PLC及變頻器在中央空調節能改造中的應用

崔作慶（肇慶市技師學院，廣東 肇慶 526020）

PLC及變頻器在中央空調節能改造中的應用

崔作慶
（肇慶市技師學院，廣東 肇慶 526020）

本文主要針對PLC及變頻器在中央空調節能改造中的應用展開了探討，對中央空調系統的運行和節能原理作了詳細的闡述，并通過結合具體的工程實例，給出了一系列PLC及變頻器在中央空調節能改造的措施，以期能為有關方面的需要提供參考借鑒。

PLC；變頻器；中央空調；節能改造

中央空調是現代建筑物中重要的電氣設施之一，由于其耗能非常大，約占建筑物總電能消耗的60%。而在中央空調節能改造中應用PLC及變頻器，不僅可以大幅度節約電能和提高中央空調的自動化程度，還能使系統具有運行可靠、結構簡化、維護維修方便等優點。因此，中央空調的節能改造都普遍傾向于應用PLC及變頻器。

1 中央空調系統概述

空調系統由水系統、空調機組、風系統、散熱系統以及末端系統構成，制冷機經過壓縮機把制冷劑壓縮變為高壓高溫的氣體，在傳輸到冷凝器中和冷卻水實施熱交換。冷卻水變為高溫水，水泵把高溫水輸送到散熱系統再對其降溫，和外界環節實行換熱，把熱量釋放至空氣中。制冷劑通過冷凝器轉變為液態，經過節流閥降壓后，在蒸發器中和冷凍水進行換熱，冷凍水杯降溫后，水泵再把冷水運輸到空調末端，為用戶提供制冷功能。制冷劑蒸發轉變為氣態后背吸入壓縮機，達到一個良好的循環。

2 中央空調節能改造原理

2.1 水系統中的變水量調節原理

空調水系統中的變水量調整原理可以使用能量守恒的定理表示如下：

式中：

q-系統冷負荷；

C-水的比熱容；

Q-冷水流量；

Δt-回水溫差和送水溫差，通常選擇5℃。

從以上公式中可知，空調水系統可以按照實際負荷的多少對水流量、回水溫差、供水溫差進行調節。在實施水系統設置時，q、Δt、C的數據為確定值。因此，水流量Q也將作為確定值，水系統根據這個確定值數據開展設備選型。水系統運行時，q作為一組獨立參數，和室外環境條件以及室內熱源等多種因素有一定關系。水系統負荷q產生一定變化時，系統的溫差Δt和水流量Q必定會同時發生改變。假設更改回水溫度和供水溫度差Δt，保證水流量Q不產生任何變化，則會變為定流量系統；假設保證回水溫度和供水溫度差Δt不產生任何變化，改變水流量Q，則有可能形成變流量系統。科學合理的改變流量系統，保證回水溫度和供水溫度差Δt處于恒定，負荷和水量將表現為線性相關關系，可考慮采取變頻水泵。

2.2 水泵變頻節能的原理

中央空調的水系統可以達到熱量交換的循環，通常對水流量的調整是經過擋板和閥門的開度開實施控制。所以，多數電能可能會浪費在擋板和閥門的阻力上，假設將其轉為變頻系統，將損耗在閥門和擋板的電能節約下來，水泵節能效果就很顯著。因此，使用變頻技術監控水泵的正常運行，是中央空調節約電能改造的有效措施之一。

圖1 水泵揚程—流量相關性圖

圖1表示的是變頻調整和閥門調整兩者控制時揚程與流量的相關性。圖1中①表示泵在轉速為n1揚程與流量的相關性曲線，②表示泵在轉速為n2揚程與流量的相關性曲線，③曲線表示閥門正常是管路特性，④曲線表示閥門變小時的管路特性。水泵的有效功率表達方式如下：

式中：

Pe-泵的有效功率，單位為kW；

ρ表示流體的密度，單位為kg/m3；

g-重力加速度，使用單位為m/s2；

H-揚程，使用單位為m；

Q-體積流量，使用單位為m3/s。

假設泵的標準工作點是A，流量是Q1、揚程是H1，根據以上公式可以知道有效功率Pe1和Q1、H1的積表現為正比例關系。當流量從Q1轉變為Q2時，假設使用閥門調整的方法，管路特性將由曲線③轉變為曲線④，有效功率可以采取OQ2CH3表達；假設使用變頻調節的方法，泵轉速由n1轉變為n2，揚程減少至H2，有效功率Pe2可采取面積BH2OQ2表達。從圖1中可以知道，節約的能量ΔP（即面積CH3H2B ）是非常顯著的。

表1 空調系統設備詳細信息

圖2 控制系統功能結構圖

3 工程實例

3.1 工程描述

某商貿大廈的中央空調水泵為一次泵，泵電機定速工作，回供水溫差約為3℃，使用繼電器控制水泵。系統各個設備詳細信息見表1。

該大廈空調機組選型運算是根據極端天氣和最差狀態下設置的，有較大程度的寬裕，系統實際運行很少會在這種極端的情況下運行，通常一年中只有5天左右處于最大負荷狀態。大廈原本使用的空調系統除了消耗能源較大外，還將引起一系列的問題，具體如下。

（1）水流量過大會引起系統溫度差減弱，換熱效率減小，使得機組工作條件惡化，損耗額外電能。

（2）水泵使用自耦變壓器開啟，電機開啟式電流增大，對于供電系統帶來嚴重干擾。

（3）通常泵啟、停不是軟停、啟，在泵停、啟時，將會產生水錘現象，對于零件閥門、網管、管道等形成一定程度的損壞。

為保證負荷波動和循環水流量相負荷，運用變頻控制對于空調水系統實施節能改造，能夠減少系統的能力耗損。首先其可以控制水泵的轉速，使得水量伴隨著負荷的改變相適應，進而節約能量；其次由于變頻器的開啟方式是軟啟動，電機在開啟式沒有沖擊電流，如此可以預防水錘現象的產生，延長零件閥門、電機、管道的使用期限。

3.2 節能措施

按照大廈原有的空調運行狀態，擬定大樓空調水循環節約能源的改造措施，具體方法如下。

冷凍泵功率為55kW，冷卻泵功率79kW，空調機組功率大約在35%，因此對冷卻水系統應該實施改造，在保障穩定可靠運行的狀況下，獲得較為明顯的節能效果。

冷卻水系統、冷凍水系統的控制都采取定溫度差控制方法，溫差控制適合使用于泵的恒流量更改，把冷卻水、冷凍水的溫差度控制在4.8℃左右。使用溫度傳感器測量回水溫度和供水溫度，把結果通過數模轉變為數字量傳輸到PLC進行計算，按照計算結果數據監控變頻器，進而監控水泵轉速來調整水流量。假設回水溫度和供水溫度差較大，應該增強水泵頻率，提升循環水流量；同樣的回水、供水溫差較小是應該減少水泵頻率，降低循環水流量。

經過PLC設置冷卻塔水溫控制在30℃左右，PLC使用的實際溫度和設置數據對比，但溫差值上升3℃左右時，啟動兩臺風機，溫差值減少3℃時，延長五分鐘后暫停兩臺風機，經過PLC程序完成電氣和儀表的連鎖監控，完成節能的最初目標。

系統水泵的轉速都使用變頻控制措施，正常運行時，水泵在40Hz左右變頻運動。當變頻控制系統產生故障時，應該啟動原有的控制電路，使水泵定頻運作。

3.3 變頻器控制水泵步驟

PLC控制器經過溫度模塊和溫度傳感器收集實際溫度儀表數據，把壓縮機器的出水溫度和回水溫度輸入PLC控制器內存中，PLC的相關計算系統出進水溫差值。按照壓縮機的出水溫度和回水溫度差值監控變頻器的頻率，進而控制變頻電機的轉速，調整出水量，合理調整熱交換速度。溫度差表示室內溫度較高，系統負荷較小，可以有效減少冷凍泵的轉速，降低冷凍水的循環流量和速度，經過PLC和變頻器間的協同作用完成節能的目標。冷卻水出水進水溫差較大，表示壓縮機負荷較大，需要冷卻水帶走大量的熱量，增強冷卻泵的轉速，增加冷卻水的循環量。溫度差較小，表示壓縮機負荷較小，需要帶走的熱量可以減少冷卻泵的轉速，降低冷卻水，以達到節能的目的。

3.4 節能改造系統設計

以下一冷凍水泵為例子詳細介紹節能改造方案的設計接觸器KM3是其旁通接觸器，連接后可以開啟原水泵的控制電路，保障水泵定頻運行。接觸器KM1作為M1的變頻接觸器。兩臺水泵的接觸器經過PLC實施控制，旁路接觸器經過繼電器控制，變頻接觸器和旁路接觸器間有相關的電器互鎖。

控制系統的構造如圖2所示，控制環節經過兩個溫度傳感器測量出水溫度和進水溫度，檢測結果經過A/D轉變模板，把模擬量轉變為數字量輸送給PLC，PLC系統把數字量信息實行運算，計算結果經過調速D/A模板再次轉變為模擬量，調整變頻器的轉速。進水出水溫度差值較大，則應該提升水泵轉速；溫度差較小是，減少水泵轉速，進而保障溫度差維持在穩定狀態，以達到節能的目標。

3.5 變頻調整速率系統節約能源的評估

根據與離心泵定理可以表述如下，其中Q表示的是水泵流量P表示水泵功率；H表示水泵揚程；n表示為水泵轉速。根據公式可知，頻率和泵流量成正比關系，頻率的平方和泵的揚程為正比關系，頻率的三次方和水泵為正比關系。經過變頻調速后，節能效果十分顯著。所以，采取變頻調速的方式來調整中央空調水系統流量有十分重要的意義。

結語

中央空調系統指的是對建筑和樓宇內的空氣實施調節的系統，是目前現代建筑中必不可少的主要設備設施。但是其還存在一定的缺陷和不足，由于其耗電量較大，我們應該做好良好的節能改造工作。通過以上分析可以知道，本文通過分析PLC和變頻器在中央空調節能改造中的運用實施探究，以期望對有關方面的需要提供參考借鑒。

[1]趙春平，李冰.PLC自動控制技術在中央空調系統中的應用[J].經濟技術協作信息，2010（01）.

[2]韓俊青，王洪華.基于PLC控制的中央空調節能改造[J].中國教育技術裝備，2009（06）.

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