中央空調(diào)降低能耗改造技術(shù)

鐘海賓

摘 要：隨著節(jié)能環(huán)保理念的不斷深入人心，改造能耗較大的中央空調(diào)勢(shì)在必行。從中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)用和降低能耗原理出發(fā)，結(jié)合實(shí)例，探討了PLC變頻系統(tǒng)在降低中央空調(diào)能耗中的運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；系統(tǒng)改造；變頻調(diào)速系統(tǒng)；PLC系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.125

隨著工業(yè)化和城市化的迅猛發(fā)展，中央空調(diào)已經(jīng)成為現(xiàn)代工廠企業(yè)、辦公大樓、商廈、酒店等建筑的常用基礎(chǔ)設(shè)備，在高層建筑中更是必不可少。但由于中央空調(diào)的耗能大，與節(jié)能減排的環(huán)保主題相悖，所以對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行節(jié)能改造勢(shì)在必行。而運(yùn)用PLC系統(tǒng)不僅能夠大幅度節(jié)約電能，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，而且能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)運(yùn)行可靠、維修方便。所以，PLC系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用于中央空調(diào)節(jié)能改造中。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行和降低能耗原理

1.1 中央空調(diào)系統(tǒng)概述

空調(diào)系統(tǒng)主要由空調(diào)機(jī)組、水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)、末端系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)組成。制冷機(jī)通過壓縮機(jī)將制冷劑壓縮成高溫、高壓的氣體后送到冷凝器中與冷卻水進(jìn)行熱交換，冷卻水被加熱，水泵將高溫水送到散熱系統(tǒng)中，由散熱系統(tǒng)對(duì)其降溫，并與外界環(huán)境換熱，將熱量釋放到環(huán)境中去。制冷劑經(jīng)冷凝器被冷凝成液態(tài)，通過節(jié)流閥節(jié)流降壓后，在蒸發(fā)器中與冷凍水換熱，冷凍水被降溫，水泵將冷水送到各空調(diào)末端，為用戶供冷。制冷劑蒸發(fā)成氣態(tài)后被吸入壓縮機(jī)，完成一個(gè)循環(huán)。

1.2 空調(diào)水系統(tǒng)變水量調(diào)節(jié)原理

空調(diào)水系統(tǒng)變水量調(diào)節(jié)的原理可以用能量守恒定理表述為：

q=C·Q·Δt. （1）

式（1）中：q為系統(tǒng)冷負(fù)荷；C為水的比熱容；Q為冷水流量；Δt為送、回水溫差，一般取5 ℃。

由公式（1）中可以看出，在空調(diào)水系統(tǒng)中，可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷來調(diào)整水流量或供、回水溫差。在設(shè)計(jì)水系統(tǒng)時(shí)，q、C、Δt為確定值，所以，水流量Q也被確定，水系統(tǒng)就是按這些值進(jìn)行設(shè)備選型。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，q成為一個(gè)獨(dú)立參數(shù)，與室外氣象條件和室內(nèi)熱源等許多因素有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷q發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的水流量Q或溫差Δt必然發(fā)生變化。如果改變供、回水溫度差Δt，維持流量Q不發(fā)生變化，則形成定流量系統(tǒng)；如果維持供、回水溫度差Δt不發(fā)生變化，而變動(dòng)水流量Q，則成為變流量系統(tǒng)。變流量系統(tǒng)合理，供、回水溫差恒定，水量與負(fù)荷呈線性相關(guān)關(guān)系時(shí)，可以考慮使用變頻水泵。

1.3 水泵變頻降低能耗原理

圖1是變頻調(diào)節(jié)和閥門調(diào)節(jié)兩種方式控制下的揚(yáng)程—流量（H—Q）關(guān)系。圖1中，曲線①為泵在轉(zhuǎn)速n1時(shí)的揚(yáng)程—流量曲線，曲線②為泵在轉(zhuǎn)速n2下的揚(yáng)程—流量曲線，曲線③為閥門正常時(shí)的管路特性曲線，曲線④為閥門調(diào)小時(shí)的管路特性曲線。

水泵的有效功率為：

Pe=ρgQH/1 000. （2）

式（2）中：Pe為泵的有效功率，kW；ρ為流體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Q為體積流量，m3/s；H為揚(yáng)程，m。

如果泵的標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)為A，此時(shí)流量為Q1、揚(yáng)程為H1，由公式（2）可知有效功率Pe1與Q1、H1的積（即OQ1AH1）成正比。當(dāng)流量從Q1變化到Q2時(shí)，如果采用閥門調(diào)節(jié)方式，管路特性從曲線③變化到曲線④，有效功Pe3可以用OQ2CH3表示；如果采用變頻調(diào)節(jié)，泵轉(zhuǎn)速由n1變化到n2，在水量為Q2的情況下，水泵揚(yáng)程降低到H2，有效功率Pe2可以用面積BH2OQ2表示。節(jié)省的能量ΔP（即面積CH3H2B）是十分明顯的。

2 中央空調(diào)降低能耗改造示例

2.1 某大樓原中央空調(diào)系統(tǒng)概況

某商貿(mào)大樓中央空調(diào)水泵為一次泵，該大樓泵電機(jī)常年定速工作，供回水溫差約為2.5 ℃，用繼電器控制。該空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備詳細(xì)信息如表1所示。

該大樓空調(diào)機(jī)組選型計(jì)算是按極端天氣、最差條件下設(shè)計(jì)的，有較大的寬裕，系統(tǒng)極少在這種極端條件下運(yùn)行，一年中只有幾天處于最大負(fù)荷。大樓原有的空調(diào)系統(tǒng)除了能耗大外，還存在一系列問題：①水流量過大，系統(tǒng)溫度差降低，換熱效率下降，惡化了空調(diào)機(jī)組的工作條件，造成額外的電能損耗；②水泵采用自耦變壓器啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流大，對(duì)供電系統(tǒng)帶來沖擊；③一般泵啟停不是軟啟停，在泵啟停時(shí)，會(huì)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，對(duì)管網(wǎng)、零件閥門、管道等造成破壞。

為使循環(huán)水流量與負(fù)荷波動(dòng)相配合，應(yīng)用變頻控制改造空調(diào)水系統(tǒng)，降低系統(tǒng)能耗。一方面，能夠控制水泵的轉(zhuǎn)速，使水量與負(fù)荷波動(dòng)相適應(yīng)，從而節(jié)約能源；另一方面，變頻器的啟動(dòng)方式是軟啟動(dòng)，電機(jī)在啟停時(shí)無沖擊電流，這樣能夠防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生，延長電機(jī)、零件閥門、管道等的使用壽命。

2.2 降低能耗改造措施

根據(jù)大廈原有的空調(diào)運(yùn)行情況，提出大樓空調(diào)水循環(huán)節(jié)能改造方法：①系統(tǒng)中冷凍泵功率為57 kW，冷卻泵功率為78 kW，相對(duì)于空調(diào)機(jī)組功率接近30%較大，所以要改造冷凍水和冷卻水系統(tǒng)，在保證其安全、穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，取得最顯著的節(jié)能效果。②冷凍水、冷卻水系統(tǒng)的控制都應(yīng)用定溫度差控制方案。溫差控制適用于泵的恒流量改造，將冷凍水、冷卻水溫度差控制在4.5～5 ℃，用溫度傳感器測(cè)量供、回水溫度，將結(jié)果通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)字量輸送至PLC計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來控制變頻器，從而控制水泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)水流量。如果供、回水溫差大，負(fù)荷較大，應(yīng)提高水泵頻率，增大循環(huán)水流量；相反，如果溫差小，說明負(fù)荷較小，應(yīng)降低水泵頻率，減小循環(huán)水流量。③系統(tǒng)所有水泵的轉(zhuǎn)速都采用變頻控制的方法。系統(tǒng)正常工作時(shí)，水泵在30～50 Hz之間變頻運(yùn)行；當(dāng)變頻控制系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，再啟動(dòng)原控制電路，使水泵定頻工作。在變頻狀態(tài)下，有兩種調(diào)頻方案，即自動(dòng)調(diào)頻和手動(dòng)調(diào)頻，調(diào)節(jié)變化量均為0.5 Hz。

2.3 降低能耗改造控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下面以冷凍水泵為例介紹節(jié)能改造控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。接觸器KM3為M1的旁通接觸器，當(dāng)KM3接通后，可啟用原水泵的控制電路，使水泵定頻工作，接觸器KM1為M1的變頻接觸器。2臺(tái)水泵的變頻接觸器通過PLC控制，旁路接觸器通過繼電器電路控制，變頻接觸器和旁路接觸器之間有電器互鎖。

控制部分通過兩個(gè)溫度傳感器（PT100）測(cè)量進(jìn)、出水溫度，測(cè)量結(jié)果通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，然后傳給PLC，由PLC計(jì)算數(shù)字量信息。計(jì)算結(jié)果通過調(diào)速D/A模塊再次轉(zhuǎn)換成模擬量（0～10 VDC）來調(diào)節(jié)變頻器的轉(zhuǎn)速。如果進(jìn)、出水溫差大，則要增大水泵轉(zhuǎn)速；如果溫差小，則調(diào)小水泵轉(zhuǎn)速，從而使溫差保持穩(wěn)定，達(dá)到節(jié)能的目的。

2.4 變頻調(diào)速系統(tǒng)降低能耗評(píng)價(jià)

離心泵的相似定律可表示如下：

. （3）

. （4）

. （5）

公式（3）（4）（5）中：Q為水泵流量；H為水泵揚(yáng)程；P為水泵功率；n為水泵轉(zhuǎn)速。

由上述公式可知，泵流量與頻率成正比，泵的揚(yáng)程與頻率的二次方成正比，水泵功率與頻率的三次方成正比。表2為水泵在不同頻率時(shí)流量、功率、節(jié)能率的百分比。

由表2可以看出，通過變頻調(diào)速后，節(jié)能效果是非常明顯的。因此，用變頻調(diào)速的方法來調(diào)節(jié)中央空調(diào)水系統(tǒng)流量是有必要的。

3 結(jié)束語

總之，雖然中央空調(diào)能夠調(diào)節(jié)建筑內(nèi)的局部氣溫，是當(dāng)下建筑不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)備，但其能耗較大，所以改造中央空調(diào)勢(shì)在必行。PLC系統(tǒng)憑借先進(jìn)性、可靠性、抗干擾能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性、靈活性等優(yōu)勢(shì)，在中央空調(diào)節(jié)能改造中發(fā)揮了巨大作用，并得到了認(rèn)可，相信PLC系統(tǒng)在空調(diào)節(jié)能方面的應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

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[2]韓俊青，王洪華.基于PLC控制的中央空調(diào)節(jié)能改造[J].中國教育技術(shù)裝備，2009（06）.

〔編輯：王霞〕