張 濤， 張 麗， 尚 希

(1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽卷煙廠，河南南陽 473000;

2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南南陽 473000;

3.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院光電工程系，河南南陽 473000)

0 引言

隨著科技的發(fā)展以及人民生活水平的提高，中央空調(diào)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用建筑中。據(jù)統(tǒng)計，中央空調(diào)的用電量占各類大型建筑總用電量的30%～60%以上，電能的消耗非常大。傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計是以當(dāng)?shù)貧庀筚Y料的極端條件，即以其最大冷(熱)負(fù)荷的1.1～1.5倍去確定空調(diào)負(fù)荷，但我國大多數(shù)的中央空調(diào)，全年之中有70%以上的時間都運行在設(shè)計負(fù)荷的50%以下，無論季節(jié)、晝夜和用戶負(fù)荷怎樣變化，各電機都長期固定在工頻狀態(tài)下全速運行，對水流量的控制方案多是通過擋板和閥門來調(diào)節(jié)的，導(dǎo)致電能的嚴(yán)重浪費，也惡化了中央空調(diào)的運行環(huán)境和運行質(zhì)量。世界正在提倡節(jié)能減排，因而中央空調(diào)的節(jié)能改造便成必然。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，中央空調(diào)一般由制冷壓縮機組、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機盤管系統(tǒng)、風(fēng)機和冷卻塔系統(tǒng)等組成。作為中央空調(diào)的制冷源，制冷壓縮機組將制冷劑壓縮成液態(tài)后送入蒸發(fā)器中變?yōu)榈蜏乩鋬鏊?稱為冷凍水出水)，在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，通過盤管風(fēng)機吹送到各個房間，吸收房間內(nèi)的熱量，使房間內(nèi)的溫度降低，然后流回制冷機組(該水稱為冷凍水回水)。冷卻循環(huán)水系統(tǒng)將常溫水通過冷卻水泵壓入冷凝器熱交換盤管后，帶走冷凍主機所產(chǎn)生的熱量，使冷凍主機降溫，再將已變熱的冷卻水(稱為冷卻水出水)送到冷卻塔上，由冷卻塔對其進(jìn)行自然冷卻或通過冷卻塔風(fēng)機對其進(jìn)行噴淋式強迫風(fēng)冷，與大氣之間進(jìn)行充分熱交換，使冷卻水變回常溫(稱為冷卻水回水)，以便再循環(huán)使用。

圖1 中央空調(diào)結(jié)構(gòu)原理圖

2 中央空調(diào)的變頻節(jié)能控制原理

風(fēng)機水泵類負(fù)載:其電機轉(zhuǎn)速n、流量Q、揚程H及軸功率P的關(guān)系如下:

式中:n1，n2——電機轉(zhuǎn)速;

Q1，Q2——流量;

H1，H2——揚程;

P1，P2——軸功率。

即流量、揚程、軸功率正比于轉(zhuǎn)速的一次方、平方、立方。根據(jù)式(1)分析，如果能根據(jù)負(fù)載情況實時改變電機的轉(zhuǎn)速即可達(dá)到節(jié)能的目的。例如:電機功率為15 kW，當(dāng)轉(zhuǎn)速降到70%時，流量減少到70%，而軸功率卻下降到額定功率的(70%)3≈34.3% ，即耗電功率為 5.1 kW，節(jié)電65.7%，從而大大節(jié)約電能。顯然當(dāng)通過降低轉(zhuǎn)速以減少流量來達(dá)到節(jié)流目的時，所消耗的功率將降低很多。

根據(jù)異步電機原理:

式中:f——電源頻率;

p——極對數(shù);

s——轉(zhuǎn)差率。

由式(2)可見，可以通過改變電源頻率、電機磁極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率三種方式實現(xiàn)調(diào)速，但變頻調(diào)速因為調(diào)速范圍大、靜態(tài)穩(wěn)定性好、運行效率高、易控制成為首選。因此，通過頻率改變使風(fēng)機、水泵的轉(zhuǎn)速、消耗的功率迅速下降，達(dá)到節(jié)能目的。

3 中央空調(diào)的控制系統(tǒng)改造設(shè)計

中央空調(diào)控制系統(tǒng)的改造，主要是對冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻風(fēng)機進(jìn)行變頻改造控制。下面以某公司中央空調(diào)控制系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計。

已知該系統(tǒng)配備型號為三氧溴化鋰的100 kW制冷壓縮主機2臺，平時1備1用，高峰時2臺并聯(lián)運行;揚程28 m、45 kW的冷凍水泵3臺，1備2用;15 kW的冷卻水泵3臺，1備2用;5.5 kW冷卻塔電機5臺，1備4用，每2臺并聯(lián)運行。當(dāng)其中一臺水泵或電機出現(xiàn)故障時，備用設(shè)備會自動投入工作。

3.1 改造方案

對水流量的傳統(tǒng)控制方案是通過擋板和閥門來調(diào)節(jié)的，許多電能被白白浪費在擋板和閥門上。本設(shè)計對水循環(huán)系統(tǒng)不再采用定流量法，而是采用PLC和變頻控制相結(jié)合實施變流量溫差法控制。如圖2所示為改造后的控制系統(tǒng)框圖，由PLC、變頻器、主接觸器、水泵機組及溫度檢測裝置組成。分別在主機蒸發(fā)器回水處、冷凝器出水及回水處安裝溫度傳感器，實時檢測管網(wǎng)的溫度并反饋給PLC，通過變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)各循環(huán)水的熱交換速度，最終實現(xiàn)對室內(nèi)恒溫的控制。

PLC主機通過接觸器與變頻器的繼電器和接觸器進(jìn)行邏輯切換來實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動控制。PLC用I/O擴展板接口分別接入A/D和D/A模塊，A/D模塊通過傳感器將溫度和壓力模擬量送入PLC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，PLC的輸入信號有機組選擇信號、運行方式選擇信號、冷卻塔和主機開/關(guān)信號、冷凍泵和冷卻泵的起/停信號等。輸入信號經(jīng)程序運算，發(fā)出相應(yīng)的動作信號，經(jīng)微型繼電器及相應(yīng)的常閉、常開觸頭分別控制變頻器及中央空調(diào)系統(tǒng)的運行，以及聲、光報警器件的動作。PLC的D/A模塊將PLC輸出的開關(guān)量轉(zhuǎn)換為模擬量，以控制變頻器升速過程及降速過程，從而實現(xiàn)對水泵及風(fēng)機的速度控制。PLC控制3臺變頻器，分別實現(xiàn)1拖3(2用1備)或1拖5(4用1備)控制。

控制系統(tǒng)的基本操作功能設(shè)置為手動和自動兩種選擇，手動功能主要是對設(shè)備單機試運轉(zhuǎn)和維護(hù)保養(yǎng)時所選用，而自動功能是由車間內(nèi)的各組空調(diào)處理機組或新風(fēng)機組的起停來控制泵組工作的。在手動或自動的起停操作時，注意各設(shè)備的程序聯(lián)動。起動時的順序為冷卻塔風(fēng)機—冷卻水泵—冷凍水泵—冷水機組;停止為冷水機組—冷凍水泵—冷卻水泵—冷卻塔風(fēng)機，以確保各組設(shè)備保持正常的操作狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

3.2 控制設(shè)計

冷凍水的回水溫度和出水溫度之差表明了冷凍水從房間帶走的熱量和循環(huán)水的流動速度，所以一般把溫差作為控制依據(jù)［4］。溫差控制法就是通過控制溫差不變，使流量隨空調(diào)負(fù)荷變化而變化。為使冷凍水系統(tǒng)處于最佳節(jié)能狀態(tài)，一般設(shè)計冷凍水出水溫度保持在7℃(一般基本不變)，回水溫度保持在12℃，即回水出水的溫差設(shè)定為5℃。PLC主機首先控制冷凍水出水和回水閥門，延時5 s起動冷凍水循環(huán)泵，由變頻器控制一臺冷凍水泵變頻運行。PLC會自動檢測冷凍水出水和回水傳感器的狀態(tài)，通過A/D轉(zhuǎn)換實時讀取實際回水溫度與實際出水溫度。冷凍水系統(tǒng)的PLC控制溫度原理如圖3所示。

圖3 PLC控制溫度原理圖

變頻器頻率由模擬量D/A模塊輸出電流信號控制。實際回水溫度減去實際出水溫度，PLC把獲得的實際溫差作為反饋信號，與設(shè)定溫差做比較進(jìn)行PID控制。當(dāng)實際溫差大于設(shè)定溫差時，表明實際供冷量不足以滿足空調(diào)房間需要，需要增加冷量，PLC通過指令使D/A模塊輸出電流增加，控制變頻器提高輸出頻率，從而提高冷凍泵轉(zhuǎn)速以使實際供冷量增加，則實際溫差會逐漸減小直至接近設(shè)定溫差。當(dāng)1號泵已達(dá)到額定功率時，如果還達(dá)不到要求則可起動2號泵變頻運行。這樣不斷調(diào)整控制，可使其達(dá)到最佳效果。同理，當(dāng)實際溫差小于設(shè)定溫差時，表明實際供冷量有富余，超過了空調(diào)房間的需要，須減小冷量，PLC通過指令控制D/A模塊輸出電流減小，控制變頻器降低輸出頻率，從而降低冷凍泵轉(zhuǎn)速以使實際供冷量減小，則實際溫差會逐漸增大直至接近設(shè)定溫差。當(dāng)2號泵頻率降低至下限頻率仍達(dá)不到要求，則令2號泵停機，1號泵仍處于變頻運行的狀態(tài)。

為了確保最高樓層的冷凍水具有足夠的壓力，常在空調(diào)房間末端，即冷凍水回水管上接壓力傳感器，如果回水壓力低于規(guī)定值，則PLC控制電機的轉(zhuǎn)速不再下降。

要保證制冷壓縮機正常工作，就必須保證冷卻循環(huán)水系統(tǒng)正常工作。一般冷卻水出水溫度保持在37℃，冷凍水回水溫度保持在32～28℃，出水回水的溫差設(shè)定為5～7℃。當(dāng)回水溫度高于32℃時，溫差設(shè)定為5℃，而回水溫度低于28℃時，溫差設(shè)定為7℃。和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)控制一樣，當(dāng)冷卻水系統(tǒng)實際溫差小于設(shè)定溫差時，表明主機產(chǎn)生熱量少，可以控制變頻器減小輸出頻率，從而降低冷卻泵轉(zhuǎn)速，減緩冷卻水的循環(huán);當(dāng)實際溫差大于設(shè)定溫差時，則表明主機產(chǎn)生熱量多，PLC控制變頻器提高輸出頻率，從而提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速。冷卻塔系統(tǒng)控制和冷卻水系統(tǒng)控制也是根據(jù)溫差變化實時改變冷卻塔風(fēng)機的頻率實現(xiàn)溫度控制的。

3.3 變頻器主要參數(shù)設(shè)置

變頻器主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 變頻器主要參數(shù)設(shè)置

4 變頻調(diào)速后的節(jié)能分析

設(shè)該空調(diào)系統(tǒng)夏天運行5個月，150 d，每天20 h。以水循環(huán)系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)控制下的耗電量為

若采用變頻控制，中央空調(diào)開機后在較短的時間內(nèi)，各空調(diào)區(qū)域達(dá)到設(shè)定的溫度后，所需的冷負(fù)荷相應(yīng)減少，此時變頻系統(tǒng)的各變頻器開始發(fā)生作用，使送出的冷負(fù)荷跟所消耗的冷負(fù)荷相匹配?？照{(diào)區(qū)域達(dá)到設(shè)定溫度之后其他時間以不超過70%的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，假設(shè)冷凍泵和冷卻泵各1臺處于變頻運行。根據(jù)上述使用情況，則耗電為

(15+45)kW×20 h×150 d+(15+45)kW×20 h×150 d×(0.7)3=240 740 kW·h

兩相比較，采用變頻系統(tǒng)后每年可節(jié)電119 260 kW·h，平均節(jié)能約33%，節(jié)能效果十分顯著，一般改造后投入運行1～2年即可收回成本。

據(jù)統(tǒng)計，一臺中央空調(diào)從安裝到淘汰，其初安裝費占總成本的10%，運行費用和維修費占了近90%。中央空調(diào)節(jié)能改造費用僅占安裝費的10%，即占全部費用的1%，而這1%卻對90%產(chǎn)生了不可估量的作用。近年來由于電價的不斷上漲，使得中央空調(diào)系統(tǒng)運行費用急劇上升，所以中央空調(diào)的節(jié)能改造潛力巨大。

5 結(jié)語

本文基于PLC和變頻控制原理，對中央空調(diào)控制系統(tǒng)實施改造，使整個中央空調(diào)系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)，對于提升中央空調(diào)自動化水平、降低能耗、減少對電網(wǎng)的沖擊、延長機械及管網(wǎng)的使用壽命，減小國家的電力投資等都具有重要的意義，具有較好的實用價值和發(fā)展前景，值得進(jìn)一步研究和完善。

［1］胡雪梅，張新春.基于變頻技術(shù)的空氣壓縮機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與能效分析［J］.電氣應(yīng)用，2011(8):70-73.

［2］潘多.PLC控制中央空調(diào)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計［J］.農(nóng)業(yè)科技與裝備，2010(2):37-39.

［3］胡雪梅，任艷艷.中央空調(diào)的變頻控制設(shè)計及節(jié)能分析［J］.電機與控制應(yīng)用，2011(7):44-47.

［4］李良仁.變頻調(diào)速技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［5］梁志國.基于PLC的中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報，2009(12):38-41.

［6］胡雪梅，韓全立，宣峰，等.通用變頻器功能參數(shù)的設(shè)置［J］.機床與液壓，2010(4):34-37.

［7］王廷才，胡雪梅.變頻器原理及應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.