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摘　要: 中央空調(diào)的節(jié)能改造有很大的降耗空間，本文論述利用變頻器和PLC的邏輯控制功能及通訊功能，對重要空調(diào)各個系統(tǒng)分析后，提出了系統(tǒng)控制方案及實現(xiàn)方法，完成了整套節(jié)能改造的方案，對中央空調(diào)減少能耗、提高效率具有重要意義。

關鍵詞：中央空調(diào) 變頻技術 PLC 邏輯控制 通訊能力

Abstract: The reformation of Central air conditioning energy-saving has great potential for reducing loss. This paper discusses the use of inverters and PLC logic control and communications functions, with the analysis of all important systems of air conditioning, proposes a system control scheme and its implementation. The the full energy saving scheme is achieved. and has significant meaning for reducing the energy consumption of central air conditioning and improving the efficiency.

 

Keywords: central air conditioning, inverter technology, PLC, logic control, communication capability

 

    中央空調(diào)是大廈里的耗電大戶，正常供暖或供冷季節(jié)每年的電費中空調(diào)耗電占60％左右，因此中央空調(diào)的節(jié)能改造顯得尤為重要。由于中央空調(diào)系統(tǒng)按最大負荷設計，并且留10-20％設計余量，而實際上絕大部分時間空調(diào)是不會運行在滿負荷狀態(tài)下，存在較大的冗余，所以節(jié)能的潛力很大。另外冷凍水泵和冷卻水泵不能隨負載變化作出相應調(diào)節(jié)運行速度和合理數(shù)量，只能靠門和旁通來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量與壓差，因此不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，從而致使大量電能浪費（冷凍水泵額外負載增多間接造成冷水機組負荷變大）和造成中央空調(diào)最末端達不到合理效果的情況。

本文針對某酒店改造項目的自身特點，利用變頻器和PLC的控制系統(tǒng)對原項目的中央空調(diào)系統(tǒng)進行節(jié)能改造，使其更加合理利用能量，對于減少能耗、提高效率具有重要意義。

廣東某酒店改造項目節(jié)能改造點如下:

1．東樓/西樓的中央空調(diào)之冷凍水泵控制，改造原因：人工通過調(diào)整管阻調(diào)整供應冷量，雖然滿足使用但造成巨大的能量浪費。

2．東樓/西樓中央空調(diào)之冷卻水泵控制，改造原因：人工通過調(diào)整管阻調(diào)整冷卻水流量（熱交換量），雖然滿足使用但造成巨大的能量浪費。

3．東樓/西樓的中央空調(diào)之冷卻塔風機控制，改造原因：一是頻繁啟動，沖擊電流大，接觸器和電機壽命受影響；二是風量不能根據(jù)送回水溫度自動調(diào)整而造成能量浪費。

4．風機盤管冷量交換控制，主要分布點為東樓5號會議廳、天波府和大堂及西樓的保齡球館、宴會廳、西餐廳、一樓大堂、天堂吧、潮洲城、二樓大堂、東大堂和會議室等地方，改造原因：目前熱交換和新風供給不能根據(jù)人流的多寡作快速調(diào)整，并且溫控不精確（采樣點在回風口，冬天供暖，熱氣上升，人員活動區(qū)溫度較設定溫度低；反之，夏天供冷氣，冷氣下降，人員活動區(qū)溫度較設定溫度低。

5．東樓/西樓的供水系統(tǒng)，改造原因：目前采用人工大幅容調(diào)，由于供水電機功率較大（分別為55KW和30KW），大幅容調(diào)除了造成大的功率冗余和能量浪費，同時將會造成供水不穩(wěn)定、水錘和啟動電流沖擊，嚴重影響管件壽命和供水水質(zhì)。

    酒店中央空調(diào)結(jié)構(gòu)分為供暖和供冷兩部分，其中供冷包含冷卻塔，冷水機組，冷凍水泵，冷卻水泵和末端，供暖部分包含熱水泵和加熱器。該中央空調(diào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示：

圖1  中央空調(diào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該中央空調(diào)的西樓配置圖和東樓配置圖分別如圖2和圖3所示：

圖2  西樓配置圖

圖3  東樓配置圖

（1）冷凍機組

    一般冷凍機組控制系統(tǒng)設計方式：在冷水機組的供/回水總管上分別設一個溫度傳感器（T），在冷凍回水管上設一個流量計（F），同時將此三種信號輸入到控制器，經(jīng)運算可得出大樓的冷負荷Q=F*△T，根據(jù)冷機組的效率曲線，經(jīng)過計算比較，取各種組合中的能耗最小者，并根據(jù)設備累計運行時間，進而自動選擇冷機的最佳組合。使系統(tǒng)的總能耗保持在最小值，以達到最佳節(jié)能的效果。

    雖然大容調(diào)會產(chǎn)生大的功率冗余大的能量浪費，但從冷水機組的運行特性考慮，在沒有生產(chǎn)廠家配合處理的情況下不適宜進行變頻改造，故本方案暫不考慮。

（2）冷凍泵組/冷卻泵組

    控制方式：依據(jù)所送水/回水溫差、流量和供回水壓差，計算決定啟動機組臺數(shù)和變頻運行泵的運行頻率，自動調(diào)整到最佳熱交換量狀態(tài)；

    由于水泵采用的是Y—△起動方式，電機的起動電流均為其額定電流的3～4倍，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機的使用壽命將受到影響；起動時的機械沖及和停泵時水錘現(xiàn)象，容易對機械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞而增加維修工作量和備品、備件費用，另外，僅因啟動需要將不得不使整棟大樓的配電容量增大若干倍、投入成本增加若干倍。變頻器是軟啟動方式，采用變頻器控制電機后，電機在起動時及運轉(zhuǎn)過程中均無沖擊電流，而沖擊電流是影響接觸器、電機使用壽命最主要的因素，同時采用變頻器控制電機后還可避免水垂現(xiàn)象，因此可大大延長電機、接觸器及機械散件，軸承、閥門、管道的使用壽命。

    在無旁通閥作用的情況下，變頻器能根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵負載變化相應調(diào)整冷凍水泵電機和冷卻水泵電機的轉(zhuǎn)速，滿足中央空調(diào)系統(tǒng)正常工作而達到節(jié)能目的。水泵電機轉(zhuǎn)速下降，電機從電網(wǎng)吸收的電能就會大大減少。

    減少的功耗△P=PO(1—(Nl／N0)^3)；減少的流量△Q＝Q0(1－(N1／N0))    

-------N1為改變后的轉(zhuǎn)速，N0為電機原轉(zhuǎn)速，P0為原電機轉(zhuǎn)速下的電機軸功率消耗，Q0為原電機轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的水泵流量。

    由上式可以看出流量Q與轉(zhuǎn)速N一次方成正比，功耗P與轉(zhuǎn)速N三次方成正比。假設原流量為100個單位，耗能也為100個單位，如果轉(zhuǎn)速降低10個單位，由△Q＝Q0〔1-（N1/N0）〕＝100*〔1—（90／100）〕＝10可得出流量改變了10個單位，△P＝P0[1－（Nl／N0）^3]＝100×(1—(90／100)^3)＝27．1，可以得出，功率將減少27．1個單位，即流量減少10%能耗減少了27．1％。 

    當用蝶閥的開度來控制冷凍、冷卻水流量大小時，蝶閥阻管與功率P變化（如圖3所示）由曲線1到曲線2，流量減小，但功率卻沒有減小多少。若通過調(diào)整轉(zhuǎn)速（如圖4所示），H-Q曲線由曲線1到曲線2，蝶閥開度100%時，蝶閥阻力為零，管道阻不變，功率省很多。

圖3 阻管與功率P變化曲線圖       圖4 不同轉(zhuǎn)速對應的阻管與功率P變化曲線圖           

系統(tǒng)改造方式如下：

西樓和東樓冷凍冷卻泵控制圖分別如圖5和圖6所示：

圖5  東樓冷凍冷卻泵控制原理圖

圖6  西樓冷凍冷卻泵控制原理圖

（3）冷卻塔風機

    控制方式：控制送水/回水溫差為恒值為目標，調(diào)整冷卻塔風機風量；外界氣溫的變化或者使用場合熱交換量的變化，大部分時間并不要求冷卻塔風機和全速運轉(zhuǎn)，由于

n=60f(1-s)/p;-----p：電機極數(shù)

    根據(jù)流體力學知：風壓H 正比于轉(zhuǎn)速n²;所消耗的功率P等于風量Q與風壓H之積（即輸出功率P正比于轉(zhuǎn)速n³），即Q=K1n;H=K2n2;P=Q*H=K1K2n3

風量減小20℅，即轉(zhuǎn)速降低20℅，節(jié)省功率ΔP=K[n3-(0.8n)3]=0.438 K1K2n

風量減小50℅，即轉(zhuǎn)速降低50℅，節(jié)省功率ΔP=K[n3-(0.5n)3]=0.875 K1K2n

    可見，大部分情況冷卻塔風機處于做無用功狀態(tài)，并且浪費的能量較大。因而，在保證系統(tǒng)正常散熱風量的前提下調(diào)速，即使扣除實際上由于轉(zhuǎn)速下降可能引起的電機和風機效率降低這一因素，采用變頻器調(diào)速，風機的節(jié)能效果還是非常顯著的。

改造方式如圖7所示：

圖7  冷卻塔風機系統(tǒng)改造圖

 

控制結(jié)果：大幅降低能耗；無啟動電流沖擊。

（4）風機盤管冷/熱量交換控制

    在中央空調(diào)系統(tǒng)中，各種用房冷暖設備除新風機組和空調(diào)機組外，還大量使用風機盤管。它只有盤管、三速風機、電動調(diào)節(jié)閥，感溫組件、控制器等組成。一般三速風機開關，感溫組件、控制器等制成一個整件設備，目前，市場上有兩種，一種是盤管控制器為DDC控制，并具備與主機通訊功能。這種控制器可通過計算原則中心控制，西樓使用這種方式。另一種是不具備通訊功能的盤管控制器，可以按照水系統(tǒng)的連接情況的將風機盤管分為若干組，每組的支路入口處安裝流量計、供回水壓差變送器及供回水溫度傳感器。從而可計算出風機盤管水閥的開度，并給電動調(diào)節(jié)閥一個指令，從而將電動閥調(diào)節(jié)至相應的開啟度，使盤管中流過所需要的水流量，東樓使用這種方式。為解決面臨的問題，可以通過對采樣到的回風溫度及其二氧化碳焓量控制調(diào)整加熱盤管及表冷盤管二通電動調(diào)節(jié)閥開度和送風風量（風機轉(zhuǎn)速），實現(xiàn)對送風溫度（設定點可調(diào)整）的控制。方式如圖8所示：

圖8  風機盤管冷/熱量交換控制改造圖

 

    另外，要提供一個舒適的環(huán)境，除控制室溫外，還需對室外溫/濕度進行監(jiān)測，通過室環(huán)境溫/濕度檢測，實時調(diào)整空調(diào)機和新風機的新風量，進行過渡季節(jié)的全新風和空調(diào)季節(jié)的小新風控制。根據(jù)監(jiān)測環(huán)境的CO2濃度自動調(diào)節(jié)空調(diào)機的新/回風混合比，提供長期舒適的活動環(huán)境，同時可達到節(jié)能效果。

（5）供水

    以設定供水壓力為目標，根據(jù)實際用水量，利用VFD-F的自動加減泵功能和調(diào)頻功能，合理利用能量，維持供水壓力的恒定，同時能實現(xiàn)無沖擊啟動和避免水錘效應。

其改造圖如圖9所示：

圖9  供水系統(tǒng)改造圖

    本文基于客戶設備的實際特點，利用變頻技術和PLC的強大的邏輯控制功能及通訊功能，為客戶提供了一套完整的控制系統(tǒng)改造方案，使中央空調(diào)系統(tǒng)能更合理利用能量，避免了能量的不必要浪費。運行實踐表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安全可靠，性價比高，值得業(yè)界同行借鑒和推廣。

 

[1] 可編程序控制器應用系統(tǒng)設計及通信網(wǎng)絡技術. 郭宗仁等.  人民郵電出版社，2002

[2] 變頻器在工業(yè)中的選擇與應用 劉繼黨等 科技信息    2009年第23期

[3] 變頻器應用中的干擾及其抑制 翟章志   中國科技博覽2009年 第02期

 

作者簡介

吳木榮，男，中達電通機電事業(yè)部華南大區(qū)自動化主任工程師，在印刷、機床、紡織、暖通等領域具有豐富的應用經(jīng)驗，現(xiàn)從事臺達自動化產(chǎn)品技術整合應用與研究，是資深技術專家。