中央空調(diào)節(jié)能改造方案

中央空調(diào)節(jié)能改造方案摘要：本文介紹了由變頻器、可編程控制器、觸摸屏等組成的控制系統(tǒng)在中央空調(diào)中達到節(jié)能的應(yīng)用。通過進水管和出水管溫差進行閉環(huán)控制，使進水泵和出水泵能隨空調(diào)熱負(fù)荷的變化大小而自行調(diào)速運行，達到了顯著的節(jié)能效果，同時采用HMI隨時觀察水泵設(shè)備的運行情況，通過這樣直觀的顯示裝置，值班人員可以適時調(diào)整使用需求，結(jié)合時段需要，進行設(shè)置處理，使用方便快捷。

關(guān)鍵詞：溫差閉環(huán)控制；變頻器；PLC；觸摸屏；中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)

一、前言

在我國建筑樓宇中，中央空調(diào)涉及到各大企事業(yè)機構(gòu)，大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，中央空調(diào)系統(tǒng)消耗的電能，占所在區(qū)域的45-60%。在我們南方地區(qū)，四季氣候不分明。由于場地的特殊性，我們醫(yī)院一年四季都需要空調(diào)來調(diào)節(jié)室內(nèi)的空氣，所以空調(diào)的運行，占了用電的很大比例。每年的五月—十月是空調(diào)全天候24小時使用高峰期，到了十一月份，空調(diào)在有些環(huán)境就無需使用了。這樣就造成不必要的浪費，鑒于這種情況，我對這種控制系統(tǒng)做出改良方案，針對換季時期，空調(diào)使用浪費問題做出了些技術(shù)性的改良，節(jié)能達到了20%左右。

二、問題的提出

1、原系統(tǒng)簡介

采用2臺冷凍泵組，功率90kw4極1450轉(zhuǎn)，2臺冷卻泵組，功率90kw4極1450轉(zhuǎn)3臺冷卻塔（11kw管道泵+5.5kw風(fēng)機）。（如圖1）

2、傳統(tǒng)控制方案分析：

中央空調(diào)啟動運行后，因為進、出水泵溫度始終處于開環(huán)控制狀態(tài)，在溫差變化時，進出水泵全是滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)，造成了不要的浪費。

3、變頻器控制方案節(jié)電原理：

當(dāng)實現(xiàn)變頻自動調(diào)節(jié)后，根據(jù)系統(tǒng)檢測反饋數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)，自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速N，在制冷負(fù)荷比較小時候，電機轉(zhuǎn)速N以較低的速度運行（我們在以普通異步電機加裝變頻時候，考慮到電機低速運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，將最低頻率設(shè)定在27HZ，電機散熱部位加裝獨立供電的冷卻風(fēng)扇，不隨電機頻率變化影響散熱），從而先顯注降低了水泵電機輸出功率，降低轉(zhuǎn)速，輸出功耗變低，達到節(jié)約電能的目的。

4、設(shè)計要求：

針對中央空調(diào)的使用情況，我們根據(jù)空調(diào)的運行模式和整個空調(diào)系統(tǒng)進行節(jié)能設(shè)計，必須達到如下幾點要求：

1）節(jié)約電能

2）穩(wěn)定性

3）智能化

三、變頻調(diào)速節(jié)能方案分析

采用變頻調(diào)速技術(shù)改造中央空調(diào)的循環(huán)水系統(tǒng)，具有節(jié)能效果好、自動化程度高等優(yōu)勢。對于變頻器，U/F=常數(shù)，即輸出頻率降低，輸出電壓隨之下降，電流亦隨之降低，電動機輸出功率隨之降低。他們之間滿足如下關(guān)系式：

P1/P2=N13/N23

（1）

即功率的變化量是轉(zhuǎn)速的變化量的立方。按一般負(fù)責(zé)來計算，當(dāng)變頻器輸出頻率由50HZ下降到40HZ時候，電機輸出軸功率下降60%。

1）變頻器調(diào)速的節(jié)能的機理：

由流體力學(xué)原理知道，在正常情況下，水泵的轉(zhuǎn)速N與流量Q、揚程H，軸功率P之間有下面的關(guān)系式：

N/N0=Q/Q0

（N/N0）=H/H0

（N/N0）3。=P/P0

（2）

式中：N—轉(zhuǎn)速

N0—初轉(zhuǎn)速

Q—流量

Q0---初流量

H—揚程

H0—初揚程

P—軸功率

P0---初軸功率

由（2）式可以看出，將管網(wǎng)的壓力或流量信號傳輸給變頻器，由變頻器來調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速以滿足給水的要求，如果將流量控制在一半時候，則把電機的轉(zhuǎn)速控制到原來的一半就可以實現(xiàn)，而此時所需要的軸功率僅為原來的（1/2）3=1/8.也就是說，當(dāng)電機的轉(zhuǎn)速下降到50%時候，功率則下降約60%。因此，在有水泵和風(fēng)機的機械中，采用調(diào)速控制方式調(diào)節(jié)流量風(fēng)量，這在節(jié)能方面是一個非常有效的方法。

2）制冷系統(tǒng)的節(jié)能估算：

（1）設(shè)計余量部分節(jié)能估算：

比如以設(shè)計總負(fù)荷的10%余量來計算：

∵（P/N0）=H/H0=90%

∴（N/N0）=0.95

∵P/P0=（N/N0）3=0.903≈0.86

冷卻水泵功率為：∵P0=90KW

∴P=0.86*90=77.4KW

冷凍水泵功率為：∵P0=90KW

∴P=0.86*90=77.4kw

∴冷卻水泵可以節(jié)能：90-77.4=12.6KW

∴冷凍水泵可以節(jié)能：90-77.4=12.6KW

對冷卻塔：∵P0=16.5KW*0.86=14.19KW≈14.2

∴冷卻塔可節(jié)能：16.5-14.2=2.3KW

∴冷凍泵+冷卻泵+散熱塔=12.6*2+2.3=27.5kw

∴余量節(jié)能：27.5kw.

2）變負(fù)荷運行節(jié)能估算：

由于過渡季節(jié)和夜間運行時的實需冷負(fù)荷比較低，一年內(nèi)以實需冷卻水和冷凍水平均流量為額定流量的90%考慮，則：

實需流量為：Q=Q0*90%=0.9Q0

∵P/P0

=（N/N0）3=（Q/Q0）3=0.93=0.73

∴P=0.73P0

對冷卻水泵：P=0.73P0=0.73*90=65.7kw

∴冷卻水泵可節(jié)能：90-65.7=24.3kw

對冷凍水泵：P=0.73P0=0.73*90=65.7kw

∴冷凍水泵可節(jié)能：90-65.7=24.3kw

所以共節(jié)能：24.3+24.3=48.6kw

綜上所述：1）和2）共節(jié)能48.6+27.5=76.1kw.總節(jié)電率為：76.1/376.5=20%

四、循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造方案實施

1、中央空調(diào)控制系統(tǒng)主要有泵組、控制柜、和檢測儀表，人機界面、變頻器、可編程控制器

五、PLC主要程序設(shè)計思路

本節(jié)能控制系統(tǒng)在總體上劃分為互相關(guān)聯(lián)的兩部分：

（1）冷凍泵系統(tǒng)節(jié)能控制。冷凍泵系統(tǒng)節(jié)能控制是整個節(jié)能控制關(guān)鍵，首先根據(jù)實需冷負(fù)荷量控制1臺機組的啟停以實現(xiàn)冷負(fù)荷的粗調(diào)，然后根據(jù)壓縮機進出口的溫差控制冷凍水泵的變頻運行以實現(xiàn)冷負(fù)荷的精調(diào)整。工作原理如圖2所示。

圖3

冷卻泵變頻節(jié)能工作原理圖

控制方法如下：

A.冷凍泵系統(tǒng)：取主管進、回水溫差/回水溫度信號實現(xiàn)雙點控制。

1.進回水溫差大于設(shè)定值，頻率無極上調(diào)；小于設(shè)定值，頻率無極下調(diào)

2.回水溫度大于設(shè)定溫度，頻率優(yōu)先自動上調(diào)最大；小于設(shè)定溫度，頻率按進水溫差變化調(diào)節(jié)；

3.最高點最小回水壓力設(shè)定：根據(jù)編程的參數(shù)而定。

B.冷卻系統(tǒng)：取主管回水溫差、回水溫度信號實現(xiàn)雙點控制。

1.進回水溫差大于設(shè)定值，頻率無極上調(diào)；小于設(shè)定值，頻率無極下調(diào)；

2.回水溫度大于設(shè)定溫度，頻率優(yōu)先自動上調(diào)最大；小于設(shè)定溫度，頻率按進回水溫差變化調(diào)節(jié)。

圖9

（1）設(shè)備穩(wěn)定性：控制系統(tǒng)采用優(yōu)質(zhì)進口低功耗產(chǎn)品；在設(shè)備安裝之前，通過反復(fù)性能測試，有力的保障了產(chǎn)品穩(wěn)定性；界面操作簡易，有獨立的手動自動控制2種方式選擇。確保運行中所有方案都能進行。

（2）高效節(jié)能：每臺水泵獨立的變頻器裝置，多路控制信號，互不干擾。溫度傳感器采集溫度----PLC溫度模塊—CPU系統(tǒng)處理---PLC模塊輸出各種模擬信號（電壓電流、CAN）----變頻器----執(zhí)行電機工作。構(gòu)成一個閉環(huán)控制回路。

（3）先進合理：每臺機組運行，先投入和后投入切換不分先后，任意設(shè)置啟停。根據(jù)實需冷負(fù)荷量的變化進行自動循環(huán)運行，一臺冷水機組主用，一臺備用，當(dāng)某臺發(fā)生故障時，備用泵自動投入運行，同時系統(tǒng)發(fā)出故障指示報警提示！

（4）安全穩(wěn)定：該設(shè)備自動化程度高，保護功能齊全。該系統(tǒng)設(shè)有欠壓、過載、過熱、缺相等保護停機功能，并采取了有效的抗干擾措施，系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，能人工復(fù)位處理，硬件故障了，排除后，也可以復(fù)位！

七、結(jié)論

通過對中央空調(diào)的變頻改造后，調(diào)溫動態(tài)性能明顯提高，調(diào)溫精度高；噪聲低，機械損耗小，機械使用壽命得到延長，故障率比原來降低；實現(xiàn)了軟啟動、軟停止，消除了原來啟動時大電流對電網(wǎng)的沖擊，功率因數(shù)得到提高，用電環(huán)境得到了改善。增加了人機界面使值班人員可通過界面了解冷卻\冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的運行情況，并可能過人機界面實行部分操作，大大方便了值班人員的工作。增設(shè)了多項報警指示，使系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障時能容易找到故障點，排除故障，減輕維修壓力。因此對該系統(tǒng)的節(jié)能改造是可行的，基本達到設(shè)計的預(yù)期效果。

九、結(jié)束語

社會不斷進步，科技不斷發(fā)展，積極推廣高新技術(shù)的應(yīng)用，使其轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，是我們工程技術(shù)人員應(yīng)盡的責(zé)任。對落后的設(shè)備生產(chǎn)工藝進行技術(shù)革新，既可提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率，又能為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益，還能在節(jié)能、環(huán)保方面為社會作出貢獻。

參考文獻：

[1]《圖解中央空調(diào)安裝、檢修及維修》化學(xué)工業(yè)出版社ISBN：9787122187970

[2]《電機與拖動》電子工業(yè)出版社

作者：趙連友ISB