中央空調系統節能降耗改造中PLC與變頻器的應用實踐探討

林信賢

摘 要：中央空調的耗電量占了建筑耗電量相當大的一部分，對其進行有效的節能降耗改造有利于建筑高效益地運行。闡述了中央空調系統的運行和節能原理，結合某大廈的節能改造實例分析，給出了科學合理的改造方案，并對該方案進行節能評價，實踐結果證明，在中央空調系統中應用PLC與變頻器可以有效降低系統能耗，對建筑的節能減排具有重要意義。

關鍵詞：PLC；變頻調速；中央空調；節能改造

中圖分類號：TB657.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.076

文章編號：2095-6835（2015）15-0076-02

隨著我國經濟的不斷增長和科學技術水平的提高，大型建筑建設項目越來越多，中央空調應用廣泛。但是由于運行設計不合理等原因，中央空調系統的能耗一直居高不下，影響了建筑性能的發揮。因此，如何對其進行節能改造是工作人員需要解決的問題。下面就此進行討論分析。

1 中央空調系統的運行和節能原理

1.1 中央空調系統概述

空調系統主要由空調機組、水系統、風系統、末端系統和散熱系統組成。制冷機通過壓縮機將制冷劑壓縮成高溫高壓的氣體后送到冷凝器中與冷卻水進行熱交換，冷卻水被加熱，水泵將高溫水送到散熱系統，由散熱系統對其降溫，與外界環境進行換熱，將熱量釋放到環境中去。制冷劑經冷凝器被冷凝成液態，通過節流閥節流降壓后，在蒸發器中與冷凍水換熱，冷凍水被降溫，水泵將冷水送到各空調末端，為用戶供冷。制冷劑蒸發成氣態后被吸入壓縮機，完成一個循環。

1.2 空調水系統變水量調節原理

空調水系統變水量調節的原理可以用能量守恒定理表述為：

式（1）中：q為系統冷負荷；C為水的比熱容；Q為冷水流量；Δt為送、回水溫差，一般取5 ℃。

由式（1）可以看出，在空調水系統中，可根據實際負荷的大小來調整水流量或供、回水溫差。在設計水系統時，q、C、Δt為確定值，所以，水流量Q也被確定，水系統就是按這些值進行設備選型。當系統實際運行時，q成為一獨立參數，與室外氣象條件和室內熱源等許多因素有關。當系統負荷q發生變化時，系統的水流量Q或溫差Δt必然發生變化。如果改變供、回水溫度差Δt，維持流量Q不發生變化，則形成定流量系統。如果維持供、回水溫度差Δt不發生變化，而變動水流量Q，則成為變流量系統。變流量系統合理，供、回水溫差恒定，水量與負荷呈線性相關關系，此時可以考慮使用變頻水泵。

1.3 水泵變頻節能原理

中央空調的水系統主要

是完成熱量交換的循環水系

統。一般對水流量的調節是通

過閥門和擋板的開度開控制的，

因此，許多的電能會浪費在閥

門與擋板的阻力上。如果換成

變頻系統，把消耗在閥門和隔

板的電能省下來，泵節能效果

就很明顯。所以，采用變頻技

術來控制水泵的運行，是中央空調節能改造的有效途徑之一。

圖1給出了變頻調節和閥門調節兩種控制下的揚程—流量（H-Q）關系。圖1中，①為泵在轉速n1時的揚程—流量曲線，②為泵在轉速n2下的揚程—流量曲線，曲線③為閥門正常時的管路特性曲線，曲線④為閥門調小時的管路特性曲線。

水泵的有效功率可以表示為：

式（2）中：Pe為泵的有效功率，kW；ρ為流體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為揚程，m；Q為體積流量，m3/s。

如果泵的標準工作點為A，此時流量為Q1、揚程為H1，由式（2）可知有效功率Pe1與Q1，H1的積（即OQ1AH1）成正比例。當流量從Q1變化到Q2時，如果采用閥門調節方式，管路特性從曲線③變化到曲線④，有效功Pe3可以用OQ2CH3表示；如果采用變頻調節，泵轉速由n1變化到n2，在水量為Q2的情況下，水泵揚程降低到H2，有效功率Pe2可以用面積BH2OQ2表示。節省的能量ΔP（即面積CH3H2B）是十分明顯的。

2 中央空調節能改造示例

2.1 某大樓原中央空調系統概況

某商貿大樓中央空調水泵為一次泵，該大樓泵電機常年定速工作，供回水溫差約為2.5，用繼電器控制。該空調系統各設備的詳細信息如表1所示。

表1 空調系統設備信息

該大樓空調機組選型計算是按極端天氣、最差條件下設計的，寬裕度較大，系統極少在這種極端條件下運行，一年中只有幾天處于最大負荷。大樓原有的空調系統除了能耗大外，還會導致一系列問題，例如水流量過大，系統溫度差降低，換熱效率下降，惡化了空調機組工作條件，造成額外的電能損耗；水泵采用自耦變壓器啟動，電機啟動電流大，對供電系統帶來沖擊；一般泵啟停不是軟啟停，在泵啟停時，會出現水錘現象，對管網、零件閥門、管道等造成破壞。

為使循環水流量與負荷波動相配合，應用變頻控制對空調水系統進行節能改造，降低系統的能耗。一方面，能夠控制水泵的轉速，使水量與負荷波動相適應，從而節約能源；另一方面，因為變頻器的啟動方式是軟啟動，電機在啟停時無沖擊電流，這樣能夠防止水錘的發生，延長電機、零件閥門、管道等的壽命。

2.2 節能改造措施

根據大廈原有的空調運行情況，規定大樓空調水循環節能改造方法，即：①系統中冷凍泵功率為57 kW，冷卻泵功率為78 kW，相對于空調機組功率較大，所以要對冷凍水和冷卻水系統進行改造，在保證安全、穩定運行的條件下，取得最顯著的節能效果。②冷凍水、冷卻水系統的控制都應用定溫度差控制方案，溫差控制適用于泵的恒流量改造，將冷凍水、冷卻水溫度差控制在4.5～5 ℃。用溫度傳感器測供、回水溫度，將結果通過數模轉換模塊轉化成數字量送入PLC計算，根據計算結果來控制變頻器，從而通過控制水泵轉速來調節水流量。如果供、回水溫差大，負荷較大，應提高水泵頻率，增大循環水流量；相反，如果溫差小，則說明負荷較小，應降低水泵頻率，減小循環水流量。③系統所有水泵的轉速都采用變頻控制的方法。系統在正常工作時，水泵在30～50 Hz之間變頻運行；當變頻控制系統出現錯誤時，再啟動原控制電路，使水泵定頻工作。在變頻狀態下有兩種調頻方案，即自動調頻和手動調頻，調節變化量均為0.5 Hz。

2.3 節能改造控制系統設計

下面以冷凍水泵為例介紹節能改造控制系統的設計。接觸器KM3為M1的旁通接觸器，當KM3接通后，可啟用原水泵的控制電路，使水泵定頻工作，接觸器KM1為M1的變頻接觸器。2臺水泵的變頻接觸器通過PLC進行控制，旁路接觸器通過繼電器電路控制，變頻接觸器和旁路接觸器之間有電器互鎖。

控制部分通過兩個溫度傳感器（PT100）測量進、出水溫度，測量結果通過A/D轉換模塊，將模擬量轉變成數字量傳給PLC，然后PLC將數字量信息進行計算，計算結果通過調速D/A模塊再次轉換成模擬量（0～10 VDC）來調節變頻器的轉速。進出水溫差大，則增大水泵轉速；溫差小，則調小水泵轉速，從而使溫差保持穩定，達到節能的目的。

2.4 變頻調速系統節能評價

由離心泵的相似定律可表示為：

式（3）（4）（5）中：Q為水泵流量；H為水泵揚程；P為水泵功率；n為水泵轉速。

根據上述公式可知，泵流量與頻率成正比，泵的揚程與頻率的二次方成正比，水泵功率與頻率的三次方成正比。表2為水泵在不同頻率時流量、功率、節能率的百分比。

由表2可以看出，通過變頻調速后，節能效果是非常明顯的。因此，用變頻調速的方法來調節中央空調水系統流量是有必要的。

3 結束語

綜上所述，將PLC與變頻器應用于中央空調水系統的節能改造工作中，不僅可以使空調主機的工作環境得到優化，而且減少了電流過大對電網造成的沖擊和損害。變頻調速泵可以在延長設備壽命的同時，減少后期維護的成本，所以，我們應該大力推廣PLC與變頻控制在空調系統節能改造中的應用。

參考文獻

[1]陳孜虎.中央空調末端盤管及水系統變頻節能運行控制研究和實現[D].重慶：重慶大學動力工程學院，2010.

[2]郭杰.中央空調水系統的變頻改造[J].化工裝備技術，2013，34（1）：55-56.

〔編輯：王霞〕