內保留更長時間。從而，從制冷劑蒸汽吸收增加量的熱，導致冷凝器水以更高的溫度和焓離開冷凝器。另一方面，增加冷凝水的流速減少了冷凝水在冷凝器管1604內的時間。從而，更少的熱被吸收，并且冷凝器水以更低的溫度和焓離開冷凝器。
[0134]如上所述，由在冷凍器中的低AT造成的一個問題是堆積。操作策略解決由處于低的冷凝器水進入溫度的冷凝器水的低AT造成的堆積問題。在一個或多個實施例中，這通過根據Λ T線控制冷凝器水的流速實現。以這種方式，冷凍器的最小提升需求可被保持，并且堆積問題如果沒被消除也基本減少。在一個或多個實施例中，通過控制冷凝器處的冷凝器水離開溫度來控制飽和冷凝器制冷劑溫度，可保持提升需求。如上所述，操作策略可通過控制冷凝器水溫度的流速控制冷凝器水離開溫度。因為飽和冷凝器制冷劑壓力隨著飽和冷凝器制冷劑溫度增加或減少，冷凍器中的△ P或提升能夠通過控制冷凝器水流而被保持。
[0135]在操作中，操作策略可控制一個或多個冷凝器水泵(例如通過VFD)，以保持冷凝器上的AT。因此，冷凝器處的冷凝器水離開溫度和冷凍器中的提升也被保持。
[0136]另外，為解決堆積，按需流量的操作策略也可被配置成，通過根據AT線操作冷凝器水泵516，有益地影響在冷凍器112處的質量流、提升或二者。一般而言，質量流指的是對于給定負載的在冷凍器內循環(huán)的制冷劑量，而提升指的是制冷劑必須被改變越過的壓力/溫度差異。提升和質量流的量表示了可冷凍器的壓縮機520的能量使用。從而，根據操作策略操作冷凝器水泵516通過減少壓縮機能量使用提供效率增益。
[0137]冷凍器的壓縮機520可被認為是制冷劑蒸汽泵，其將低壓和低溫氣體從蒸發(fā)器508以更高溫和更高壓狀態(tài)傳遞到冷凝器512。在此過程中使用的能量可由方程E=MF*L/K表示，其中E是使用的能量，MF是質量流，L是提升，并且K是制冷劑常量。如從方程可見，降低質量流或提升減少了能量使用。
[0138]必須循環(huán)通過冷凍器112，以針對給定量的功或輸出(噸)產生所需制冷效果(RE)的質量流(或制冷劑的重量)可通過公式MF=Tons*K/RE描述，其中K是某一常量。簡單地說，此公式顯示，增加制冷效果降低了制冷劑的重量，或質量流，其針對給定量的功需要循環(huán)通過冷凍器。當針對給定量的功減少壓縮機能量時，增加制冷效果也增加冷凍器的可交付容量。
[0139]制冷效果可以各種方式被增加。一種增加制冷效果的方式是通過過冷冷凝器中的制冷劑。過冷可通過降低冷凝器處的冷凝器水進入溫度實現。眾所周知，冷凝器水進入溫度是冷卻塔設計和環(huán)境條件的函數。較低的冷凝器水進入溫度允許冷凝器在制冷劑離開冷凝器時產生較低的制冷劑溫度。當在制造商的規(guī)范之內操作的同時，在冷凝器可允許的最冷季節(jié)性可獲得的冷凝器水進入溫度下操作提供了最大的過冷。
[0140]過冷制冷劑將其溫度減少到飽和之下，并降低了在膨脹循環(huán)或節(jié)流過程期間發(fā)生的“閃蒸(flashing)”的量。閃蒸是用于描述用來將制冷劑從過冷的冷凝器冷卻到飽和的蒸發(fā)器溫度的制冷劑的量的術語。通過此“閃蒸”，不能獲得有用的制冷效果，并且其被認為是制冷效果的抵消。因此，過冷越多，每循環(huán)有用的制冷效果越高。
[0141]圖17是一圖表，其示出了冷凍水設施中(其中已應用按需流量)過冷的益處。一般而言，該圖表量化了按需流量壓縮機能量轉移。在該圖表中，Design CoPr (設計CoPr)根據已知的冷凍器性能數據進行計算。Operating CoPr (操作CoPr)是基于當前冷凍器操作RE和HC根據Design CoPr的調整。
[0142]可以看出，該圖表的首行顯示設計效率為0.7 KW/Ton，并且CoPr為8.33。第二行是在實施按需流量之如冷凍器的操作條件的瞬象(snapshot)ο第二行是在按需流量之后在近似相同的環(huán)境/負載條件下的相同冷凍器。第四行是冷凍器在最好的操作條件下能獲得的效率。注意，通過改進RE在此冷凍器中實現的名義噸位和效率的改變。噸位增加30%，而效率增加超過50%。
[0143]如上參照圖6A所述，制冷循環(huán)可通過壓力-焓曲線圖說明?，F參考圖6B，過冷的有益效果也能通過壓力-焓曲線圖顯示。如圖6B所示，過冷壓縮機中的制冷劑將制冷劑的焓從點616減少到點628。過冷的制冷劑然后可在點624進入蒸發(fā)器。由此可知，這將制冷效果從點604延伸到點624。
[0144]對壓縮機能量的另一貢獻者是蒸發(fā)器和冷凝器之間的壓差或ΛΡ，壓縮機必須在該壓差或Λ P傳遞制冷劑。如上所述，此Λ P在工業(yè)上一般被認為是提升，并且一般以蒸發(fā)器中的飽和制冷劑和壓縮機之間的溫度差表示。壓縮機能量上的提升效果可在能量方程中
可知，其中L是提升。例如，根據方程，提升的增加導致能量使用的增加，而提升的減少則減少能量使用。
[0145]實際而言，蒸發(fā)器飽和壓力可被認為是相對的常量。此壓力可通過蒸發(fā)器的冷凍水離開溫度確定。例如，一個或多個設置點或圖表可用于確定蒸發(fā)器內的飽和制冷劑壓力。冷凍水離開溫度和飽和制冷劑溫度之間的差異被認為是蒸發(fā)器近似溫度。
[0146]在一個或多個實施例中，根據按需流量操作策略的提升的減少可通過減少冷凝器內的制冷劑壓力實現。這可通過減少冷凝器處的冷凝器水離開溫度實現，因為飽和的冷凝器制冷劑壓力由冷凝器水離開溫度和相對飽和的制冷劑溫度的設計近似值而設置。設計近似溫度可根據冷凍器的性質改變。例如，低廉的冷凍器可具有4度或更高的近似值，而更好質量的冷凍器可具有I度或更小的近似值。
[0147]在恒定體積泵送系統中，冷凝器水離開溫度一般和冷凝器處的冷凝器水進入溫度線性相關。因此，減少冷凝器水進入溫度則減少冷凝器水離開溫度。圖19是一圖表，其示出了示例性冷凝器恒定體積泵送的冷凝器水離開和進入溫度的關系。
[0148]如上所述，減少的冷凝器水離開溫度減少冷凝器內的制冷劑壓力，過冷制冷劑并且從而延伸制冷效果。冷凝器內的制冷劑壓力的減少也減少提升。從而，減少冷凝器水進入溫度具有增加制冷效果和減少提升的雙重益處。
[0149]將冷凝器水進入溫度減少到剛高于冷凍點，在理論上，將對質量流和提升具有最優(yōu)的實際效果。遺憾的是，冷凍器具有最小的提升需求(其通常由于冷凍器制造商、構造和型號而變化)。飽和的制冷劑冷凝壓力必須被保持在這些最小點或其之上，以提供足夠的壓差(即制冷劑的△ P)，從而驅動冷凝器中通過節(jié)流或膨脹過程的制冷劑。如果這些壓力需求不滿足，則制冷劑將導致堆積并且導致冷凍器根據冷凍器的各種安全裝置而關閉。
[0150]不像恒定流量系統，該操作策略通過調節(jié)冷凝器水的流速，無論冷凝器水進入溫度，都能控制提升。因為允許使用較低的冷凝器水進入溫度，因而這是非常有利的。通過允許較低的冷凝器水進入溫度，在沒有堆積的情況下，操作策略通過增加過冷(和制冷效果)和提升顯著減少壓縮機能量。實際上，操作策略過冷可被增加到最大可允許的極限，以使能量節(jié)省最大化。不管冷凝器水進入溫度以及經由冷凝器泵送水算法，這種控制提升的按需流量方法對本行業(yè)而言是獨特的。
[0151]另外，因為傳統的冷凝器泵送水系統以恒定體積操作，冷卻塔總是處于滿流量條件，甚至處于部分負載條件。在恒定流量控制方案中，由于冷卻塔上的負載減少，在該塔處的操作范圍或AT也減少，這減少了該塔的效率。相反，利用操作策略，冷卻塔處的AT經由前述的冷凝器水泵送算法被保持在達到或接近塔的設計ΛΤ。因為效率已經增加，這對于相同量的冷卻塔風扇能量獲得較低的塔槽溫度是重要的。較低的塔槽溫度對應于冷凝器處的較低的冷凝器水進入溫度。重要的是，要注意，冷凝器和冷卻塔在共同的△ T設計點(典型地為10度)被選擇作為工業(yè)標準。
[0152]在操作策略上，對于給定的槽溫度設置點，根據前述的恒定Λ T算法控制冷凝器水泵，最小冷卻塔風扇能量被保持。這種與塔負載無關、經由冷凝器水泵送來控制冷卻塔效率的方法對本行業(yè)而言是獨特的。通過使冷凍器、冷凝器水泵送和冷卻塔子系統在按需流量策略條件下操作，在冷凍器、冷凝器水泵送和冷卻塔子系統之間存在協同，其減少了凈系統能量。
[0153]這里注意，操作策略增加制冷效果的另一方法是通過增加蒸發(fā)器內的制冷劑的過熱。增加的制冷劑過熱的一個益處是其減少了每循環(huán)制冷劑質量流需求。這減少了壓縮機的能量使用。如在圖6C中可知，在蒸發(fā)器內生成的制冷劑過熱將制冷效果從點608延伸到具有較高焓的點620。
[0154]利用操作策略，通過根據基于設計AT條件恒定Λ T算法控制冷凍水泵，制冷劑過熱在冷凍器的負載范圍保持恒定。這種不管蒸發(fā)器負載如何、經由冷凍水泵送算法控制冷凍器過熱到設計條件的方法對本行業(yè)而言是獨特的。
[0155]在傳統操作的冷凍水設施中，蒸發(fā)器處的具有低AT的冷凍水顯著減少并且有時消除了冷凍器的蒸發(fā)器內的制冷劑過熱。蒸發(fā)器內的制冷劑過熱的減少或消除減少了制冷效果。例如，在圖6C中，制冷劑過熱的減少可導致制冷效果從點620縮短到點608。
[0156]由于低的冷凍水△ T而不是非常飽和的制冷劑是不夠過熱的，并且因為制冷劑不充分地蒸發(fā)能夠對壓縮機造成損壞。實際上，制造商經常將消除器屏幕添加到蒸發(fā)器部件的頂部，以在較大液滴的制冷劑進入壓縮機之前驅散未被過熱和充分地蒸發(fā)的較大液滴的制冷劑。如果這些液滴到達壓縮機，其導致過度的壓縮機噪音并且損壞壓縮機。從而，通過保持或增加制冷劑過熱，以在制冷劑到達壓縮機之前使其充分地蒸發(fā)，按需流量提供了防止形成這種液滴的額外益處。
[0157]在一個或多個實施例中，操作策略通過根據AT線控制冷凍水泵保持制冷劑過熱。以這種方式，無論蒸發(fā)器負載如何，制冷劑過熱都可被保持在接近或達到設計條件。當和以低AT操作的傳統冷凍器相比時，操作策略條件下的制冷劑過熱典型地大得多。
[0158]例如，參考圖1，初級回路104的初級冷凍水泵116可根據如上所述的Λ T線被控制。以這種方式，可保持冷凍器112等AT。如根據圖5可知，這保持冷凍器的蒸發(fā)器508(其通過一個或多個冷凍水導管532連接到初級回路)處的冷凍水的AT。作為保持蒸發(fā)器508處的冷凍水AT的結果，制冷劑過熱可在蒸發(fā)器中被保持接近或達到設計條件。
[0159]由此可知，作為根據操作策略保持AT的結果，冷凍器水和冷凝器泵送子系統水之間的協同逐漸形成。例如，控制冷凝器水進入溫度、冷凝器水離開溫度和冷凝器泵流速，對冷凍器能量、冷凝器泵能量和冷卻塔效率提供了協同效應。應理解的是，在操作策略的試運轉或設置期間可發(fā)現最佳冷凝泵、冷凍器和冷卻塔風扇能量的組合。
[0160]IV.按需流量能量使用
如根據上文顯示，冷凍水設施控制系統/方案能積極或消極地影響冷凍水設施的容量和能量使用。一般而言，傳統的控制方案幾乎完全關注△ P，因此對于特定負載導致假象容量減少和過度能量使用。無論負載如何，按需流量都能減少能量使用并能使冷凍水設施容量最大化。
[0161]下文描述了在冷凍水設施子系統(包括冷凍水泵、冷凝水泵、壓縮機、冷卻塔風扇和空氣側風扇)通過按需流量提供的能量使用上的減少。
[0162]Α.冷凍水泵
基于可變流量冷凍水應用的基本前提通過親合定律最好理解。親合定律規(guī)定系統負載(噸)和流量(GPM)是線性的，系統負載和壓降(TDH)是平方函數，并且系統流量和能量是立方函數。因此，隨著系統負載被減少，冷凍水流量的量被成比例地減少，但能量成指數地減少。
[0163]如前文所揭示的，傳統的基于ΛΡ的冷凍水泵送算法可減少流量，但是不足以避免低AT綜合癥系統。由于建筑物負載從設計條件降低，系統負載(噸)和流量(GPM)之間

(GPM-AT')
的關系通過方程19^= ^^描述。通過按需流量的操作策略將Λ T值保持達到或接近設計參數，使根據原始系統設備選擇標準和規(guī)范的流量(GPM)最優(yōu)化，從而最優(yōu)化功和泵送能量。另外，如通過親合定律可知，通過按需流量提供的最佳流速按指數地減少能量使用。
[0164]如先前所述，使用冷凍水泵控制系統的設計Λ Τ，具有通過過熱優(yōu)化冷凍器能量以及冷凍水泵能量的雙重效果。而且，如將在下文中描述的，作為按需流量操作策略的直接結果，空氣側容量也將被增大，并且風扇能量被減少。
[0165]B冷凝器水泵
親合定律同樣適用于冷凝器側能量。隨著建筑物負載從設計條件下降，系統負載(Tons)與冷凝器水流量(GPM)之間的關系同樣通過親合定律描述。通過按需流量控制算法將AT保持達到或接近設計參數，優(yōu)化了根據原始系統設備選擇標準的流量(GPM)，從而優(yōu)化了功和泵送能量。類似于冷凍水泵，隨著流速減少，冷凝器水泵(以及其他泵)的能量使用成指數地減少。
[0166]如前文所揭示的，傳統的基于恒定體積的冷凝器水泵送策略在冷凝器上導致非常低的操作Λ Τ，從而使通過過冷制冷劑減少壓縮機能量的容量最小化。在冷凝器水泵上使用操作策略，具有優(yōu)化泵能量、冷卻塔效率和管理冷凍器中的最小提升需求的三重效果(甚至在非常低的冷凝器水進入溫度時)。作為該按需流量控制策略的直接結果，冷卻塔效率也將被增大，并且風扇能量被減少，這將在后文中得到進一步的證實。
[0167]按需流量的冷凝器水泵能量使用的變化可以如冷凍水泵送能量相同的方式被確定。注意，在冷凝器水泵相對于冷凍器的名義噸位較小的(例如低馬力)的不常見情形中，在上限負載條件下在按需流量條件下操作冷凝器水系統使其達到或接近△ Τ，在一些情形下可能導致冷凍水設施比以低冷凝器水AT操作使用略微更高的能量。然而，，甚至當在非常低的冷凝器水進入溫度操作時，以這種方式在按需流量條件下操作也能保持冷凝器處的適當提升。這使過冷最大化，其典型地更多是補償由在上限負載條件下在接近或達到設計AT時操作所導致的任何增加。最佳的操作△ T將典型地通過現場測試在試運轉或設置過程期間被確定。
[0168]C.壓縮機
通過應用按需流量操作策略獲得的壓縮機能量的減少，通過計算制冷劑性能系數(COPR)的相關變化而被最佳量化。COPR是制冷循環(huán)內的效率的測量，其相對于壓縮循環(huán)消耗的能量的量基于蒸發(fā)器內吸收的能量的量。確定COPR的兩個因素是制冷效果和壓縮熱。壓縮熱是等同于壓縮循環(huán)期間做功的熱能。壓縮熱被量化為進入和離開壓縮機的制冷劑之間的焓的差。這種關系可被規(guī)定為COPR = ^;,其中RE是制冷效果，并且HC是壓縮熱。
HL.對于最佳的C0PR，制冷劑過熱應盡可能高，并且制冷劑過冷應盡可能低。
[0169]使用冷凍水泵送、冷凝器水泵送和冷卻塔風扇子系統來獲得最佳的COPR對工業(yè)是獨特的，并且對按需流量技術是必要的。
[0170]現在將進一步解釋在按需流量下的壓縮機能量變化。根據已知的冷凍器性能數據計算設計C0PR，而操作COPR是根據基于當前制冷效果和壓縮熱的設計的調整。例如，圖19的圖表包含來自Carrier (Carrier公司的商標)冷凍器在實際按需流量改型之前和之后的設計和測量的制冷劑特性。此電子數據表的首行顯示設計效率為0.7Kff/Ton并且設計COPR為8.33。第二行是在按需流量實施之前冷凍水系統的測量操作參數。第三行是利用按需流量后冷凍水系統的測量操作參數。第四行是冷凍器在最佳操作條件下能夠獲得的效率。注意，通過提高制冷效果在此冷凍器上獲得的名義噸位和效率的變化。噸位增加30%，而效率增加超過50%。
[0171]此數據現在被應用到圖20中的壓力焓曲線圖，以便用圖形示出應用按需流量之前和之后制冷循環(huán)內的基本變化。由此可知，通過比較之前的曲線圖2004和之后的按需流量曲線圖2008，在按需流量條件下存在增加的制冷效果和減少的提升(無堆積)。由此還可知，應用按需流量具有增加的過冷2012以及制冷劑過熱2016。
[0172]D.冷卻塔風扇
按需流量冷卻塔風扇能量與良好保持的系統(其利用在當前環(huán)境條件下可獲得的最低槽溫操作)中的負載近似成線性。冷凝器水進入溫度或冷卻塔風扇設置點可被設置等于設計濕球溫度+近似于濕球的冷卻塔槽溫度。冷卻塔風扇能量的變化可基于實際的冷凝器水進入溫度、名義在線噸位、測量噸位和在線冷卻塔風扇馬力。
[0173]具有應用的按需流量操作策略的工作系統的圖表顯示在圖21中。在該個案研究中，冷卻塔風扇設置點從83度降低到61度，以證實當冷凝器水進入溫度下降時子系統之間的能量變化。該圖表應從右向左閱讀。
[0174]E.空氣側風扇
空氣側風扇能量和容量直接受設施中的低ΛΤ綜合癥和旁路混合影響。例如，在設計負載條件，冷凍器水溫的2度的上升能以30%增加可變氣體容積空氣處理器單元風扇能量。這種效率損失能通過使用基本的熱交換器計算被直接量化。注意，空氣側的功和能量以與其他系統熱交換器(具有可交付容量損失和增加的能量消耗)相同的方式受到低ΛΤ綜合癥的影響。
[0175]熱傳遞方程6=(其中Q是傳遞的總熱量，U是熱交換器材料的總熱傳遞系數，A是熱交換器的表面面積，并且LMTD是對數平均溫差)是觀察空氣處理器冷凍水盤管中的低ΛΤ綜合癥影響的一種方式。在冷凍水盤管中，LMTD描述了進氣/出氣側和進水/出水側之間的關系。在按需流量系統(其中冷凍水移動較慢(較高的AT))的環(huán)境中，存在一些討論，總熱傳遞系數U被減少，導致更小的有效盤管性能。而U被減少可能是真實的，其不僅僅是通過按需流量系統中更冷的冷凍水供應的效果得以補償，其反映為更高的LMTD0實際上，在以下實例中可見，更高的LMTD不僅僅是補償任何U的理論減少。
[0176]更特別地，LMTD分析顯示，通過降低冷凍器設置點或消除設施旁路內的混合減少盤管的CHWS，能動態(tài)提高盤管性能。圖22的圖表提供了 LMTD分析，其詳述了按需流量中潛在的空氣側盤管容量變化。利用圖22的示例性數據，獲得25%的容量增加。
[0177]圖23A示出了在具有低Λ T綜合癥的系統中的冷凍水流量和Λ T之間的關系。圖23Β示出了在恒定的冷凍水返回溫度和負載下，具有減少的冷凍水供應溫度和相關的GPM的按需流量系統盤管。圖23C示出了在設計冷凍水流量條件下具有減少的冷凍水供應溫度的潛在增加的盤管容量。該例示出了按需流量操作策略的適應性，以克服給定系統中的特定問題。
[0178]總空氣側冷卻負載通過方程β = 4.5.(7Λ￥.(A1-A2)進行計算，其中進氣焓為hl，
并且出氣焓為h2。例如，基于此公式和以下假定，可計算/量化應用按需流量之后的風扇能量使用。
[0179].月平均空氣處理器單元(AHU)負載(Qt)根據之前分析是已知的。
[0180].ΑΗυ CFM與負載成線性。
[0181]-AHU進氣焓(hi)根據設計信息或直接測量是已知的。
(Qt Λ
[0182]基于上文，月平均刪CFM可通過方程CFMmg= CFMdesign ■
\ J確定，其中Qtavg為月平均AHU Qt，而Qtmax為最大AHU Qt0月平均出氣焓可通過方程
(Qiw^
hlmg - hi+ ^— ■ CFMaifg確定，其中Qtavg為月平均AHU Qt,而CFMavg為月平
6 V 4.5 J
均AHU CFM。注意，值4.5為常量，其可針對場所位置基于空氣密度而被調整。
[0183]圖24中的示例數據示出了對系統(其在315，000 CFM具有1000噸的最大連接負載)的這些計算和假定的結果。最小空氣側CFM為35%，而最小AHU SAT如所述。由此可知，按需流量提供許多優(yōu)點。
[0184]V.只有按需流量才有的特定優(yōu)點
根據上文可知，按需流量提供了 HVA/C工業(yè)中獨特的操作策略。另外，按需流量及其操作策略第一特殊在于:
1.在冷凍水產生泵送子系統內利用外部控制操作，以優(yōu)化蒸發(fā)器制冷劑過熱或離開蒸發(fā)器的制冷劑焓，從而有益地影響壓縮機能量使用的質量流分量。利用按需流量冷凍水泵送操作將冷凍水泵(例如通過VFDs)控制成接近或達到制造商設計的蒸發(fā)器AT (例如設計AT)，可將制冷劑過熱控制到冷凍器制造商設計條件，而不管任何給定時間處冷凍器上的負載百分比如何。當與低于設計AT (即低AT)操作的冷凍器相比時，這優(yōu)化了離開蒸發(fā)器的制冷劑焓并減少冷凍器壓縮機能量。
[0185]在冷凍水分配泵送子系統中，按需流量也使用外部的控制操作，以獲得設計AT，而不管冷凍水設施負載條件如何，從而消除了冷凍水子系統內的低△ T綜合癥。
[0186]2.在冷凝器水泵送和冷卻塔風扇子系統中使用外部的控制操作，以優(yōu)化冷凝器制冷過冷或離開冷凝器(并進入蒸發(fā)器)的制冷劑焓。以此方式，壓縮機能量方程的質量流分量如上所述被有益地影響。在冷凝器水泵送和冷卻塔風扇子系統中的按需流量控制操作，通常確定冷凍器內的蒸發(fā)器和冷凝器之間的最后操作飽和壓力/溫度差(即提升)。這有益地影響壓縮機能量方程的質量流和提升分量，如上所述。
[0187]如所述，蒸發(fā)器飽和壓力可被認為是相對恒定，這是因為冷凍水進水和出水條件保持恒定。然而，當使用恒定體積冷凝器水泵時，冷凝器水進入溫度和壓力根據環(huán)境和負載條件變化。因此，通過冷凝器水離開溫度，冷凝器飽和壓力條件可被操縱，以控制至冷凝器制造商所需的最小壓差。按需流量恒定Λ T可變流動操作控制冷凝器水泵，例如通過VFD，以總是保持蒸發(fā)器與冷凝器之間的最小制造商壓差(即，提升)。
[0188]按需流動還使冷凝器水流與冷凍器負載匹配，以這種方式減少了在所有局部負載條件下通過冷卻塔的冷凝器水流。如所述，在大多數冷凍水設施中90%等時間存在部分負載條件。隨著冷凝器水流被減少，近似于濕球的冷卻塔槽溫度也被減少。這與冷卻塔原始設計近似溫度的大約一半成線性關系。這在相同冷卻塔風扇能量任一給定部分負載產生更低的冷卻塔槽溫度。反過來，更低的冷卻塔槽溫度導致冷凝器的更低的冷凝器水進入溫度，從而對冷凝器處的制冷劑提供過冷。
[0189]另外，按需流量在冷凝器水泵送子系統中使用外部控制操作，以針對冷凝器實現近似或達到設計ΛΤ，而不管冷凝器負載條件如何，因而消除了冷凝器水子系統中的低AT
綜合癥。
[0190]3.在產生環(huán)路與分配環(huán)路之間使用外部協作控制操作，以平衡環(huán)路之間的流量，最小化或消除了有助于低ΛΤ綜合癥(例如在分離的冷凍水設施中)的過度流動和旁路混合。這以任意給定的冷凍水流率產生最大可使用空氣側容量。這還使得初級或產生環(huán)路泵送滿足分配泵送系統的可變負載條件。在按需流量條件下，低△綜合癥如果不是被有效消除的話則被減少至其最低可達水平。
[0191]4.使用臨界區(qū)重置滿足了冷卻需求的增加，同時根據Λ T線控制冷凍水泵送。臨界區(qū)重置還可用于通過重置AT線來降低冷卻輸出。
[0192]5.以最小局部負載泵送壓力操作冷凍水設施及其部件，以使冷凍水閥旁路及最后的過冷最小化，因而降低了系統負載。
[0193]6.通過使冷凍水泵送、冷凝器水泵送、壓縮器操作、冷卻塔操作和空氣側操作同步，產生冷凍水設施能量使用的協同減少以及增大可供容量。
[0194]盡管已描述了本發(fā)明的各個實施例，對于本領域普通技術人員而言，明顯的是，落入本發(fā)明范圍內的許多其他實施例和實施方式也是可行的。另外，本文描述的各個特征/元件和實施例可以任意組合或布置形式要求保護或進行組合。
【權利要求】
1.一種用于操作冷凍水設施的一個或更多泵的方法，包括: 利用第一泵將水以第一流速泵送通過冷凍器； 調整所述第一流速，以保持所述冷凍器上的第一 AT，其中所述第一 AT包括冷凍器進入溫度和冷凍器離開溫度，其無論冷凍水設施負載條件如何，都提供了所述冷凍器的蒸發(fā)器處的制冷劑過熱； 利用第二泵將水以第二流速泵送通過空氣處理器單元； 調整所述第二流速以保持所述空氣處理器單元上的第二 AT，其中所述第二 Λ T包括空氣處理器單元進入溫度和空氣處理器離開溫度，其無論所述冷凍水設施負載條件如何，都提供了所述空氣處理器單元處的所需冷卻輸出； 其中所述第一 ΛΤ和所述第二 AT相似，以平衡所述第一流速和所述第二流速，并減少所述冷凍水設施的旁路處的旁路混合。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一AT和所述第二 AT是相同的。
3.根據權利要求1所述的方法，進一步包括:通過在所述空氣處理器單元的水閥打開超過特定閾值時使所述第二 AT重置，增大了所述第二流速，其中增大所述第二流速增大了所述空氣處理器處的冷卻輸出。
4.根據權利要求1所述的方法，進一步包括: 利用第三泵通過所述冷凍水設施的分配回路將所述水以第三流速泵送到所述第二栗; 調整所述第三流速以保持第三ΛΤ; 通過當所述第二泵提供的所述第二流速超過特定閾值時使所述第三AT重置，增大了所述第三流速，其中增大所述第三流速增大了所述空氣處理器處的冷卻容量。
5.根據權利要求1所述的方法，進一步包括: 利用第四泵將冷凝器水以第四流速泵送通過所述冷凍器的冷凝器；以及調整所述第四流速以保持所述冷凝器處的第四ΛΤ，其中所述第四AT包括冷凝器水進入溫度和冷凝器水離開溫度，其無論冷凍水設施負載條件如何，都提供了制冷劑的過冷并防止制冷劑堆積。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述冷凝器水進入溫度低于冷凝器水的濕球溫度。
【文檔編號】F24F11/00GK104215006SQ201410368242
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2010年5月12日 優(yōu)先權日:2009年7月23日
【發(fā)明者】R.希金斯 申請人:西門子工業(yè)公司