中央空調節能控制系統的設計與開發

文/王愛嶺

傳統中央空調系統設計通常情況下是以空調的最大負載為依據進行設計，其水系統和風機盤管系統采用的是定流量和定風量的運行模式，因此，中央空調系統消耗了很大的電力能源。其中，最大的耗能部分來自冷水機組，除了冷負荷估算過大的原因外，還有冷水機組的工況受冷負荷的變化以及水系統的溫度變化的影響，一般情況下達不到最佳的工況，所以冷水機組節能的空間比較大。

1 中央空調的制冷原理

中央空調系統一般由制冷機組、冷水循環系統、冷卻水系統和風機盤管系統組成。將制冷系統分為直接制冷以及間接制冷系統兩種。主要區別在于：直接制冷系統中的蒸發器與被制冷對象直接交換熱量，僅包括制冷回路；在間接制冷系統中，除制冷劑回路外，還有載冷劑回路。空調水循環系統是中央空調的重要組成部分，一般由冷水循環系統和冷卻水循環系統組成。冷水循環系統：通過冷水水泵將從制冷主機流出來的低溫冷水，輸送到風機盤管系統中去，將室內的熱量吸收，這一過程，低溫冷水就變為了高溫冷水，高溫冷水重新進入到冷水機組，與蒸發器內的制冷劑進行熱量交換，將獲得到的冷量輸送到風機盤管系統中，達到制冷的目的。冷卻水循環系統主要由冷卻水泵、冷卻水管路和冷卻水塔組成。制冷機組在工作過程中會產生大量的熱，多余的廢熱需要通過冷卻水系統排到室外。冷卻水循環系統的主要作用就是將制冷機組運行過程中產生的廢熱排到室外。風機盤管系統作為制冷系統的末端裝置，就是不斷的將室內的空氣進行循環，促使其與冷水系統重復的進行熱交換，并且提供適量的新風，滿足室內的環境需要。

制冷原理：首先，壓縮機將常溫低壓制冷劑氣體壓縮成高溫的氣體制冷劑，經過冷凝器到膨脹閥的制冷系統高壓側，這時候通過冷卻水循環系統將高溫高壓的氣體制冷劑中的熱量吸收，制冷劑就會變為液體，之后，流出冷凝器，變為過冷液體。之后，高壓制冷劑通過節流裝置降低其壓力，從電子膨脹閥的出口到壓縮機的回氣口，過冷液體制冷劑通過膨脹閥時，由于節流作用由高壓降至低壓，外部無熱交換。同時，一小部分的液體制冷劑在被汽化的過程中，溫度就會降低，之后進入到蒸發器中進行吸熱，這個過程就是空調的制冷過程。常溫水在冷凍水泵的作用下，被帶入到蒸發器的盤管中，在制冷劑的作用下，常溫水的溫度就會降低，為空調提供冷源。降溫后的冷水被送到冷卻盤管中，將盤管周圍的熱量吸收掉，之后將產生的低溫空氣送到室內，達到降溫的目的。

2 中央空調節能控制系統的設計

目前，國內多數中央空調系統的水系統和風機盤管系統采用恒流和恒風量的運行模式，而且系統的大部分時間是在部分負荷條件下工作，導致浪費電能。對中央空調系統進行改造，采用變流量水系統和變風量系統是當前中央空調系統節能的有效措施。

2.1 系統硬件的組成

本設計的監控系統硬件主要包括：PAC、觸摸屏、熱電偶、AI模塊等。在一般的控制系統應用中，PLC和IPC的應用比較廣泛，但二者在實際應用中存在一定的不足，PLC的可靠性比較高，但是快速的數據處理能力不足；IPC的數據處理能力比較高，但是穩定性不足。鑒于此，本設計采用的是PAC控制器，作為一種新型的控制器，PAC控制引擎比較輕便，而且提供了多功能的開發工具。PAC的軟邏輯內核通過后臺運行，可以和其它的應用程序同時并存，集實時控制、數據庫功能為一體，實現多功能的特點。系統采用的是ADAM-5550KW型控制器，同時具備PLC的可靠性能以及PC的運算性能。具有分散控制、模擬測量的多種功能。AI模塊采用的是16位、8通道的差分輸入模塊，主要是接受不同的信號，由于信息形式以及范圍的不同，因此，需要通過編程設置來滿足實際的工作要求。

2.2 系統的軟件設計

系統節能控制軟件主要包括上位機和下位機軟件設計。上位機控制軟件主要由Modbus通信、數據采集、格式轉換、存儲、監控畫面等功能。下位機控制軟件主要由信號采集、處理以及PID控制算法組成。通過Modbus通信來實現上位機和下位機之間進行數據的交換。

上位機程序主要包括通信的實現、監控界面的實現、參數顯示、曲線顯示等功能。由于PAC內存有限，在界面的設計中，界面和數據采集線程都會占用內存，為了防止出現內存不足，導致運行緩慢或者死機的情況，本系統設計的要求是關某個運行的界面被關閉以后，其相應占有的內存就會被釋放，而且其它界面的運行也不會受到影響，因此，在實際設計中，采用了打開即分配，關閉即釋放的策略，即以實際的工作狀況為前提，打開一個界面，就為該界面的通信線程及控件進行內存的分配，滿足工作需要，關閉界面時，就會進行內存的釋放，有效的實現了PAC的內存動態管理，為系統更好的運行提供了基礎。

下位機程序主要包括信號的采集、存儲、處理、控制算法的實現等，主要采集的信號是冷水的進、出水溫度，冷卻水的進、出水溫度，房間溫度信號等，由于存在噪聲干擾，需要采用中值濾波和平均值濾波結合的方式來對信號進行濾波處理，這樣得到的值與傳感器的顯示值差別小。上位機與下位機程序之間的轉換通過Modbus/TCP協議來實現，一般是通過ADAM-5550KW系列控制器的以太網端口來支持Modbus/TCP的服務器功能。目前來看，Modbus是工業領域應用比較廣泛的協議，許多的工業設備，比如：PLC、智能儀表等都通過Modbus協議作為通訊標準。不同廠商生產的控制設備通過Modbus協議就可以組成工業網絡，便于集中控制。

2.3 空調水系統節能控制方案

2.3.1 冷水系統節能方案

本系統采用的冷開利30HXC200型冷水機組具有變冷負荷運行的能力，可以實現根據冷卻負荷的變化而調節冷卻水流量，將蒸發器的制冷能力進行調節，因此，該系統可以轉化為一個可變流量系統。在實際的工作過程中，冷負荷是不斷變化的，在這個方案中，當空調系統的冷負荷發生變化時，變頻器就會調節冷水泵的運行速度，冷水流量隨著冷負荷的變化而調節，在不同的冷負荷條件下工作。為了保證蒸發器側的冷水流量最小，可以在在旁通管上加裝旁路閥，滿足實際工況需求。冷水變流量系統常用的控制方法是定溫差法和定壓差法。在實際的運用中，定溫差法的操作比較簡單，施工的復雜程度也比較小。此外，由于

冷水系統的負荷與壓差的直接關系不大，因此壓差不能準確的來反映出空調的負荷變化。此外，由于系統只包含一個終端設備，而恒溫差控制方法能夠更準確地反映空調系統的冷負荷變化，所以采用定溫差控制方法是合理的。

2.3.2 冷卻水節能控制方案

冷卻水系統節能控制的原則是在滿足空調負荷的基礎上，將冷水流量最大限度的降低，以此來減少對電能的消耗，達到節能的目的。冷卻水泵和冷卻塔風機是冷卻水系統的主要組成部分，這兩個部分在系統中承擔不同的作用，其中，冷卻水的流量需要通過冷卻水泵調節，冷卻水的回水溫度則需要冷卻塔風機來控制。一般情況下，通過溫差控制法和冷凝溫度控制法來調節冷卻水的變流量。在實際的設計中，如果冷卻水泵的功率與冷水機組的功率比值大于10%的話，那么選擇冷凝溫度控制法的節能效果更明顯，需要注意的是，冷凝溫度控制法要求冷卻水的回水溫度范圍為18-25℃，如果在夏天外界溫度高的情況下，需要通過冷卻塔的噴淋來滿足溫度需要。

2.4 風機盤管系統節能控制方案

通過中央空調的工作原理可知，冷水系統在冷水泵的作用下將攜帶的冷量輸送到風機盤管中去，與盤管內的室內熱量進行交換，再由盤管風機將冷風送到室內，達到調節室內空氣的目的。通過盤管系統的工作原理，直接控制低溫空氣的流量可以達到節能的目的。傳統的恒風量空調制冷系統，空調系統末端的冷負荷變大或者變小，風機盤管的送風量是不變的，就造成了電能的浪費。采用變風量系統，可以根據冷負荷的大小來調整送風量，起到節能的作用。可以在風機末端安裝變頻器，在空調控制的房間內安裝溫度傳感器，更加精確的測量溫度，通過比較設定溫度值與實際監測到的溫度值，由變頻器來調節風機的轉速，控制送風量，達到調節溫度的目的。

3 結束語

冷水機組是中央空調系統最耗能的部分，實現冷水機組的節能處理是空調節能系統的關鍵。隨著科學技術的發展，應該從冷水機組的控制電路板以及信號控制方面入手，分析冷水機組的耗能原因，設計最佳的節能方案，達到節能控制要求。