鄒恩 霍慶 黃水鴻 王建國 張增根

(1．華南農(nóng)業(yè)大學 珠江學院，廣州 510642;2．華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州 510642;3．廣州科創(chuàng)節(jié)能科技服務(wù)有限公司，廣州 510000)

目前中央空調(diào)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各種大型工業(yè)廠房和公共建筑中，一般情況下，耗能約占建筑總能耗的55%［1］。由于中央空調(diào)系統(tǒng)成本高、使用壽命長，故障維護成本低，除新建筑外，目前大多中央空調(diào)還是老式控制系統(tǒng)。中央空調(diào)是高耗能設(shè)備，老式中央空調(diào)采用手動操作模式，無論季節(jié)和用戶負荷怎樣變化，各類電機都長期運行在工頻狀態(tài)下，多臺主機不能根據(jù)實際負荷量自動調(diào)節(jié)啟停，導致電能浪費嚴重并產(chǎn)生噪聲污染［2－3］。因此，對老式中央空調(diào)的群控系統(tǒng)做智能節(jié)能改造，對節(jié)能減排具有重要意義。

本文以中國人民銀行某支行老式中央空調(diào)智能化節(jié)能改造為工程案例，設(shè)計了一套集智能管理和節(jié)能一體的中央空調(diào)群控系統(tǒng)，將變頻變壓技術(shù)嵌入到控制系統(tǒng)中，改造后的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在觸摸屏上一鍵開啟風機、水泵和主機，調(diào)整冷卻泵和冷凍泵的轉(zhuǎn)速，并根據(jù)實際負荷自動啟停主機數(shù)量以滿足負荷要求。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試和實際運行分析，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，輸出參數(shù)滿足要求，實現(xiàn)了較理想的節(jié)能效益。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能原理

考慮到實際工程項目需求，中央空調(diào)系統(tǒng)變頻主要指對冷卻泵和冷凍泵實現(xiàn)變頻調(diào)速控制，達到空調(diào)系統(tǒng)負荷與實際負荷相匹配。因為變頻調(diào)速范圍寬、靜態(tài)穩(wěn)定性好、運行頻率高而普遍成為控制電機的最佳方式［4－5］。系統(tǒng)基頻以下調(diào)速采用恒壓頻比 (恒磁通)控制方式，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，風機水泵類負載的調(diào)速方式一般采用這種。

風機水泵類電機轉(zhuǎn)速n、流量Q、揚程H及軸功率P的關(guān)系為:

式 (2)中:n1，n2為電機轉(zhuǎn)速;Q1，Q2為流量;H1，H2為揚程;P1，P2為軸功率。

由式 (2)可知，軸功率正比于轉(zhuǎn)速的立方。因此，如果能夠根據(jù)負載情況實時改變電機的轉(zhuǎn)速就能達到節(jié)能目的［6］。本工程案例采用易能變頻器，經(jīng)現(xiàn)場測試冷凍泵頻率與電流、電壓、轉(zhuǎn)速性能關(guān)系如表1所示。

表1 冷凍泵頻率與電流、電壓、轉(zhuǎn)速關(guān)系

從表中可見，冷凍泵的轉(zhuǎn)速從1 440降到1 123 rad/min，頻率剛好從工頻50 Hz降到基準頻率39 Hz;轉(zhuǎn)速降到原來的78%，而軸功率下降到額定功率的 (0.78)3=0.475，即消耗電功率為7.11 kW，節(jié)電52.6%;理論計算當空調(diào)系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)運行時，可以實現(xiàn)節(jié)能目的。

2 中央空調(diào)控制系統(tǒng)改造設(shè)計

由于中央空調(diào)能耗主要來自于冷凍水泵、冷卻水泵和各類風機，原始系統(tǒng)工作頻率不會根據(jù)負荷變化而調(diào)節(jié)，造成了能源的浪費，另外設(shè)備陳舊容易造成安全事故且噪音大影響工作人員上班。該工程主要針對冷凍水泵和冷卻水泵進行變頻改造，在冷卻水和冷凍水回路中加入PT100熱電阻溫度傳感器，原來手動的閥門更換成智能電動閥。

該中央空調(diào)型號為RCU120SY2，功率為86.6 kW，日立制冷主機2臺，全年2臺并聯(lián)運行;18 kW的冷卻水泵3臺，2用1備;15kW的冷凍水泵3臺，2用1備;5.5 kW冷卻塔2臺，全年2臺并聯(lián)運行。若其中一臺水泵或者三相異步電機出現(xiàn)問題時，備用設(shè)備自動投入使用，工作期間每臺水泵按一定頻率交替使用，保證各電機使用時間一致。系統(tǒng)改造總設(shè)計圖如圖1所示。

2.1 改造方案

原有系統(tǒng)的設(shè)備是1993年生產(chǎn)，設(shè)備老化嚴重且發(fā)出較大噪音，改造要求為:1)建立統(tǒng)一監(jiān)控平臺管理空調(diào)系統(tǒng);2)節(jié)能率不低于30%;3)新系統(tǒng)與原系統(tǒng)可自由切換。技術(shù)改造思路為:系統(tǒng)具有單控和群控兩種功能，單控采用原有設(shè)備，群控為改造后的設(shè)備。兩套設(shè)備互不干擾，如果某控制柜設(shè)備出現(xiàn)問題，馬上切換到另外一臺控制柜，保證整套中央空調(diào)系統(tǒng)能夠正常運行。在原系統(tǒng)適當位置增加溫度傳感器和智能電動閥，把機械按鈕改為觸摸式屏幕，能夠?qū)崟r采集冷卻泵管和冷凍泵管的溫度，通過PLC控制器發(fā)出信號完成電動閥的開和關(guān)，并根據(jù)季節(jié)的變化，能夠自動人性化調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。由于溫度傳感器采集的是負荷末端的溫度，通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率，改變冷卻泵和冷凍泵的轉(zhuǎn)速從而改變水流量實現(xiàn)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)和用電量的減少，避免室內(nèi)人員有過冷或者過熱的感覺，進而可推算出下述節(jié)能分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)中央空調(diào)的節(jié)電效應(yīng)。

2.2 控制策略

如圖2所示為改造后的中央空調(diào)系統(tǒng)控制圖，由CPU226、觸摸屏、變頻器、EM231溫度采集模塊、水泵機組、電動閥組、接觸器、中間繼電器、保險絲和鉑熱電阻等組成。主機冷卻進回水處和冷凍進回水處各放置2個溫度傳感器，兩臺主機總共放置8個溫度傳感器，用于實時監(jiān)測并且顯示到觸摸屏上。CPU226通過接收溫度采集模塊的信號，主要采集冷卻水出水溫度和冷凍水回水溫度，這兩處代表負荷實際情況，與變頻器進行RS485通訊，調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整各管道水循環(huán)熱交換的速度，最終穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的溫度值上。

圖1 系統(tǒng)改造總設(shè)計圖

圖2 中央空調(diào)系統(tǒng)控制圖

CPU226通過接觸器對冷凍泵進行邏輯切換，冷凍變頻一和冷凍變頻二都可以控制兩臺變頻器，其中水泵2是被公共控制。首日冷凍變頻一控制冷凍水泵1和冷凍水泵2，次日由冷凍變頻二控制冷凍水泵2和冷凍水泵3，后日由冷凍變頻一控制冷凍水泵1和冷凍變頻二控制冷凍水泵3，保證2用1備而且變頻器的使用頻率均勻。當室內(nèi)負荷較少或者在非炎熱季節(jié)，CPU發(fā)出信號使中間繼電器閉合，2號主機的冷卻回水電動閥和冷凍回水電動閥關(guān)閉，主機也隨之關(guān)閉。此時一臺主機運行完全滿足負荷要求，節(jié)省電能。另外控制系統(tǒng)設(shè)計一鍵按鈕，利用中間繼電器將冷卻風機、冷卻水泵、冷凍水泵、冷水機組的按鈕連接，可以一鍵啟動和關(guān)閉，避免之前逐個逐個開啟設(shè)備浪費人力的局面。

冷卻水的出水溫度表明主機熱交換的情況，冷凍水的回水溫度表明房間帶走熱量的情況。一般把該處溫度作為控制依據(jù)．經(jīng)實地工程整定，設(shè)定冷卻水出水溫度為37℃和冷凍水回水溫度為15℃［7］，系統(tǒng)剛啟動時，冷卻變頻進入工頻50 Hz運行25 min，然后以40 Hz過渡運行1 min后，進入PID自動調(diào)節(jié);冷凍變頻直接進入PID自動調(diào)節(jié)，設(shè)定比例參數(shù)P=1，積分參數(shù)I=5，微分參數(shù)D=0。系統(tǒng)通過溫度傳感器、PLC、變頻器組成閉環(huán)控制，實時監(jiān)測并調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度使其達到最佳。同時為保證系統(tǒng)正常運行，設(shè)定冷卻水泵電機基準頻率35 Hz，冷凍水泵電機基準頻率39 Hz，冷卻出水報警溫度39.5℃。整套系統(tǒng)開啟半小時后達到穩(wěn)定狀態(tài)，冷卻水泵和冷凍水泵以36 Hz和39 Hz穩(wěn)定運行，實現(xiàn)變頻工作。

3 系統(tǒng)節(jié)能效果分析

系統(tǒng)冷卻泵和冷凍泵電機采用2用1備的模式，冷卻泵的三相異步電機功率18 kW，冷凍泵的異步電機功率15 kW。經(jīng)過實地考察，該中央空調(diào)日運行的功率時間特性見表2和3所示．

基于該銀行建筑物有蓄熱，應(yīng)提前半小時開機，同理提前半小時關(guān)機，此時間使用量經(jīng)實地考察和PLC控制策略大概計算得到。考慮到季節(jié)性變化對時間使用量影響較大，以8月份實際運行情況為例，正常上班時間為8:30～11:30，14:30～17:30，總共6 h，在原來工頻運行下，用電量Q原=(15+18*2*6=396 kW*h。

1)根據(jù)表2，可計算一臺冷卻泵節(jié)能改造后一天的用電量:

Q冷卻泵=1.5*18+0.8*13.12+0.8*9.22+0.4*7.91+2.5*6.72=64.84 kW*h

2)根據(jù)表3，可計算一臺冷凍泵節(jié)能改造后一天的用電量:

Q冷凍泵=1.5*15+1.3*10.94+0.7*7.68+2.5*7.12=59.88 kW*h

3)變頻運行后總耗電量為:

Q總=2* (Q冷卻泵+Q冷凍泵)=249.44 kW*h

4)日平均節(jié)電量為:

Q節(jié)電量=Q原－Q總=(15+18)*2*6－230.56=146.56 kW*h

5)日平均節(jié)電率為:

B=Q節(jié)電量/Q原*100%=37.01%

假如中央空調(diào)年實際制冷使用天數(shù) (廣東地區(qū)制冷周期為6個月)，按工作日5天計算，總數(shù)約為120天，則年節(jié)電量為146.56*120=17 587.2 kW*h，當?shù)毓I(yè)用電為0.86元/每千瓦時，那么年節(jié)約用電為17 587.2元。

表2 冷卻泵功率－時間關(guān)系

4 結(jié)語

本文針對一套老式中央空調(diào)群控系統(tǒng)進行智能節(jié)能系統(tǒng)，采用溫度傳感器采集實時溫度，PLC自動調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速和切換運行水泵數(shù)目，另外系統(tǒng)具有一鍵式觸摸按鈕以及良好的人機交互界面。改造后，系統(tǒng)能根據(jù)季節(jié)變化，自動改變冷卻泵和冷凍泵的轉(zhuǎn)速從而改變水流量實現(xiàn)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)和用電量的減少，并降低了噪音污染。目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，半年多的運行結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、節(jié)能效益良好。

［1］徐鳳平．中央空調(diào)水系統(tǒng)變頻節(jié)能改造分析與實踐［J］．自動化與儀表，2011(9):54－56．

［2］聶玉強，李安桂．中央空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能技術(shù)分析與應(yīng)用［J］．重慶建筑大學學報，2007，29(1):85－88．

［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］吳德勝．中央空調(diào)水系統(tǒng)及風機盤管的節(jié)能控制研究［［D］．湖南:湖南大學，2007．

［5］盧颯．變頻節(jié)能供水設(shè)備的計算機輔助測試系統(tǒng)［J］．自動化與儀表，2002(5):43－46．

［6］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．

［7］羅及紅．基于PID算法的爐窯溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．計算機測量與控制:2012，20(12):3243－3245．