中央空调教学设备改造与应用

黄锦旺　刘向勇

摘要：当前中央空调教学控制系统较为落后，为了适应教学和技能鉴定要求，对其进行了智能化改造。采用由变频器、PLC、触摸屏、传感器等组成的温差闭环控制系统，使压缩机、冷冻水泵和冷却水泵能随空调负荷、室内温度的变化而自动变速运行，大大优化了系统的运行质量，达到了显著的节能效果。同时增加触摸屏，设计适合技能鉴定的组态界面，实时进行参数设计，实现考试功能。

关键词：中央空调;触摸屏;PLC;变频器

中图分类号：TU831.4 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0258—03

0引言

随着经济的发展，中央空调系统成为大型公共建筑的必备设施。但是，中央空调的耗能非常大，尤其是夏天，耗电量占建筑能耗的50%以上，因此，如何降低中央空调耗能，成为研究的热点问题。如陈建昌对冷冻机房节能优化控制系统进行了分析;李建维对中央空调水系统节能运行优化技术进行了深入研究;刘宪英对中央空调能耗现状与节能途径进行详细探讨;余锡华对基于中央空调系统节能开展了认真思考;孙照寅、李嘉乐等对南京新城大厦二期空调系统进行了节能改造实践。

某院制冷专业拥有一台大型中央空调教学设备，该设备主要由450t冷气主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、冷冻风机等部件组成。此设备购买时间较早，控制系统相对落后，在实际教学过程中，需要频繁启动，不仅使空调电动机、接触器等主要部件的使用寿命大大下降，增加保养和维护工作量以及成本，同时，频繁地启动也造成耗能的大量消耗。另外，该院承担制冷上岗证的培训鉴定工作，在进行技能考核时，需要对中央空调进行手动控制和考证计时，现有的设备无法满足。综合考虑以上因素，对学院旧有的中央空调教学设备进行改造，从而实现现有设备的技术更新、改善教学效果、促进节能环保，同时满足技能鉴定需要。

1改造方案分析

根据改造功能要求以及改造成本限制，在实施之前设计了3种改造方案。（1）通过变频器、PLC、温度传感器等构成负反馈闭环自动控制，根据负载大小，通过温度偏差反馈信号，自动调整水泵、压缩机的运行频率，无需人工操作，控制精度高。（2）根据制冷主机负载量调整启动时间，当负载比较小时，可以自动控制中央空调启停，间歇开机运行。此方案也存在一定的弊端，例如主机电动机再次启动瞬间，主机负荷较大，瞬间耗电量激增，无法从根本上达到省电目的，而且温度高低不断变化，人体体感较差。（3）通过改变水阀门的开度来控制流量。采用此方法如果控制效果不好，会引起冷冻水末端压力偏低，也可能引起冷却水流量偏小，造成冷却水散热不够，经测试，此方法达不到节能效果。综合考虑，此次改造采用方案（1），同时在改造后的设备上安装触摸屏，仿真中央空调的运行过程，确保教师能够形象讲解中央空调原理和组成，且满足技能鉴定的需要。方案（1）技术支撑已经非常成熟，虽然一次性投入资金较大，但可以实现非常好的节能效果，与改造的初衷和需求完全吻合，课题组在多次验证仿真基础上选择了方案（1）。

2改造实施过程

中央空调系统运行过程是能量转换以及热交换过程。中央空调系统冷冻泵、冷却泵的装机容量需设计安全系数，一般系统最大负荷110%～120%作为安全系统上限。传统中央空调系统的冷冻水、冷却水循环用电相对较高，尤其在冷冻主机低负荷运行时，可达整个系统用电30%～40%。因此，在中央空调系统节能改造时，对冷冻水和冷却水循环系统进行自动控制是比较流行的一种手段。

本次改造所需购置零部件名称、数量、型号等如表1所示。

改造方案：利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块等组成温差闭环自动控制系统，对中央空调水循环系统进行节能控制;变频器的启停、频率调节等负反馈闭环控制系统进行，手/自动切换、手动频率设置由PLC主机进行控制;变频器用三菱FR-A700-2.2K-CH，控制系统所需输入输出I/O点数为输入24点、输出24点，同时需要预留部分输入输出口，以备后续使用。结合可靠性和价格等综合因素，本次选用的PLC为三菱FX2N-48MR;模拟量输出是一个4通道D/A转换模块，每个通道均可以单独设置电压或电流输出，输出精确度较高。

教学用中央空调改造后的系统控制如图1所示。

室内温度传感器模塊将所测室温数据通过温度数模转换模块传输给PLC主机控制器内存，与设定的温度进行对比，计算出温度偏差;根据偏差值控制变频器的转速，对出水流量进行有效调节，热交换速度快慢得到控制;偏差大，代表环境温度过高，中央空调负荷比较大，此时应提高冷冻泵转速，冷冻水流量加大，循环速度提高，系统的热交换速度就会相应加快，环境温度快速降低;反之若偏差较小，代表环境温度较低，则自动减小上述设备动作，以减小能耗，节约电能。系统的冷冻机组正常运行时，冷却水在终端和冷却塔间循环，冷却泵和冷凝器之间循环，如此进行不断循环，从而实现热交换。如果冷却水进水和出水之间的温差过大，则说明冷冻机此时的负荷较大，说明有较多的热量需要冷却水带走，此时冷却泵的转速就应该加大，提升冷却水循环速度;如果冷却水进水和出水之间的温差较小，则说明冷冻机负荷小，需冷却水带走的热量也比较小，此时就应该降低冷却泵转速，减小冷却水循环速度，以节约电能。

为满足空调实训教学、制冷技能鉴定需求，本次改造同时开发出针对教学和技能鉴定的组态控制界面，如图2所示。此系统包含主界面、监控界面、考试界面及参数设置界面等，各界面之间可以实时切换。主界面可实时显示系统各设备运行情况以及各水泵、压缩机运行频率等信息。

改造后的中央空调教学设备主要分为手动模式、考试模式和自动模式3个模式。在教学过程中，老师可以手动对中央空调进行分步起动，可分别对每一个组成部件进行详细介绍和讲解;在考评中，系统程序会自动把全部负载都断开，从而避免了负载的频繁操作引起系统故障。进行技能鉴定时，只要考生按要求的正确顺序启动，界面对应的指示灯就会点亮。如果操作顺序错误，则触摸屏上会提示考评员扣分。在触摸屏考试界面中，还可以对考生的考试时间进行设定，界面显示倒计时;在节能环保功能中，利用PLC、变频器、温度模块和温度传感器通过温差闭环控制，使压缩机、冷冻水泵和冷却水泵能随空调负荷、室内温度的变化而自动变速运行，同时可用触摸屏对中央空调各项参数进行实时监控和调整，从而大大优化了该中央空调系统的运行质量，达到了显著的节能效果。

3结束语

通常情况下，学校购买的教学设备需要使用10年左右，但是在科技日新月异的今天，5年技术就已经焕然一新，而学校又不可能每年购置新设备。因此，对现有的教学设备进行技术升级改造，是一个解决矛盾的有效方法。对落后的教学设备进行技术革新，不仅可以提高设备的使用率和使用年限，也为学校节约了投资成本，同时对教师技术提升也能起到有效促进作用。

本文通过实践证明，此次中央空调教学设备的改造达到了预期目的，提高了专业课教学效果，改进了技能鉴定手段，达到了良好的社会效益和经济效益。