ＰＬＣ和變頻器在中央空調節能改造中的應用

摘要：本文祥細介紹了PLC和變頻器對中央空調進行節能改造的原理及節能效果的顯著性和可行性。

關鍵詞：PLC 變頻器 中央空調 節能改造

1 概述

中央空調系統是現代大型建筑物不可缺少的配套設施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調系統都是按最大負載并增加一定余量設計，而實際上在一年中，滿負載下運行最多只有十多天，甚至十多個小時，幾乎絕大部分時間負載都在70%以下運行。通常中央空調系統中冷凍主機的負荷能隨季節氣溫變化自動調節負載，而與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷凍泵卻不能自動調節負載，幾乎長期在100%負載下運行，造成了能量的極大浪費，也惡化了中央空調的運行環境和運行質量。利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結合，構成溫差閉環自動控制系統，自動調節水泵的輸出流量，能有效地達到節能目的。其節能效率通常都在40%以上。下面以某一大型酒店為例進行分析。

2 節能改造的可行性分析

現場情況：

某一大型酒店有二臺中央空調主機，水泵系統有:冷卻水泵3臺，電機容量：18.5KW；電機負荷率：90%；進出水溫差：4~5℃;開機方式：二開一備；進出管形式：并聯；冷凍水泵3臺，電機容量：22KW；電機負荷率：90%；進出水溫差：4~5℃；開機方式：二開一備；進出管形式：并聯。

2.1 中央空調系統

中央空調系統的工作過程是一個不斷進行能量轉換以及熱交換的過程。其理想運行狀態是：在冷凍水循環系統中，在冷凍泵的作用下冷凍水流經冷凍主機，在蒸發器進行熱交換，被吸熱降溫后（7℃）被送到終端盤管風機或空調風機，經表冷器吸收空調室內空氣的熱量升溫后（12℃），再由冷凍泵送到主機蒸發器形成閉合循環。在冷卻水循環系統中，在冷卻泵的作用下冷卻水流經冷凍機，在冷凝器吸熱升溫后（37℃）被送到冷卻塔，經風扇散熱后（32℃）再由冷卻泵送到主機，形成循環。在這個過程里，冷凍水、冷卻水作為能量傳遞的載體，在冷凍泵、冷卻泵得到動能不停地循環在各自的管道系統里，不斷地將室內的熱量經冷凍機的作用，由冷卻塔排出。如圖一所示。在中央空調系統設計中，冷凍泵、冷卻泵的裝機容量是取系統最大負荷再增加10%—20%余量作為設計安全系數。據統計，在傳統的中央空調系統中，冷凍水、冷卻水循環用電約占系統用電的12%—24%，而在冷凍主機低負荷運行時，冷卻水、冷凍水循環用電就達30%—40%。因此，實施對冷凍水和冷卻水循環系統的能量自動控制是中央空調系統節能改造及自動控制的重要組成部分。

2.2 泵的特性分析與節能原理 泵是一種平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，揚程H及泵的軸功率N的關系如下式所示：

Q₁=Q₂(n₁/n₂)，H₁=H₂(n₁/n₂)²，n₁=n₂(n₁/n₂)³(1-1)

上式表明，泵的流量與其轉速成正比，泵的揚程與其轉速的平方成正比，泵的軸功率與其轉速的立方成正比。當電動機驅動泵時，電動機的軸功率P(kw)可按下式計算:

P=ρQH/η_cη_F×10-2 (1-2)

式中：P：電動機的軸功率（KW）；Q：流量（m3/s）；ρ：液體的密度（Kg/m-2）；η_c：傳動裝置效率；η_F：泵的效率；H：全揚程（m）。

調節流量的方法：

如圖二所示，曲線1是閥門全部打開時，供水系統的阻力特性；曲線2是額定轉速時，泵的揚程特性。這時供水系統的工作點為A點：流量Q_A，揚程H_A；由（1-2）式可知電動機軸功率與面積OQ_AAH_A成正比。今欲將流量減少為Q_B，我們采用：閥門開度不變，降低轉速的方法，這時揚程特性曲線如曲線4所示，工作點移至C點：流量為Q_B，但揚程為H_c，電動機的軸功率與面積OQ_BCH_c成正比。如此看出，采用調節轉速的方法調節流量，電動機所用的功率將大為減小，是一種能夠顯著節約能源的方法。

根據異步電動機原理：n=60f/p(1-s) (1-3)

式中：n:轉速f:頻率p:電機磁極對數s:轉差率

由（1－3）式可見，調節轉速有3種方法，改變頻率、改變電機磁極對數、改變轉差率。在以上調速方法中，變頻調速性能最好，調速范圍大，靜態穩定性好，運行效率高。因此改變頻率而改變轉速的方法最方便有效。根據以上分析，結合酒店中央空調的運行特征，利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度模塊和溫度傳感器等組成溫差閉環自動控制，對中央空調水循環系統進行節能改造是切實可行的較完善的高效節能方案。

3 節能改造的具體方案

3.1 變頻節能控制原理(見圖三)

3.1.1 對冷凍泵進行變頻改造 控制原理說明如下：PLC控制器通過溫度模塊及溫度傳感器將冷凍機的回水溫度和出水溫度讀入控制器內存，并計算出溫差值；然后根據冷凍機的回水與出水的溫差值來控制變頻器的轉速，調節出水的流量，控制熱交換的速度；溫差大，說明室內溫度高系統負荷大，應提高冷凍泵的轉速，加快冷凍水的循環速度和流量，加快熱交換的速度；反之溫差小，則說明室內溫度低，系統負荷小，可降低冷凍泵的轉速，減緩冷凍水的循環速度和流量，減緩熱交換的速度以節約電能；

3.1.2 對冷卻泵進行變頻改造 由于冷凍機組運行時，其冷凝器的熱交換量是由冷卻水帶到冷卻塔散熱降溫，再由冷卻泵送到冷凝器進行不斷循環的。冷卻水進水出水溫差大，說明冷凍機負荷大，需冷卻水帶走的熱量大，應提高冷卻泵的轉速，加大冷卻水的循環量；溫差小，則說明，冷凍機負荷小，需帶走的熱量小，可降低冷卻泵的轉速，減小冷卻水的循環量，以節約電能。

3.2 變頻主電路控制原理 根據現場具體情況，冷凍水泵及冷卻水泵均采用兩用一備的方式運行，因備用泵轉換時間與空調主機轉換時間一致，將冷凍水泵和冷卻水泵電機的主備切換控制利用原有電器設備，通過電磁開關、人機界面進行電氣和機械互鎖。確保每臺水泵只能由一臺變頻器拖動，避免兩臺變頻器同時拖動同一臺水泵造成交流短路事故；并且每臺變頻器任何時間只能拖動一臺水泵，以免一臺變頻器同時拖動兩臺水泵而過載。冷凍水泵與冷卻水泵一次原理圖（見圖四）：（冷凍水泵與冷卻水泵相同）

3.3 系統主要設備(見表一)

3.4 本系統主要特點 采用進口的日本OMRON變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度模塊和溫度傳感器等構成溫差閉環自動控制，根據負載輕重自動調整水泵的運行頻率，實現最大限度的節能運行。亦可根據具體需要選用其他型號的產品。以軟啟動變頻器取代Y－△降壓啟動，降低了啟動電流對供電設備的沖擊，減少了振動及噪音，延長了設備維修周期和使用壽命。采用人機界面對系統進行參數設定、監控等，方便操作人員對系統的操作、檢查。系統還具有各種保護措施，使系統安全可靠地運行。

3.5 關于冷凍水末端壓力問題 冷凍水泵降低流量降低轉速運行，人們擔心會不會影響供水末端壓力不足，導致缺水現象，實際上，由于轉速降低雖然會使水泵供水壓力降低，然而管道特性的壓力損失也會隨流量減少而減少，即需要的壓力也會減少，供水壓力與轉速的二次方成比例降低，需要壓力（管道損失）則與流量的二次方成比例減少，二者可以相互補償。而在人機界面上可以設定變頻器上下限頻率，于避免水泵轉速太小對水壓造成影響。

4 節電效果分析

如果將冷凍水、冷卻水運行溫差適當提高，例如提高30%，則流量可以降低23.08%，亦即轉速降至額定轉速的0.7692，電機功率將為負荷值的0.76923=0.455，節能率為54.5%，我們以30%計算。中央空調全年運行，如電價每KW.h為1元。則每年節約電費為：電機容量×運行臺數×負荷率×節能率×每年運行時間×電價；冷凍水泵：22KW×2臺×90%×30%×8760h×1元/KW.h=104，068元；冷卻水泵：18.5KW×2臺×90%×30%×8760h×1元/KW.h=87，512元；每年節約電費為：104068元/年+87512元/年=191580元人民幣。

5 投資回報

投資（進口）：中央空調變頻節能改造 總投資為：149990元人民幣。中央空調變頻節能技術改造后，每年節約電費191，580元人民幣。投資回收期為：總投資÷年節電款，即：0.8（年）。也就是說設備運行10個月即可收回投資。如果酒店的中央空調系統進行變頻改造后，每年可節約費用約為191，580萬元人民幣。節能改造工程總投資為：149，990萬元人民幣，設備運行10個月即可收回投資成本。

6 結論

雖然一次性投資較大，但從長遠的經濟利益來看是值得的。這里我們也借鑒了其它一些酒店改造的經驗和實際效果，進一步驗正了利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等組成的溫差閉環自動控制系統，對中央空調系統的節能改造是可行的。可以達到我們當初設計的預期效果。

7 結束語

在科技日新月異的今天，積極推廣高新技術的應用，對落后的設備生產工藝進行技術革新，不僅可以提高生產質量、生產效率，創造可觀的經濟效益。對節能、環保等社會效益同樣有著重要的意義。

參考資料：

[1]李岱森主編.空氣調節.中國建筑工業出版社.

[2]劉守操主編.可編程序控制器與變頻技術.廣東省電工技能鑒定所.