中央空調智能群控節能系統改造與設計

摘 要：目前，我國社會正處于高速發展階段，人們的生活質量和生活水平迅速提升，中央空調已經廣泛的應用到了現代建筑中。但老式的中央空調不具備智能控制系統，能耗很高，造成了大量能源的浪費，這與現代人們提倡的環保節約理念不相符。為了改變這種狀況，文章針對老式中央空調能耗高以及非智能調控的缺陷，改造并設計出了中央空調智能群控節能系統。本系統應用了變頻設備，改造了線路，使溫度傳感器與電動閥能夠智能的控制進出水，并且通過對人機交互界面的應用，實現了中央空調的遠程智能控制。通過對該系統的運行研究證明，中央空調智能群控節能系統可以有效的降低中央空調的能耗。

關鍵詞：中央空調；智能群控；節能系統；改造與設計

現在，中央空調已經在人們的生活和工作中被廣泛應用，通常情況下，其能耗大約能夠占據建筑總能源消耗的百分之五十五。但是，因為中央空調系統具有成本高、壽命長、維修費用低等特點，所以除了最新的建筑之外，目前大多數中央空調的控制系統使用的還是老式的系統。老式中央空調的控制系統應用的是手動控制的，所以它無法根據環境、季節以及用戶負荷的變化來進行相應的調整，導致系統中的設備長期處于工頻狀態，這種狀態下浪費了非常多的電能，而且空調運行時會產生非常大的噪音，對周圍造成嚴重的污染。所以，對老式空調的系統進行智能化節能改造，降低中央空調的能耗，是符合當前可持續發展的理念的。

文章通過對老式中央空調系統的研究，設計出了相應的智能節能系統。該控制系統內應用了變頻變壓技術以及人機交互技術，使操作人員能夠通過觸摸屏進行風機、主機與水泵的開啟和關閉操作，并且能夠根據用戶的負荷來智能調整冷卻泵的轉速以及主機數量。通過對該系統實際運行情況的研究，證明該系統可以滿足實際需求，并且降低了能量消耗，達到了節約電能的目的。

1 中央空調系統進行變頻改造的節能原理

中央空調和家用小型空調的溫度控制方式是不同的，家用空調是直接把風吹到散熱器上面得到熱風與冷風，而中央空調主要通過對循環水加熱與降溫，在循環水經過用戶房間時，用戶房間內設置的風機會將風吹向散熱器，使風被制冷或者加熱，從而使用戶獲得適宜的溫度。通常情況下，中央空調的冷凍主機的運行負載能夠根據環境溫度變化而進行相應的調整，但循環水循環速度是恒定的，也就是說冷凍泵以及冷卻泵無法按需調整負載，始終處于百分之百的負載運行狀態，這就造成了電能的大量浪費。所以，由此我們可以看出，中央空調的變頻改造主要是實現對冷卻泵以及冷凍泵智能變頻調控，使空調的運行負載和實際負載相匹配。由于變頻跳速具有穩定性好、范圍寬以及頻率高的特性而被認為是控制電機轉速的最合理方式。

水泵中電機的轉動速度n、揚程H、軸功率P以及流量Q之間的關系可以表示為：

通過該公式我們可以知道，軸功率P和轉速n的3次方成正比，所以，只要按照實際的負荷情況實時調整電機轉速就可以有效減低系統能耗，實現節能的目標。通過對本研究所用變頻設備的測試，我們得知冷凍泵頻率和電壓、電流以及轉速之間的關系，結果如表1。

由表1可知，當冷凍泵的轉動速度由1440rad/min下降至1123rad/min時，其頻率正好由50Hz下降到了基準頻率39Hz，轉動速度下降到了百分之七十八，功率下降到了百分之四十七，電功率為7.11kW，即節約了百分之五十二點六的電能。在理論上，當該系統運轉穩定時，可以有效降低能耗，達到節能的目標。

2 中央空調智能群控節能系統的設計與改造

中央空調系統中的冷凍泵、風機以及冷卻泵的能源消耗在系統整體能源消耗中占據了非常大的部分。老式的中央空調系統的運轉頻率無法根據用戶負載的變化來進行相應的調節，長時間滿負載的運轉導致大量能量的浪費，同時，陳舊的設備噪音污染嚴重并且容易引發安全事故，對人們的生命財產安全造成威脅。針對這種情況，本案例用變頻設備對系統中的冷卻泵與冷凍泵進行合理的改造，在循環水中置入溫度傳感器，將手動控制的閥門改造成電動控制的智能閥門。

該中央空調額定功率為86.6kW，系統中包含兩臺制冷主機，且全年并聯運行；擁有三臺冷卻泵，其中兩臺正常運行，一臺作為備用；擁有三臺15kW的冷凍泵，其中兩臺正常運行，一臺作為備用；擁有兩臺5.5kW的冷卻塔，且全年并聯運行。一旦系統中其中一臺冷卻泵或者冷凍泵發生故障，備用設備自動進入使用狀態。圖1為改造設計后的空調系統。

2.1 改造設計方案

該系統是20世紀90年代生產的，系統中的設備老化現象非常嚴重，并且系統運行過程中會產生非常大的噪音。對系統改造的目標為：（1）構建出統一監控管理系統；（2）新系統要和原有系統良好兼容并且能夠自主切換；（3）節能率要大于等于百分之三十。

具體的改造思路：空調系統同時擁有群控與單控功能，單控功能適用于原有的設備，群控功能適用于改造之后的設備。這兩套設備之間沒有必然的聯系，假如其中一種功能的控制柜發生故障，可以及時切換到另一種功能的控制柜，從而可以有效保證中央空調始終處于正常運轉的狀態。在老式的系統中合理置入電能電動閥門與溫度傳感設備，將老式的機械按鍵改造成觸摸屏幕，使新系統可以對冷卻泵與冷凍管的溫度進行實時監測，通過PLC信號實現電動閥的自動開關，并且使系統能夠根據氣候環境的變化人性化的自動調整用戶室內溫度。系統中置入的溫度傳感設備收集到的溫度數據為負荷末端信息，所以系統能夠通過對變頻設備頻率的控制，調整冷卻泵以及冷凍泵的轉動速度，從而實現對水流量以及室內溫度的調節，同時不會使用戶感受到過熱或者太冷，實現節電的目的。

2.2 控制策略

該控制系統由CPU226、觸摸屏、溫度采集模塊、水泵機組、變頻器、電動閥組等部分組成。在主機的冷凍和冷卻進出水位置分別放置溫度傳感設備，水溫的實時監測數據會反饋到觸摸屏上。CPU226通過對水溫信號的分析，得到系統實際負載情況，進而通過變頻設備改變冷卻泵與冷凍泵的轉動速度，最終改變循環水的熱交換速度，將溫度控制在預定的數值上。當處于秋冬季節或者中央空調的用戶非常少時，CPU226能夠產生信號使中間繼電器處于閉合狀態，同時使2號主機的冷凍與冷卻進出水電動閥進入關閉狀態，2號主機也隨著進入關閉狀態。在這種狀況下，只要1號主機處于正常的運轉狀態就可以獨立的達到所有用戶的要求，這樣就大量的節約了電能。另外，控制系統中的一鍵按鈕可以通過中間繼電器一鍵開關冷卻泵、冷凍泵、風機等設備，實現設備開啟和關閉的智能化，避免原來系統中需要一個一個開關設備耗費大量人力的狀況。

冷卻水中溫度傳感設備采集的數據表明了主機進行熱交換的狀況；冷凍水中溫度傳感設備采集的數據能夠清晰的反映系統從房間中抽離熱量的情況。一般狀況下，我們能夠把受到的溫度信息數據當成系統開展相應調控的依據。通過整定，我們在案例中把37攝氏度設置為冷卻水的最終出水溫度，把15攝氏度設置成冷凍水最終的回水溫度。在中央空調系統初始啟動的階段，使冷卻變頻設備在50Hz工頻狀態下運轉25分鐘，之后再40Hz的狀態下運轉1分鐘，最后轉入自動調節階段；冷凍變頻設備的參數設定為P=1，積分參數設定為I=5，微分參數設定為D=0，直接轉入自動調節階段。系統可以通過對傳感設備采集數據的分析，調整變頻設備的頻率，實時地調整用戶室內溫度，使用戶試用效果達到最佳狀態。

3 改造系統的節能效果分析

改造之后的系統擁有三臺冷卻泵和三臺冷凍泵，其中兩臺處于運行狀態，一臺處于備用狀態，冷卻泵的功率為18kW，冷凍泵的功率為15kW。本案例該種中央空調系統運轉的功率時間特性數據在表2以及表3中分別顯示。

考慮到不同的季節空調的時間使用量有很大差別，文章對7月份中央空調的實際運轉狀況進行研究。7月份正常工作時間為每天6小時，按照老式的系統進行計算，得出原來的用電量Q原=396千瓦時；通過表2中的數據我們可以得出改造后冷卻泵的用電量Q冷卻泵=64.84千瓦時；通過表3中的數據我們可以得出改造后冷凍泵的用電量Q冷凍泵=59.88千瓦時；系統的總用電量為Q改造總=249.44千瓦時；日節電量Q節電量=146.56千瓦時；最后通過計算得出節電率B=Q節電量/Q原*100%=37.%。

4 結束語

隨著中央空調在人們生活和工作中應用的日益廣泛，老式中央空調系統耗能高與現代節能降耗的環保理念沖突日益明顯。文章通過對老式空調系統進行分析和改造，運用溫度傳感設備進行溫度的實時采集，進而使冷卻泵和冷凍泵的運轉速度能夠根據用戶的負荷進行合理調整；運用人機交互技術使系統具備一鍵式智能調控功能。最終改造形成智能節能的中央空調智能群控系統，使中央空調可以依據環境溫度的變化來自動調整水泵的運轉速度，從而在保證用戶需求的情況下有效降低用電量，同時減少了系統噪音。對該系統的實際運行狀況進行分析，結果顯示系統運行平穩，達到了預定的節能目標。

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