基于PLC與變頻技術的中央空調系統節能研究

摘 要：本文對中央空調系統節能的現狀進行了研究，分析了中央空調系統的原理結構和變頻節能控制原理。結合PLC與變頻技術，采用將溫差與進水溫度的混合控制方案對中央空調系統進行節能改造，并進行了改造后的節能分析。指出中央空調采用變頻調速控制具有較好的實用價值和發展前景。

關鍵詞：中央空調；變頻技術；PLC；節能

中圖分類號：TB65 文獻標識碼：A

隨著科技的發展以及人民生活水平的提高，中央空調系統已經成為現代建筑物中不可缺少的基礎設施之一。但是，中央空調系統也是工廠和商務樓宇中的耗能大戶。因此，為使中央空調系統能夠節能減排，系統溫度穩定，必須對中央空調控制系統實施改造。然而，為了保證高可靠性，中央空調系統中的冷卻水循環系統、制冷壓縮機組、冷凍（媒）水循環系統、盤管風機系統以及冷卻水塔風機系統等的最大容量在設計之初均是按照目標最大的制熱、制冷負荷來進行設計的，甚至新風交換量也是按照最大量進行選型，剩余量非常充足。這樣就使得傳統的中央空調系統一年四季、白天或者黑夜以及用戶的實用負荷等無論怎樣變化都會工作在最大負荷狀態，電機全速運行，能源浪費現象極為嚴重。隨著物價的不斷上漲，電費也在上浮，直接導致中央空調系統所需要的運行費用大幅增加，從而使得中央空調系統的運行成本占據了整個目標運行成本中很大的一個比例。據相關部門統計，各類采用中央空調系統機構的總用電量超過65%以上的用電消耗來自于中央空調，而其中，中央空調系統中的水泵的用電量占據了中央空調系統總用電量的15～35%，因此，研究如何節約水泵以及風機的能源消耗問題是實現中央空調節能技術的關鍵，具有極其重要的經濟意義。世界各國都在提倡節能減排，因而，中央空調系統的節能改造便成為了必然。

一、中央空調工作原理與結構

如圖1所示，中央空調系統的組成主要包括三個機組系統，兩個設備，三個機組系統指的是冷凍水循環系統、冷卻水循環系統以及風機盤管系統，而兩個設備主要指的是冷卻塔和制冷主機。

在中央空調系統中，熱量的傳遞是通過流體物質來完成的，其中，在制冷系統中一般用制冷劑，而冷卻水系統和冷凍水系統都是以水作為傳輸介質。制冷主機通過壓縮機將制冷劑壓縮成液態后送蒸發器中與冷凍水進行熱交換，將冷凍水制冷，冷凍泵將冷凍水送到各風機風口的冷卻盤管中，由風機吹送冷風達到降溫的目的。經蒸發后的制冷劑在冷凝器中釋放出熱量，與冷卻循環水進行熱交換，由冷卻水泵將帶來熱量的冷卻水送到冷卻水塔上由水塔風機對其進行噴淋冷卻，與大氣之間進行熱交換，將熱量散發到大氣中去。

二、中央空調的變頻節能控制原理

流體傳輸設備水泵是一種平方轉矩負載，其轉速n與水泵流量Q，水泵揚程H及水泵功率N的關系如下式所示：

（1）

上式表明，水泵的流量與其轉速成正比，水泵的揚程與其轉速的平方成正比，水泵的功率與其轉速的立方成正比。而水泵的軸功率等于流量與壓力的乘積， 故水泵的軸功率與其轉速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）

根據上述原理可知： 改變水泵的轉速就可改變水泵的功率。是一種能夠顯著節約能源的方法。

根據異步電動機原理：

（2）

式中：轉速

f：頻率

p：電機磁極對數

s：轉差率

由（2）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，通過改變頻率使風機、水泵的轉速、消耗的功率迅速下降，達到節能目的。

三、中央空調系統節能改造方案與設計

中央空調系統的運行機制就是熱交換的能量轉換過程，能量的轉換主要通過冷凍水和冷卻水循環系統作為傳輸媒介實現，所以中央空調控制系統的主要工作內容便是控制冷卻水和冷凍水循環系統，這兩個循環系統是實現節能技術的關鍵點，也正是本文準備進行節能改造的目標。

1 中央空調系統節能改造方案

圖2即為通過加裝變頻器實現中央空調系統節能的方案。

目前，在冷卻水循環系統進行改造的方案最為常見，節電效果也較為顯著。由于進水溫度是隨環境溫度不斷變化的，因此，把溫差設置為恒定值并非上策。通過研究發現，根據進水溫度來隨時調整溫差的大小是可取的。即：當進水溫度低時，應主要著眼于節能效果，將溫差的目標值可適當的設置高一點；而在進水溫度高時，則必須保證冷卻效果，這時，可以將溫差的目標值設置低一點。

基于對節能改造方案的研究，在設計之初，綜合考慮中央空調系統的冷卻效果和節能效果，最終選擇將溫差與進水溫度的混合控制方案作為本中央空調系統節能實施方案，溫差大小的調節則直接與進水溫度相關。即：進水溫度T1<24℃時，主要著眼于節能效果，溫差的目標值設為△T=5℃；而在進水溫度T1>32℃時，溫差的目標值設為△T=3℃，從而保證了冷卻效果。在同時考慮進水溫度和進出水溫差的情況下，使冷卻水閉環控制系統能夠根據現場溫度和負載的變化自動調節三臺水泵的運行情況。

2 中央空調系統設計

中央空調系統，主要包括：冷卻水泵（三臺）、溫度傳感器、熱電阻輸入模塊、PLC、變頻器。

中央空調系統中的控制系統由PLC、變頻器等構成。本課題中的PLC選擇OMRON（歐姆龍）的CP1H-XA40DR-A，變頻器選擇歐姆龍3G3RX-A4075。

本文研究的中央空調系統中，溫度傳感器安裝在冷卻水管道中，主要負責采集通過管道中的進水溫度和出水溫度的模擬信號。熱電阻輸入模塊將溫度傳感器采集到的模擬信號轉換成電信號，這個電信號經過PLC控制單元，PLC控制單元按照設計的應用程序通過變頻器調節冷卻水泵的具體運行效率。

四、節能改造前后運行效果比較

1 節能效果及投資回報

進行技術改造后，系統會根據負載的變化而實際調節變頻器頻率。根據以往運行參數的統計與改造后的節能預測，平均節能約40%左右，節能效果是十分顯著的，一般改造后投入運行三年左右即可收回成本。

2 對系統的正面影響

由于冷凍泵、冷卻泵以及冷卻風機采用了變頻器軟啟停，消除了原來工頻啟動時大電流對電網的沖擊，用電環境得到了改善，同時變頻器能改善功率因素，電能的使用效率會大大提高；并消除了水泵啟停時產生的水錘對管道、閥門、壓力表等的損害；消除了原來直接啟停水泵造成的機械沖擊，電機及水泵的軸承、軸封等機械磨擦大大減少，機械部件的使用壽命得到延長 ；由于水泵大多數時間運行在額定轉速以下，電機的噪聲、溫升及震動都大大減少，電氣故障也比原來降低，電機使用壽命也相應延長。

由于采用了溫差與進水溫度的混合控制，提高了冷凍機組的工作效率，提高了自動化水平。減少了人為因素的影響，大大優化了系統的運行環境、運行質量。具有較好的實用價值和發展前景， 值得進一步研究和完善。

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