PLC及變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用

崔作慶

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

關(guān)鍵詞：PLC；變頻器；中央空調(diào)；節(jié)能改造

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A

中央空調(diào)是現(xiàn)代建筑物中重要的電氣設(shè)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(diào)節(jié)能改造中應(yīng)用PLC及變頻器，不僅可以大幅度節(jié)約電能和提高中央空調(diào)的自動化程度，還能使系統(tǒng)具有運行可靠、結(jié)構(gòu)簡化、維護維修方便等優(yōu)點。因此，中央空調(diào)的節(jié)能改造都普遍傾向于應(yīng)用PLC及變頻器。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)概述

空調(diào)系統(tǒng)由水系統(tǒng)、空調(diào)機組、風系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)以及末端系統(tǒng)構(gòu)成，制冷機經(jīng)過壓縮機把制冷劑壓縮變?yōu)楦邏焊邷氐臍怏w，在傳輸?shù)嚼淠髦泻屠鋮s水實施熱交換。冷卻水變?yōu)楦邷厮冒迅邷厮斔偷缴嵯到y(tǒng)再對其降溫，和外界環(huán)節(jié)實行換熱，把熱量釋放至空氣中。制冷劑通過冷凝器轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，經(jīng)過節(jié)流閥降壓后，在蒸發(fā)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?shù)娇照{(diào)末端，為用戶提供制冷功能。制冷劑蒸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)后背吸入壓縮機，達到一個良好的循環(huán)。

2 中央空調(diào)節(jié)能改造原理

2.1 水系統(tǒng)中的變水量調(diào)節(jié)原理

從以上公式中可知，空調(diào)水系統(tǒng)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(diào)節(jié)。在實施水系統(tǒng)設(shè)置時，q、Δt、C的數(shù)據(jù)為確定值。因此，水流量Q也將作為確定值，水系統(tǒng)根據(jù)這個確定值數(shù)據(jù)開展設(shè)備選型。水系統(tǒng)運行時，q作為一組獨立參數(shù)，和室外環(huán)境條件以及室內(nèi)熱源等多種因素有一定關(guān)系。水系統(tǒng)負荷q產(chǎn)生一定變化時，系統(tǒng)的溫差Δt和水流量Q必定會同時發(fā)生改變。假設(shè)更改回水溫度和供水溫度差Δt，保證水流量Q不產(chǎn)生任何變化，則會變?yōu)槎髁肯到y(tǒng)；假設(shè)保證回水溫度和供水溫度差Δt不產(chǎn)生任何變化，改變水流量Q，則有可能形成變流量系統(tǒng)?？茖W(xué)合理的改變流量系統(tǒng)，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(xiàn)為線性相關(guān)關(guān)系，可考慮采取變頻水泵。

2.2 水泵變頻節(jié)能的原理

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

圖1表示的是變頻調(diào)整和閥門調(diào)整兩者控制時揚程與流量的相關(guān)性。

假設(shè)泵的標準工作點是A，流量是Q1、揚程是H1，根據(jù)以上公式可以知道有效功率Pe1和Q1、H1的積表現(xiàn)為正比例關(guān)系。當流量從Q1轉(zhuǎn)變?yōu)镼2時，假設(shè)使用閥門調(diào)整的方法，管路特性將由曲線③轉(zhuǎn)變?yōu)榍€④，有效功率可以采取OQ2CH3表達；假設(shè)使用變頻調(diào)節(jié)的方法，泵轉(zhuǎn)速由n1轉(zhuǎn)變?yōu)閚2，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(jié)約的能量ΔP（即面積CH3H2B ）是非常顯著的。

3 工程實例

3.1 工程描述

某商貿(mào)大廈的中央空調(diào)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(tǒng)各個設(shè)備詳細信息見表1。

該大廈空調(diào)機組選型運算是根據(jù)極端天氣和最差狀態(tài)下設(shè)置的，有較大程度的寬裕，系統(tǒng)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(tài)。大廈原本使用的空調(diào)系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)生水錘現(xiàn)象，對于零件閥門、網(wǎng)管、管道等形成一定程度的損壞。

為保證負荷波動和循環(huán)水流量相負荷，運用變頻控制對于空調(diào)水系統(tǒng)實施節(jié)能改造，能夠減少系統(tǒng)的能力耗損。首先其可以控制水泵的轉(zhuǎn)速，使得水量伴隨著負荷的改變相適應(yīng)，進而節(jié)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?jīng)]有沖擊電流，如此可以預(yù)防水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，延長零件閥門、電機、管道的使用期限。

3.2 節(jié)能措施

按照大廈原有的空調(diào)運行狀態(tài)，擬定大樓空調(diào)水循環(huán)節(jié)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(diào)機組功率大約在35%，因此對冷卻水系統(tǒng)應(yīng)該實施改造，在保障穩(wěn)定可靠運行的狀況下，獲得較為明顯的節(jié)能效果。

冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)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(jié)果通過數(shù)模轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量傳輸?shù)絇LC進行計算，按照計算結(jié)果數(shù)據(jù)監(jiān)控變頻器，進而監(jiān)控水泵轉(zhuǎn)速來調(diào)整水流量。假設(shè)回水溫度和供水溫度差較大，應(yīng)該增強水泵頻率，提升循環(huán)水流量；同樣的回水、供水溫差較小是應(yīng)該減少水泵頻率，降低循環(huán)水流量。

經(jīng)過PLC設(shè)置冷卻塔水溫控制在30℃左右，PLC使用的實際溫度和設(shè)置數(shù)據(jù)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(jīng)過PLC程序完成電氣和儀表的連鎖監(jiān)控，完成節(jié)能的最初目標。

系統(tǒng)水泵的轉(zhuǎn)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(tǒng)產(chǎn)生故障時，應(yīng)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(jīng)過溫度模塊和溫度傳感器收集實際溫度儀表數(shù)據(jù)，把壓縮機器的出水溫度和回水溫度輸入PLC控制器內(nèi)存中，PLC的相關(guān)計算系統(tǒng)出進水溫差值。按照壓縮機的出水溫度和回水溫度差值監(jiān)控變頻器的頻率，進而控制變頻電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)整出水量，合理調(diào)整熱交換速度。溫度差表示室內(nèi)溫度較高，系統(tǒng)負荷較小，可以有效減少冷凍泵的轉(zhuǎn)速，降低冷凍水的循環(huán)流量和速度，經(jīng)過PLC和變頻器間的協(xié)同作用完成節(jié)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(zhuǎn)速，增加冷卻水的循環(huán)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(zhuǎn)速，降低冷卻水，以達到節(jié)能的目的。

3.4 節(jié)能改造系統(tǒng)設(shè)計

以下一冷凍水泵為例子詳細介紹節(jié)能改造方案的設(shè)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(jīng)過PLC實施控制，旁路接觸器經(jīng)過繼電器控制，變頻接觸器和旁路接觸器間有相關(guān)的電器互鎖。

控制系統(tǒng)的構(gòu)造如圖2所示，控制環(huán)節(jié)經(jīng)過兩個溫度傳感器測量出水溫度和進水溫度，檢測結(jié)果經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)變模板，把模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量輸送給PLC，PLC系統(tǒng)把數(shù)字量信息實行運算，計算結(jié)果經(jīng)過調(diào)速D/A模板再次轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，調(diào)整變頻器的轉(zhuǎn)速。進水出水溫度差值較大，則應(yīng)該提升水泵轉(zhuǎn)速；溫度差較小是，減少水泵轉(zhuǎn)速，進而保障溫度差維持在穩(wěn)定狀態(tài)，以達到節(jié)能的目標。

3.5 變頻調(diào)整速率系統(tǒng)節(jié)約能源的評估

根據(jù)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(zhuǎn)速。根據(jù)公式可知，頻率和泵流量成正比關(guān)系，頻率的平方和泵的揚程為正比關(guān)系，頻率的三次方和水泵為正比關(guān)系。經(jīng)過變頻調(diào)速后，節(jié)能效果十分顯著。所以，采取變頻調(diào)速的方式來調(diào)整中央空調(diào)水系統(tǒng)流量有十分重要的意義。

結(jié)語

中央空調(diào)系統(tǒng)指的是對建筑和樓宇內(nèi)的空氣實施調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，是目前現(xiàn)代建筑中必不可少的主要設(shè)備設(shè)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(yīng)該做好良好的節(jié)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(diào)節(jié)能改造中的運用實施探究，以期望對有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

參考文獻

[1]趙春平，李冰.PLC自動控制技術(shù)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].經(jīng)濟技術(shù)協(xié)作信息，2010（01）.

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