中央空調教學設備改造與應用

黃錦旺　劉向勇

摘要：當前中央空調教學控制系統較為落后，為了適應教學和技能鑒定要求，對其進行了智能化改造。采用由變頻器、PLC、觸摸屏、傳感器等組成的溫差閉環控制系統，使壓縮機、冷凍水泵和冷卻水泵能隨空調負荷、室內溫度的變化而自動變速運行，大大優化了系統的運行質量，達到了顯著的節能效果。同時增加觸摸屏，設計適合技能鑒定的組態界面，實時進行參數設計，實現考試功能。

關鍵詞：中央空調;觸摸屏;PLC;變頻器

中圖分類號：TU831.4 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0258—03

0引言

隨著經濟的發展，中央空調系統成為大型公共建筑的必備設施。但是，中央空調的耗能非常大，尤其是夏天，耗電量占建筑能耗的50%以上，因此，如何降低中央空調耗能，成為研究的熱點問題。如陳建昌對冷凍機房節能優化控制系統進行了分析;李建維對中央空調水系統節能運行優化技術進行了深入研究;劉憲英對中央空調能耗現狀與節能途徑進行詳細探討;余錫華對基于中央空調系統節能開展了認真思考;孫照寅、李嘉樂等對南京新城大廈二期空調系統進行了節能改造實踐。

某院制冷專業擁有一臺大型中央空調教學設備，該設備主要由450t冷氣主機、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、冷凍風機等部件組成。此設備購買時間較早，控制系統相對落后，在實際教學過程中，需要頻繁啟動，不僅使空調電動機、接觸器等主要部件的使用壽命大大下降，增加保養和維護工作量以及成本，同時，頻繁地啟動也造成耗能的大量消耗。另外，該院承擔制冷上崗證的培訓鑒定工作，在進行技能考核時，需要對中央空調進行手動控制和考證計時，現有的設備無法滿足。綜合考慮以上因素，對學院舊有的中央空調教學設備進行改造，從而實現現有設備的技術更新、改善教學效果、促進節能環保，同時滿足技能鑒定需要。

1改造方案分析

根據改造功能要求以及改造成本限制，在實施之前設計了3種改造方案。（1）通過變頻器、PLC、溫度傳感器等構成負反饋閉環自動控制，根據負載大小，通過溫度偏差反饋信號，自動調整水泵、壓縮機的運行頻率，無需人工操作，控制精度高。（2）根據制冷主機負載量調整啟動時間，當負載比較小時，可以自動控制中央空調啟停，間歇開機運行。此方案也存在一定的弊端，例如主機電動機再次啟動瞬間，主機負荷較大，瞬間耗電量激增，無法從根本上達到省電目的，而且溫度高低不斷變化，人體體感較差。（3）通過改變水閥門的開度來控制流量。采用此方法如果控制效果不好，會引起冷凍水末端壓力偏低，也可能引起冷卻水流量偏小，造成冷卻水散熱不夠，經測試，此方法達不到節能效果。綜合考慮，此次改造采用方案（1），同時在改造后的設備上安裝觸摸屏，仿真中央空調的運行過程，確保教師能夠形象講解中央空調原理和組成，且滿足技能鑒定的需要。方案（1）技術支撐已經非常成熟，雖然一次性投入資金較大，但可以實現非常好的節能效果，與改造的初衷和需求完全吻合，課題組在多次驗證仿真基礎上選擇了方案（1）。

2改造實施過程

中央空調系統運行過程是能量轉換以及熱交換過程。中央空調系統冷凍泵、冷卻泵的裝機容量需設計安全系數，一般系統最大負荷110%～120%作為安全系統上限。傳統中央空調系統的冷凍水、冷卻水循環用電相對較高，尤其在冷凍主機低負荷運行時，可達整個系統用電30%～40%。因此，在中央空調系統節能改造時，對冷凍水和冷卻水循環系統進行自動控制是比較流行的一種手段。

本次改造所需購置零部件名稱、數量、型號等如表1所示。

改造方案：利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度模塊等組成溫差閉環自動控制系統，對中央空調水循環系統進行節能控制;變頻器的啟停、頻率調節等負反饋閉環控制系統進行，手/自動切換、手動頻率設置由PLC主機進行控制;變頻器用三菱FR-A700-2.2K-CH，控制系統所需輸入輸出I/O點數為輸入24點、輸出24點，同時需要預留部分輸入輸出口，以備后續使用。結合可靠性和價格等綜合因素，本次選用的PLC為三菱FX2N-48MR;模擬量輸出是一個4通道D/A轉換模塊，每個通道均可以單獨設置電壓或電流輸出，輸出精確度較高。

教學用中央空調改造后的系統控制如圖1所示。

室內溫度傳感器模塊將所測室溫數據通過溫度數模轉換模塊傳輸給PLC主機控制器內存，與設定的溫度進行對比，計算出溫度偏差;根據偏差值控制變頻器的轉速，對出水流量進行有效調節，熱交換速度快慢得到控制;偏差大，代表環境溫度過高，中央空調負荷比較大，此時應提高冷凍泵轉速，冷凍水流量加大，循環速度提高，系統的熱交換速度就會相應加快，環境溫度快速降低;反之若偏差較小，代表環境溫度較低，則自動減小上述設備動作，以減小能耗，節約電能。系統的冷凍機組正常運行時，冷卻水在終端和冷卻塔間循環，冷卻泵和冷凝器之間循環，如此進行不斷循環，從而實現熱交換。如果冷卻水進水和出水之間的溫差過大，則說明冷凍機此時的負荷較大，說明有較多的熱量需要冷卻水帶走，此時冷卻泵的轉速就應該加大，提升冷卻水循環速度;如果冷卻水進水和出水之間的溫差較小，則說明冷凍機負荷小，需冷卻水帶走的熱量也比較小，此時就應該降低冷卻泵轉速，減小冷卻水循環速度，以節約電能。

為滿足空調實訓教學、制冷技能鑒定需求，本次改造同時開發出針對教學和技能鑒定的組態控制界面，如圖2所示。此系統包含主界面、監控界面、考試界面及參數設置界面等，各界面之間可以實時切換。主界面可實時顯示系統各設備運行情況以及各水泵、壓縮機運行頻率等信息。

改造后的中央空調教學設備主要分為手動模式、考試模式和自動模式3個模式。在教學過程中，老師可以手動對中央空調進行分步起動，可分別對每一個組成部件進行詳細介紹和講解;在考評中，系統程序會自動把全部負載都斷開，從而避免了負載的頻繁操作引起系統故障。進行技能鑒定時，只要考生按要求的正確順序啟動，界面對應的指示燈就會點亮。如果操作順序錯誤，則觸摸屏上會提示考評員扣分。在觸摸屏考試界面中，還可以對考生的考試時間進行設定，界面顯示倒計時;在節能環保功能中，利用PLC、變頻器、溫度模塊和溫度傳感器通過溫差閉環控制，使壓縮機、冷凍水泵和冷卻水泵能隨空調負荷、室內溫度的變化而自動變速運行，同時可用觸摸屏對中央空調各項參數進行實時監控和調整，從而大大優化了該中央空調系統的運行質量，達到了顯著的節能效果。

3結束語

通常情況下，學校購買的教學設備需要使用10年左右，但是在科技日新月異的今天，5年技術就已經煥然一新，而學校又不可能每年購置新設備。因此，對現有的教學設備進行技術升級改造，是一個解決矛盾的有效方法。對落后的教學設備進行技術革新，不僅可以提高設備的使用率和使用年限，也為學校節約了投資成本，同時對教師技術提升也能起到有效促進作用。

本文通過實踐證明，此次中央空調教學設備的改造達到了預期目的，提高了專業課教學效果，改進了技能鑒定手段，達到了良好的社會效益和經濟效益。