中央空调智能群控节能系统改造与设计

邹恩 霍庆 黄水鸿 王建国 张增根

(1．华南农业大学 珠江学院，广州 510642;2．华南农业大学 工程学院，广州 510642;3．广州科创节能科技服务有限公司，广州 510000)

目前中央空调已经被广泛应用到各种大型工业厂房和公共建筑中，一般情况下，耗能约占建筑总能耗的55%［1］。由于中央空调系统成本高、使用寿命长，故障维护成本低，除新建筑外，目前大多中央空调还是老式控制系统。中央空调是高耗能设备，老式中央空调采用手动操作模式，无论季节和用户负荷怎样变化，各类电机都长期运行在工频状态下，多台主机不能根据实际负荷量自动调节启停，导致电能浪费严重并产生噪声污染［2－3］。因此，对老式中央空调的群控系统做智能节能改造，对节能减排具有重要意义。

本文以中国人民银行某支行老式中央空调智能化节能改造为工程案例，设计了一套集智能管理和节能一体的中央空调群控系统，将变频变压技术嵌入到控制系统中，改造后的系统能够实现在触摸屏上一键开启风机、水泵和主机，调整冷却泵和冷冻泵的转速，并根据实际负荷自动启停主机数量以满足负荷要求。经过现场调试和实际运行分析，系统运行稳定，输出参数满足要求，实现了较理想的节能效益。

1 中央空调系统变频节能原理

考虑到实际工程项目需求，中央空调系统变频主要指对冷却泵和冷冻泵实现变频调速控制，达到空调系统负荷与实际负荷相匹配。因为变频调速范围宽、静态稳定性好、运行频率高而普遍成为控制电机的最佳方式［4－5］。系统基频以下调速采用恒压频比 (恒磁通)控制方式，属于恒转矩调速，风机水泵类负载的调速方式一般采用这种。

风机水泵类电机转速n、流量Q、扬程H及轴功率P的关系为:

式 (2)中:n1，n2为电机转速;Q1，Q2为流量;H1，H2为扬程;P1，P2为轴功率。

由式 (2)可知，轴功率正比于转速的立方。因此，如果能够根据负载情况实时改变电机的转速就能达到节能目的［6］。本工程案例采用易能变频器，经现场测试冷冻泵频率与电流、电压、转速性能关系如表1所示。

表1 冷冻泵频率与电流、电压、转速关系

从表中可见，冷冻泵的转速从1 440降到1 123 rad/min，频率刚好从工频50 Hz降到基准频率39 Hz;转速降到原来的78%，而轴功率下降到额定功率的 (0.78)3=0.475，即消耗电功率为7.11 kW，节电52.6%;理论计算当空调系统达到稳态运行时，可以实现节能目的。

2 中央空调控制系统改造设计

由于中央空调能耗主要来自于冷冻水泵、冷却水泵和各类风机，原始系统工作频率不会根据负荷变化而调节，造成了能源的浪费，另外设备陈旧容易造成安全事故且噪音大影响工作人员上班。该工程主要针对冷冻水泵和冷却水泵进行变频改造，在冷却水和冷冻水回路中加入PT100热电阻温度传感器，原来手动的阀门更换成智能电动阀。

该中央空调型号为RCU120SY2，功率为86.6 kW，日立制冷主机2台，全年2台并联运行;18 kW的冷却水泵3台，2用1备;15kW的冷冻水泵3台，2用1备;5.5 kW冷却塔2台，全年2台并联运行。若其中一台水泵或者三相异步电机出现问题时，备用设备自动投入使用，工作期间每台水泵按一定频率交替使用，保证各电机使用时间一致。系统改造总设计图如图1所示。

2.1 改造方案

原有系统的设备是1993年生产，设备老化严重且发出较大噪音，改造要求为:1)建立统一监控平台管理空调系统;2)节能率不低于30%;3)新系统与原系统可自由切换。技术改造思路为:系统具有单控和群控两种功能，单控采用原有设备，群控为改造后的设备。两套设备互不干扰，如果某控制柜设备出现问题，马上切换到另外一台控制柜，保证整套中央空调系统能够正常运行。在原系统适当位置增加温度传感器和智能电动阀，把机械按钮改为触摸式屏幕，能够实时采集冷却泵管和冷冻泵管的温度，通过PLC控制器发出信号完成电动阀的开和关，并根据季节的变化，能够自动人性化调节室内温度。由于温度传感器采集的是负荷末端的温度，通过调节变频器的频率，改变冷却泵和冷冻泵的转速从而改变水流量实现室内温度调节和用电量的减少，避免室内人员有过冷或者过热的感觉，进而可推算出下述节能分析数据，实现中央空调的节电效应。

2.2 控制策略

如图2所示为改造后的中央空调系统控制图，由CPU226、触摸屏、变频器、EM231温度采集模块、水泵机组、电动阀组、接触器、中间继电器、保险丝和铂热电阻等组成。主机冷却进回水处和冷冻进回水处各放置2个温度传感器，两台主机总共放置8个温度传感器，用于实时监测并且显示到触摸屏上。CPU226通过接收温度采集模块的信号，主要采集冷却水出水温度和冷冻水回水温度，这两处代表负荷实际情况，与变频器进行RS485通讯，调整水泵转速，从而调整各管道水循环热交换的速度，最终稳定在预设的温度值上。

图1 系统改造总设计图

图2 中央空调系统控制图

CPU226通过接触器对冷冻泵进行逻辑切换，冷冻变频一和冷冻变频二都可以控制两台变频器，其中水泵2是被公共控制。首日冷冻变频一控制冷冻水泵1和冷冻水泵2，次日由冷冻变频二控制冷冻水泵2和冷冻水泵3，后日由冷冻变频一控制冷冻水泵1和冷冻变频二控制冷冻水泵3，保证2用1备而且变频器的使用频率均匀。当室内负荷较少或者在非炎热季节，CPU发出信号使中间继电器闭合，2号主机的冷却回水电动阀和冷冻回水电动阀关闭，主机也随之关闭。此时一台主机运行完全满足负荷要求，节省电能。另外控制系统设计一键按钮，利用中间继电器将冷却风机、冷却水泵、冷冻水泵、冷水机组的按钮连接，可以一键启动和关闭，避免之前逐个逐个开启设备浪费人力的局面。

冷却水的出水温度表明主机热交换的情况，冷冻水的回水温度表明房间带走热量的情况。一般把该处温度作为控制依据．经实地工程整定，设定冷却水出水温度为37℃和冷冻水回水温度为15℃［7］，系统刚启动时，冷却变频进入工频50 Hz运行25 min，然后以40 Hz过渡运行1 min后，进入PID自动调节;冷冻变频直接进入PID自动调节，设定比例参数P=1，积分参数I=5，微分参数D=0。系统通过温度传感器、PLC、变频器组成闭环控制，实时监测并调节室内温度使其达到最佳。同时为保证系统正常运行，设定冷却水泵电机基准频率35 Hz，冷冻水泵电机基准频率39 Hz，冷却出水报警温度39.5℃。整套系统开启半小时后达到稳定状态，冷却水泵和冷冻水泵以36 Hz和39 Hz稳定运行，实现变频工作。

3 系统节能效果分析

系统冷却泵和冷冻泵电机采用2用1备的模式，冷却泵的三相异步电机功率18 kW，冷冻泵的异步电机功率15 kW。经过实地考察，该中央空调日运行的功率时间特性见表2和3所示．

基于该银行建筑物有蓄热，应提前半小时开机，同理提前半小时关机，此时间使用量经实地考察和PLC控制策略大概计算得到。考虑到季节性变化对时间使用量影响较大，以8月份实际运行情况为例，正常上班时间为8:30～11:30，14:30～17:30，总共6 h，在原来工频运行下，用电量Q原=(15+18*2*6=396 kW*h。

1)根据表2，可计算一台冷却泵节能改造后一天的用电量:

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

2)根据表3，可计算一台冷冻泵节能改造后一天的用电量:

Q冷冻泵=1.5*15+1.3*10.94+0.7*7.68+2.5*7.12=59.88 kW*h

3)变频运行后总耗电量为:

Q总=2* (Q冷却泵+Q冷冻泵)=249.44 kW*h

4)日平均节电量为:

Q节电量=Q原－Q总=(15+18)*2*6－230.56=146.56 kW*h

5)日平均节电率为:

B=Q节电量/Q原*100%=37.01%

假如中央空调年实际制冷使用天数 (广东地区制冷周期为6个月)，按工作日5天计算，总数约为120天，则年节电量为146.56*120=17 587.2 kW*h，当地工业用电为0.86元/每千瓦时，那么年节约用电为17 587.2元。

表2 冷却泵功率－时间关系

4 结语

本文针对一套老式中央空调群控系统进行智能节能系统，采用温度传感器采集实时温度，PLC自动调整水泵转速和切换运行水泵数目，另外系统具有一键式触摸按钮以及良好的人机交互界面。改造后，系统能根据季节变化，自动改变冷却泵和冷冻泵的转速从而改变水流量实现室内温度调节和用电量的减少，并降低了噪音污染。目前该系统已经投入使用，半年多的运行结果表明该系统性能稳定、节能效益良好。

［1］徐凤平．中央空调水系统变频节能改造分析与实践［J］．自动化与仪表，2011(9):54－56．

［2］聂玉强，李安桂．中央空调系统高效节能技术分析与应用［J］．重庆建筑大学学报，2007，29(1):85－88．

［3］胡雪梅，任艳艳．中央空调的变频控制设计及节能分析［J］．电机与控制应用，2011(7):44－47．

［4］吴德胜．中央空调水系统及风机盘管的节能控制研究［［D］．湖南:湖南大学，2007．

［5］卢飒．变频节能供水设备的计算机辅助测试系统［J］．自动化与仪表，2002(5):43－46．

［6］李良仁．变频调速技术与应用［M］．北京:电子工业出版社，2010．

［7］罗及红．基于PID算法的炉窑温度串级控制系统设计［J］．计算机测量与控制:2012，20(12):3243－3245．