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摘　要: 中央空調(diào)的節(jié)能改造有很大的降耗空間，本文論述利用變頻器和PLC的邏輯控制功能及通訊功能，對(duì)重要空調(diào)各個(gè)系統(tǒng)分析后，提出了系統(tǒng)控制方案及實(shí)現(xiàn)方法，完成了整套節(jié)能改造的方案，對(duì)中央空調(diào)減少能耗、提高效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào) 變頻技術(shù) PLC 邏輯控制 通訊能力

Abstract: The reformation of Central air conditioning energy-saving has great potential for reducing loss. This paper discusses the use of inverters and PLC logic control and communications functions, with the analysis of all important systems of air conditioning, proposes a system control scheme and its implementation. The the full energy saving scheme is achieved. and has significant meaning for reducing the energy consumption of central air conditioning and improving the efficiency.

 

Keywords: central air conditioning, inverter technology, PLC, logic control, communication capability

 

    中央空調(diào)是大廈里的耗電大戶，正常供暖或供冷季節(jié)每年的電費(fèi)中空調(diào)耗電占60％左右，因此中央空調(diào)的節(jié)能改造顯得尤為重要。由于中央空調(diào)系統(tǒng)按最大負(fù)荷設(shè)計(jì)，并且留10-20％設(shè)計(jì)余量，而實(shí)際上絕大部分時(shí)間空調(diào)是不會(huì)運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)下，存在較大的冗余，所以節(jié)能的潛力很大。另外冷凍水泵和冷卻水泵不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié)運(yùn)行速度和合理數(shù)量，只能靠門和旁通來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量與壓差，因此不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，從而致使大量電能浪費(fèi)（冷凍水泵額外負(fù)載增多間接造成冷水機(jī)組負(fù)荷變大）和造成中央空調(diào)最末端達(dá)不到合理效果的情況。

本文針對(duì)某酒店改造項(xiàng)目的自身特點(diǎn)，利用變頻器和PLC的控制系統(tǒng)對(duì)原項(xiàng)目的中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，使其更加合理利用能量，對(duì)于減少能耗、提高效率具有重要意義。

廣東某酒店改造項(xiàng)目節(jié)能改造點(diǎn)如下:

1．東樓/西樓的中央空調(diào)之冷凍水泵控制，改造原因：人工通過(guò)調(diào)整管阻調(diào)整供應(yīng)冷量，雖然滿足使用但造成巨大的能量浪費(fèi)。

2．東樓/西樓中央空調(diào)之冷卻水泵控制，改造原因：人工通過(guò)調(diào)整管阻調(diào)整冷卻水流量（熱交換量），雖然滿足使用但造成巨大的能量浪費(fèi)。

3．東樓/西樓的中央空調(diào)之冷卻塔風(fēng)機(jī)控制，改造原因：一是頻繁啟動(dòng)，沖擊電流大，接觸器和電機(jī)壽命受影響；二是風(fēng)量不能根據(jù)送回水溫度自動(dòng)調(diào)整而造成能量浪費(fèi)。

4．風(fēng)機(jī)盤管冷量交換控制，主要分布點(diǎn)為東樓5號(hào)會(huì)議廳、天波府和大堂及西樓的保齡球館、宴會(huì)廳、西餐廳、一樓大堂、天堂吧、潮洲城、二樓大堂、東大堂和會(huì)議室等地方，改造原因：目前熱交換和新風(fēng)供給不能根據(jù)人流的多寡作快速調(diào)整，并且溫控不精確（采樣點(diǎn)在回風(fēng)口，冬天供暖，熱氣上升，人員活動(dòng)區(qū)溫度較設(shè)定溫度低；反之，夏天供冷氣，冷氣下降，人員活動(dòng)區(qū)溫度較設(shè)定溫度低。

5．東樓/西樓的供水系統(tǒng)，改造原因：目前采用人工大幅容調(diào)，由于供水電機(jī)功率較大（分別為55KW和30KW），大幅容調(diào)除了造成大的功率冗余和能量浪費(fèi)，同時(shí)將會(huì)造成供水不穩(wěn)定、水錘和啟動(dòng)電流沖擊，嚴(yán)重影響管件壽命和供水水質(zhì)。

    酒店中央空調(diào)結(jié)構(gòu)分為供暖和供冷兩部分，其中供冷包含冷卻塔，冷水機(jī)組，冷凍水泵，冷卻水泵和末端，供暖部分包含熱水泵和加熱器。該中央空調(diào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示：

圖1  中央空調(diào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該中央空調(diào)的西樓配置圖和東樓配置圖分別如圖2和圖3所示：

圖2  西樓配置圖

圖3  東樓配置圖

（1）冷凍機(jī)組

    一般冷凍機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式：在冷水機(jī)組的供/回水總管上分別設(shè)一個(gè)溫度傳感器（T），在冷凍回水管上設(shè)一個(gè)流量計(jì)（F），同時(shí)將此三種信號(hào)輸入到控制器，經(jīng)運(yùn)算可得出大樓的冷負(fù)荷Q=F*△T，根據(jù)冷機(jī)組的效率曲線，經(jīng)過(guò)計(jì)算比較，取各種組合中的能耗最小者，并根據(jù)設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)而自動(dòng)選擇冷機(jī)的最佳組合。使系統(tǒng)的總能耗保持在最小值，以達(dá)到最佳節(jié)能的效果。

    雖然大容調(diào)會(huì)產(chǎn)生大的功率冗余大的能量浪費(fèi)，但從冷水機(jī)組的運(yùn)行特性考慮，在沒(méi)有生產(chǎn)廠家配合處理的情況下不適宜進(jìn)行變頻改造，故本方案暫不考慮。

（2）冷凍泵組/冷卻泵組

    控制方式：依據(jù)所送水/回水溫差、流量和供回水壓差，計(jì)算決定啟動(dòng)機(jī)組臺(tái)數(shù)和變頻運(yùn)行泵的運(yùn)行頻率，自動(dòng)調(diào)整到最佳熱交換量狀態(tài)；

    由于水泵采用的是Y—△起動(dòng)方式，電機(jī)的起動(dòng)電流均為其額定電流的3～4倍，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機(jī)的使用壽命將受到影響；起動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖及和停泵時(shí)水錘現(xiàn)象，容易對(duì)機(jī)械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞而增加維修工作量和備品、備件費(fèi)用，另外，僅因啟動(dòng)需要將不得不使整棟大樓的配電容量增大若干倍、投入成本增加若干倍。變頻器是軟啟動(dòng)方式，采用變頻器控制電機(jī)后，電機(jī)在起動(dòng)時(shí)及運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中均無(wú)沖擊電流，而沖擊電流是影響接觸器、電機(jī)使用壽命最主要的因素，同時(shí)采用變頻器控制電機(jī)后還可避免水垂現(xiàn)象，因此可大大延長(zhǎng)電機(jī)、接觸器及機(jī)械散件，軸承、閥門、管道的使用壽命。

    在無(wú)旁通閥作用的情況下，變頻器能根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵負(fù)載變化相應(yīng)調(diào)整冷凍水泵電機(jī)和冷卻水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足中央空調(diào)系統(tǒng)正常工作而達(dá)到節(jié)能目的。水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)從電網(wǎng)吸收的電能就會(huì)大大減少。

    減少的功耗△P=PO(1—(Nl／N0)^3)；減少的流量△Q＝Q0(1－(N1／N0))    

-------N1為改變后的轉(zhuǎn)速，N0為電機(jī)原轉(zhuǎn)速，P0為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下的電機(jī)軸功率消耗，Q0為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的水泵流量。

    由上式可以看出流量Q與轉(zhuǎn)速N一次方成正比，功耗P與轉(zhuǎn)速N三次方成正比。假設(shè)原流量為100個(gè)單位，耗能也為100個(gè)單位，如果轉(zhuǎn)速降低10個(gè)單位，由△Q＝Q0〔1-（N1/N0）〕＝100*〔1—（90／100）〕＝10可得出流量改變了10個(gè)單位，△P＝P0[1－（Nl／N0）^3]＝100×(1—(90／100)^3)＝27．1，可以得出，功率將減少27．1個(gè)單位，即流量減少10%能耗減少了27．1％。 

    當(dāng)用蝶閥的開(kāi)度來(lái)控制冷凍、冷卻水流量大小時(shí)，蝶閥阻管與功率P變化（如圖3所示）由曲線1到曲線2，流量減小，但功率卻沒(méi)有減小多少。若通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速（如圖4所示），H-Q曲線由曲線1到曲線2，蝶閥開(kāi)度100%時(shí)，蝶閥阻力為零，管道阻不變，功率省很多。

圖3 阻管與功率P變化曲線圖       圖4 不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的阻管與功率P變化曲線圖           

系統(tǒng)改造方式如下：

西樓和東樓冷凍冷卻泵控制圖分別如圖5和圖6所示：

圖5  東樓冷凍冷卻泵控制原理圖

圖6  西樓冷凍冷卻泵控制原理圖

（3）冷卻塔風(fēng)機(jī)

    控制方式：控制送水/回水溫差為恒值為目標(biāo)，調(diào)整冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量；外界氣溫的變化或者使用場(chǎng)合熱交換量的變化，大部分時(shí)間并不要求冷卻塔風(fēng)機(jī)和全速運(yùn)轉(zhuǎn)，由于

n=60f(1-s)/p;-----p：電機(jī)極數(shù)

    根據(jù)流體力學(xué)知：風(fēng)壓H 正比于轉(zhuǎn)速n²;所消耗的功率P等于風(fēng)量Q與風(fēng)壓H之積（即輸出功率P正比于轉(zhuǎn)速n³），即Q=K1n;H=K2n2;P=Q*H=K1K2n3

風(fēng)量減小20℅，即轉(zhuǎn)速降低20℅，節(jié)省功率ΔP=K[n3-(0.8n)3]=0.438 K1K2n

風(fēng)量減小50℅，即轉(zhuǎn)速降低50℅，節(jié)省功率ΔP=K[n3-(0.5n)3]=0.875 K1K2n

    可見(jiàn)，大部分情況冷卻塔風(fēng)機(jī)處于做無(wú)用功狀態(tài)，并且浪費(fèi)的能量較大。因而，在保證系統(tǒng)正常散熱風(fēng)量的前提下調(diào)速，即使扣除實(shí)際上由于轉(zhuǎn)速下降可能引起的電機(jī)和風(fēng)機(jī)效率降低這一因素，采用變頻器調(diào)速，風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果還是非常顯著的。

改造方式如圖7所示：

圖7  冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造圖

 

控制結(jié)果：大幅降低能耗；無(wú)啟動(dòng)電流沖擊。

（4）風(fēng)機(jī)盤管冷/熱量交換控制

    在中央空調(diào)系統(tǒng)中，各種用房冷暖設(shè)備除新風(fēng)機(jī)組和空調(diào)機(jī)組外，還大量使用風(fēng)機(jī)盤管。它只有盤管、三速風(fēng)機(jī)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，感溫組件、控制器等組成。一般三速風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)，感溫組件、控制器等制成一個(gè)整件設(shè)備，目前，市場(chǎng)上有兩種，一種是盤管控制器為DDC控制，并具備與主機(jī)通訊功能。這種控制器可通過(guò)計(jì)算原則中心控制，西樓使用這種方式。另一種是不具備通訊功能的盤管控制器，可以按照水系統(tǒng)的連接情況的將風(fēng)機(jī)盤管分為若干組，每組的支路入口處安裝流量計(jì)、供回水壓差變送器及供回水溫度傳感器。從而可計(jì)算出風(fēng)機(jī)盤管水閥的開(kāi)度，并給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥一個(gè)指令，從而將電動(dòng)閥調(diào)節(jié)至相應(yīng)的開(kāi)啟度，使盤管中流過(guò)所需要的水流量，東樓使用這種方式。為解決面臨的問(wèn)題，可以通過(guò)對(duì)采樣到的回風(fēng)溫度及其二氧化碳焓量控制調(diào)整加熱盤管及表冷盤管二通電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和送風(fēng)風(fēng)量（風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速），實(shí)現(xiàn)對(duì)送風(fēng)溫度（設(shè)定點(diǎn)可調(diào)整）的控制。方式如圖8所示：

圖8  風(fēng)機(jī)盤管冷/熱量交換控制改造圖

 

    另外，要提供一個(gè)舒適的環(huán)境，除控制室溫外，還需對(duì)室外溫/濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)室環(huán)境溫/濕度檢測(cè)，實(shí)時(shí)調(diào)整空調(diào)機(jī)和新風(fēng)機(jī)的新風(fēng)量，進(jìn)行過(guò)渡季節(jié)的全新風(fēng)和空調(diào)季節(jié)的小新風(fēng)控制。根據(jù)監(jiān)測(cè)環(huán)境的CO2濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)的新/回風(fēng)混合比，提供長(zhǎng)期舒適的活動(dòng)環(huán)境，同時(shí)可達(dá)到節(jié)能效果。

（5）供水

    以設(shè)定供水壓力為目標(biāo)，根據(jù)實(shí)際用水量，利用VFD-F的自動(dòng)加減泵功能和調(diào)頻功能，合理利用能量，維持供水壓力的恒定，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊啟動(dòng)和避免水錘效應(yīng)。

其改造圖如圖9所示：

圖9  供水系統(tǒng)改造圖

    本文基于客戶設(shè)備的實(shí)際特點(diǎn)，利用變頻技術(shù)和PLC的強(qiáng)大的邏輯控制功能及通訊功能，為客戶提供了一套完整的控制系統(tǒng)改造方案，使中央空調(diào)系統(tǒng)能更合理利用能量，避免了能量的不必要浪費(fèi)。運(yùn)行實(shí)踐表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安全可靠，性價(jià)比高，值得業(yè)界同行借鑒和推廣。

 

[1] 可編程序控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù). 郭宗仁等.  人民郵電出版社，2002

[2] 變頻器在工業(yè)中的選擇與應(yīng)用 劉繼黨等 科技信息    2009年第23期

[3] 變頻器應(yīng)用中的干擾及其抑制 翟章志   中國(guó)科技博覽2009年 第02期

 

作者簡(jiǎn)介

吳木榮，男，中達(dá)電通機(jī)電事業(yè)部華南大區(qū)自動(dòng)化主任工程師，在印刷、機(jī)床、紡織、暖通等領(lǐng)域具有豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)從事臺(tái)達(dá)自動(dòng)化產(chǎn)品技術(shù)整合應(yīng)用與研究，是資深技術(shù)專家。