中央空调降低能耗改造技术

钟海宾

摘 要：随着节能环保理念的不断深入人心，改造能耗较大的中央空调势在必行。从中央空调系统的运用和降低能耗原理出发，结合实例，探讨了PLC变频系统在降低中央空调能耗中的运用。

关键词：中央空调；系统改造；变频调速系统；PLC系统

中图分类号：TU831 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.125

随着工业化和城市化的迅猛发展，中央空调已经成为现代工厂企业、办公大楼、商厦、酒店等建筑的常用基础设备，在高层建筑中更是必不可少。但由于中央空调的耗能大，与节能减排的环保主题相悖，所以对中央空调进行节能改造势在必行。而运用PLC系统不仅能够大幅度节约电能，提高系统的自动化程度，而且能够简化系统结构，使系统运行可靠、维修方便。所以，PLC系统被广泛运用于中央空调节能改造中。

1 中央空调系统的运行和降低能耗原理

1.1 中央空调系统概述

空调系统主要由空调机组、水系统、风系统、末端系统和散热系统组成。制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成高温、高压的气体后送到冷凝器中与冷却水进行热交换，冷却水被加热，水泵将高温水送到散热系统中，由散热系统对其降温，并与外界环境换热，将热量释放到环境中去。制冷剂经冷凝器被冷凝成液态，通过节流阀节流降压后，在蒸发器中与冷冻水换热，冷冻水被降温，水泵将冷水送到各空调末端，为用户供冷。制冷剂蒸发成气态后被吸入压缩机，完成一个循环。

1.2 空调水系统变水量调节原理

空调水系统变水量调节的原理可以用能量守恒定理表述为：

q=C·Q·Δt. （1）

式（1）中：q为系统冷负荷；C为水的比热容；Q为冷水流量；Δt为送、回水温差，一般取5 ℃。

由公式（1）中可以看出，在空调水系统中，可根据实际负荷来调整水流量或供、回水温差。在设计水系统时，q、C、Δt为确定值，所以，水流量Q也被确定，水系统就是按这些值进行设备选型。当系统实际运行时，q成为一个独立参数，与室外气象条件和室内热源等许多因素有关。当系统负荷q发生变化时，系统的水流量Q或温差Δt必然发生变化。如果改变供、回水温度差Δt，维持流量Q不发生变化，则形成定流量系统；如果维持供、回水温度差Δt不发生变化，而变动水流量Q，则成为变流量系统。变流量系统合理，供、回水温差恒定，水量与负荷呈线性相关关系时，可以考虑使用变频水泵。

1.3 水泵变频降低能耗原理

图1是变频调节和阀门调节两种方式控制下的扬程—流量（H—Q）关系。图1中，曲线①为泵在转速n1时的扬程—流量曲线，曲线②为泵在转速n2下的扬程—流量曲线，曲线③为阀门正常时的管路特性曲线，曲线④为阀门调小时的管路特性曲线。

水泵的有效功率为：

Pe=ρgQH/1 000. （2）

式（2）中：Pe为泵的有效功率，kW；ρ为流体的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；Q为体积流量，m3/s；H为扬程，m。

如果泵的标准工作点为A，此时流量为Q1、扬程为H1，由公式（2）可知有效功率Pe1与Q1、H1的积（即OQ1AH1）成正比。当流量从Q1变化到Q2时，如果采用阀门调节方式，管路特性从曲线③变化到曲线④，有效功Pe3可以用OQ2CH3表示；如果采用变频调节，泵转速由n1变化到n2，在水量为Q2的情况下，水泵扬程降低到H2，有效功率Pe2可以用面积BH2OQ2表示。节省的能量ΔP（即面积CH3H2B）是十分明显的。

2 中央空调降低能耗改造示例

2.1 某大楼原中央空调系统概况

某商贸大楼中央空调水泵为一次泵，该大楼泵电机常年定速工作，供回水温差约为2.5 ℃，用继电器控制。该空调系统各设备详细信息如表1所示。

该大楼空调机组选型计算是按极端天气、最差条件下设计的，有较大的宽裕，系统极少在这种极端条件下运行，一年中只有几天处于最大负荷。大楼原有的空调系统除了能耗大外，还存在一系列问题：①水流量过大，系统温度差降低，换热效率下降，恶化了空调机组的工作条件，造成额外的电能损耗；②水泵采用自耦变压器启动，电机启动电流大，对供电系统带来冲击；③一般泵启停不是软启停，在泵启停时，会出现水锤现象，对管网、零件阀门、管道等造成破坏。

为使循环水流量与负荷波动相配合，应用变频控制改造空调水系统，降低系统能耗。一方面，能够控制水泵的转速，使水量与负荷波动相适应，从而节约能源；另一方面，变频器的启动方式是软启动，电机在启停时无冲击电流，这样能够防止水锤现象的发生，延长电机、零件阀门、管道等的使用寿命。

2.2 降低能耗改造措施

根据大厦原有的空调运行情况，提出大楼空调水循环节能改造方法：①系统中冷冻泵功率为57 kW，冷却泵功率为78 kW，相对于空调机组功率接近30%较大，所以要改造冷冻水和冷却水系统，在保证其安全、稳定运行的条件下，取得最显著的节能效果。②冷冻水、冷却水系统的控制都应用定温度差控制方案。温差控制适用于泵的恒流量改造，将冷冻水、冷却水温度差控制在4.5～5 ℃，用温度传感器测量供、回水温度，将结果通过数模转换模块转化成数字量输送至PLC计算，根据计算结果来控制变频器，从而控制水泵转速来调节水流量。如果供、回水温差大，负荷较大，应提高水泵频率，增大循环水流量；相反，如果温差小，说明负荷较小，应降低水泵频率，减小循环水流量。③系统所有水泵的转速都采用变频控制的方法。系统正常工作时，水泵在30～50 Hz之间变频运行；当变频控制系统出现错误时，再启动原控制电路，使水泵定频工作。在变频状态下，有两种调频方案，即自动调频和手动调频，调节变化量均为0.5 Hz。

2.3 降低能耗改造控制系统设计

下面以冷冻水泵为例介绍节能改造控制系统的设计。接触器KM3为M1的旁通接触器，当KM3接通后，可启用原水泵的控制电路，使水泵定频工作，接触器KM1为M1的变频接触器。2台水泵的变频接触器通过PLC控制，旁路接触器通过继电器电路控制，变频接触器和旁路接触器之间有电器互锁。

控制部分通过两个温度传感器（PT100）测量进、出水温度，测量结果通过A/D转换模块将模拟量转变成数字量，然后传给PLC，由PLC计算数字量信息。计算结果通过调速D/A模块再次转换成模拟量（0～10 VDC）来调节变频器的转速。如果进、出水温差大，则要增大水泵转速；如果温差小，则调小水泵转速，从而使温差保持稳定，达到节能的目的。

2.4 变频调速系统降低能耗评价

离心泵的相似定律可表示如下：

. （3）

. （4）

. （5）

公式（3）（4）（5）中：Q为水泵流量；H为水泵扬程；P为水泵功率；n为水泵转速。

由上述公式可知，泵流量与频率成正比，泵的扬程与频率的二次方成正比，水泵功率与频率的三次方成正比。表2为水泵在不同频率时流量、功率、节能率的百分比。

由表2可以看出，通过变频调速后，节能效果是非常明显的。因此，用变频调速的方法来调节中央空调水系统流量是有必要的。

3 结束语

总之，虽然中央空调能够调节建筑内的局部气温，是当下建筑不可或缺的基础设备，但其能耗较大，所以改造中央空调势在必行。PLC系统凭借先进性、可靠性、抗干扰能力强、经济性、灵活性等优势，在中央空调节能改造中发挥了巨大作用，并得到了认可，相信PLC系统在空调节能方面的应用前景广阔。

参考文献

[1]赵春平，李冰.PLC自动控制技术在中央空调系统中的应用[J].经济技术协作信息，2010（01）.

[2]韩俊青，王洪华.基于PLC控制的中央空调节能改造[J].中国教育技术装备，2009（06）.

〔编辑：王霞〕