中央空調系統節能改造初探

詹慶祥

（廣州大學城能源發展有限公司，廣東 廣州510000）

0 引言

隨著我國經濟建設的發展以及人們生活水平的不斷提高，中央空調系統也得到了廣泛應用。但中央空調系統的運行能耗也是十分驚人的，空調能耗約占建筑總能耗的30%～40%，并且存在能源浪費嚴重的現象，降低空調能耗刻不容緩。

1 系統運行現狀

1.1 水系統設計流程

中央空調系統主要由冷卻塔、制冷機以及風機盤管、冷凍水循環、冷卻水循環等系統組成。該系統還包括了1臺冷水箱、2個冷卻塔、3臺1次冷凍泵、2臺2次冷凍泵、2臺熱水泵、2臺制冷機、3臺冷卻水泵、2臺空調機組、1套電子除垢儀、1個定壓膨脹水灌，以及少數自動排氣閥、電動閥、板式換熱器、電磁閥和空調末端裝置。

中央空調系統中的制冷劑，通過制冷機利用壓縮機將其壓縮為液態后，傳送至蒸發器內，使其冷凍水實行熱交換，從而致冷冷凍水，而后冷凍水通過冷凍泵到達各個風機風口的冷卻盤管當中，當風機開啟時，即可將其吹送出去，從而實現降溫。當制冷劑蒸發之后，其通過冷凝器產生的熱量轉化為氣態，之后再由冷卻泵將冷卻水送至冷卻塔，冷卻水在與大氣開始熱交換前，先經水塔風機的噴淋以達到降溫目的，而后再與大氣接觸，將熱量散發出去。

1.2 系統在維護和使用中的主要問題

（1）運行成本高。當冷水箱溫度較高時，制冷主機將需要更長的工作時間才可發揮作用，而制冷主機的工作時間越長，其所耗費的電力也就越多，進而提高系統的運行成本。其原因主要為系統冷水箱通常被安置于空調機組室內，而在氣候炎熱時，室內溫度可達到30℃以上，溫度較高，繼而對冷水箱的溫度造成影響。（2）系統開放性低。在未對舊系統進行升級改進前，其控制器為2臺SIEMENSMEC單片機，不但不能滿足信息化應用的需求，對系統數據進行收集、記錄、共享等操作，而且其通信性能極差，無法與自動化系統進行遠程通信，某些數值的收集以及參數的設置工作必須到現場進行手工操作才可完成。（3）維護成本高。某些系統在使用多年后，其性能已無法充分滿足生產需求，必須通過升級與改進才可繼續投入使用，然而，系統的升級與改進工作需要應用到原有備件，因系統較舊，市場上極難找到其備件，不僅需要消耗較長的時間進行采購工作，且價格往往高于新備件。隨著時間的流逝，系統的維護成本將越來越高。

2 系統節能改造

由于該中央空調系統為舊有系統，無法進行過大的改動工作，據此，在保證正常供給的基礎上，對該系統作出下列改進。

2.1 控制系統升級改造

就系統中存在的缺陷，以SIEMENS PLC控制替代系統原本的SIEMENSMEC單片機，同時，為使中央空調系統能夠進行自動化集中控制，將整個系統與自動化系統連接起來，取消原有的SIEMENSMEC，并在自動化系統當中增加2個ET200M作為從站，該從站地址分為15模塊與16模塊。

其中，從站15模塊如下：（1）接口模塊：6ES7153－1AA02－0XB0 1個。（2）模擬量I模塊：6ES7331－7NF00－0AB0 2 個。（3）模擬量 O模塊：6ES7332－5HD01－0AB0 1個。（4）數字量I模塊：6ES7321－1BH01－0AA0 3 個。 （5） 數字量O模塊：6ES7322－1BH01－0AA0 1個。從站16模塊如下：（1）接口模塊：6ES7153－1AA02－0XB0 1個。（2）模擬量I模塊：6ES7331－7NF00－0AB0 1個。（3）模擬量O模塊：6ES7332－5HD01－0AB0 1個。（4）數字量I模塊：6ES7321－1BH01－0AA0 3個。（5）數字量O模塊：6ES7322－1BH01－0AA0 2個。

系統網絡結構如圖1所示。擇Intouch9.0應用于上位機監控軟件，下位機則由STEP7V5.4編寫梯形圖并應用于下位機PLC組態。上位機監控畫面分為2個部分：（1）操作員站，操作人員可根據預定的工藝流程，使用操作員界面進行生產任務；（2）工程師站，對于程序而言，工程師站是其主要部分，不但向程序提供運行以及存儲的服務，而且通過工程師站可進行更改用戶權限、管理用戶權限、設置工藝參數及新增用戶等操作。運用原本存在于系統中的CPU414－3DP與S7－400兩個自動化系統，利用PROFIBUS－DP與從站15模塊及從站16模塊實現通信。原系統DP從站總數14，地址為1至14。上位機通過交換機與CPU414－3DP共同實現工業以太網通信。

圖1 系統網絡結構圖

為了使產品的質量得到保障，溫度與濕度傳感器應盡量選擇精度高的產品，精度以常溫下±1.5%RH為準。若選擇了精度較差的傳感器，當溫度與濕度達到設定時，可能導致傳感器測出結果存在較大偏差。由德國ROTRONIC公司生產的控制儀表HYGROLOGNT3-D與溫度和濕度傳感器HYGROCLIP不只節能效果非常好，遠遠高于其采購成本，且應用以太網通信方式，非常適用于該系統。由圖1可看出，ROTRONIC儀表包括Meter1與Meter2，其各個溫度與濕度儀表均擁有獨立的IP地址，并可經由以太網與自動化網絡進行連接。儀表軟件使用ROTRONICHW4-OPC，其利用OPCSERVER實現與上位機軟件INTOUCH的連接。

為控制泵頻率，使用變頻控制作為熱水泵與二次冷凍水泵的控制器，運用恒壓供水原理，使泵頻率可在管道壓力傳感器壓力信號的作用下實現控制。將半封閉螺桿冷凍機組應用于冷水機組。冷水機組在制冷當中，首先蒸發器將散布低壓力的工質蒸汽，并由壓縮機將其吸入，當工質蒸汽的壓力在壓縮機內提高后即送至冷凝器，工質蒸汽在冷凝作用下轉變為具有較高壓力的液體，在通過節流閥節流并轉變為低壓力的液體之后，再次回到蒸發器，液體于蒸發器中經過吸熱與蒸發的過程后變回低壓力蒸汽，如此完成一次制冷循環。將系統中的除濕機改為熱蒸汽除濕機，同時按照其在除濕工作中對于溫度的要求，對溫度傳感器所測溫度值（PV值）與設置溫度值（SV值）間的偏差ΔT（ΔT＝SV－PV）實行控制。利用PLC程序進行PID運算，若ΔT＜0，為使實際溫度移向設置溫度值，應減小閥門開度，以達到降低氣流量的目的；若ΔT＞0，則為使實際溫度移向設置溫度值，應增加閥門開度，以達到提升氣流量的目的；若ΔT＝0，則實際溫度與設置溫度值一致，為保證恒定溫度，此時閥門開度應保持原狀。

一般而言，加濕器所產生的蒸汽來源于自來水，通常情況下，加濕桶中盛放自來水，水中插入電極，其利用水可導電的特點，將電極通電，使電流導入水中，進而產生熱量，加熱自來水，當水溫升至沸點時即會產生水蒸汽。加濕器運用微機控制器，在其控制下，加濕器具有自動調整排水與供水功能。將模擬信號控制替代加濕器原本的開關量控制方式，該控制器具有較好的準確性與穩定性，加濕器還可根據控制信號對蒸汽輸出進行調節，進一步省去手工操作，控制信號使用0～10 V信號，加濕量經由PLC所輸出0～10 V信號的程度進行控制，若輸出信號為10 V，則加濕量可達到30 kg／h，為最大值。

制冷機組控制分為2個部分：（1）自動控制，其由PLC通過數字量輸出（DO）信號進行控制，冷水箱出口的溫度直接影響冷水機組的啟動與停止，根據冷水箱出口溫度，PLC自動進行2臺冷水機組的啟動工作，同時自動進行能級轉換，當設置水箱溫度為9℃以上，1＃制冷機啟動，直至溫度達到8℃以下時停止，若設置水箱溫度為9.5℃以上，則2＃制冷機啟動，直至溫度達到9℃以下時停止，系統溫度設定通常分為2個模式，即冬季模式與夏季模式，2種模式可應需求隨時更改設定值。（2）手動控制，系統分為4個能級，分別為25%、50%、75%和100%，需至本地控制箱液晶顯示屏進行能級手動控制。通過3個電磁閥開閉組合實現能級控制，以實現能量調節，電磁閥工作狀態如表1所示。

表1 電磁閥工作狀態表

2.2 冷水箱系統改造

基于水箱溫度易受外界因素影響，進而提高運行成本，因而將其從原本的空調機組室移至地下室，并增加其容積，提升其蓄水能力。試驗表明，通過轉移位置及增加容積可有效將水箱溫度維持在低溫狀態，即使夏季也可將溫度維持在15℃以下，大大縮短制冷機工作時間，節能效果較好，運行成本降低。

2.3 除濕系統改造

除濕機通過利用轉輪吸收水分，再由系統電加熱將水分蒸發并排出室外，繼而實現除濕目的。然而利用系統電加熱的方法對電量的消耗極大，占除濕機總體電量的85%左右。為降低耗電量，通過管道，將車間焚燒爐熱氣導入除濕機，充當其主要除濕熱源。安設電動執行機構、壓力、溫度傳感器于管道上，電動執行機構在溫度信號控制下更改開度，從而達到調節管道溫度的目的。此外，焚燒爐熱氣狀態還可通過壓力信號得知。在經過升級與改進后，除濕機電量消耗大幅降低，且使廢氣得到再次利用，節能效果顯著。

3 PLC I／O地址分配

在原本的PLC自動化系統當中，空調系統增加2個ET200M從站。其I／O點數如表2所示。

表2 系統輸入、輸出點數匯總

4 結語

總之，通過節能改造，不僅節約了能源，還有效改善了空調系統的運行質量，提高了空調的使用品質。實踐證明，中央空調系統的節能潛力是很大的，節能改造后的效益也是非常明顯的，關鍵是如何挖掘，本文的一些經驗值得推廣借鑒。

［1］揭兵有，劉建平.中央空調系統節能改造［J］.銅業工程，2012（2）

［2］周洪煜，陳孜虎，高鵬飛.中央空調系統節能運行改造的控制策略與方法［J］.計算機測量與控制，2009（10）