淺談應(yīng)用PLC和變頻技術(shù)進(jìn)行中央空調(diào)的節(jié)能改造

摘 要：據(jù)統(tǒng)計(jì)，整幢大廈能耗的65%左右來(lái)源于中央空調(diào)系統(tǒng)，而水系統(tǒng)的能耗占空調(diào)系統(tǒng)總能耗量比重較大，水系統(tǒng)的節(jié)能具有現(xiàn)實(shí)意義。本文通過(guò)具體實(shí)例闡述定水量系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題，介紹PLC和變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用，提出可行性的方法。

關(guān)鍵詞：節(jié)能 PLC 溫差閉環(huán)自動(dòng)控制 變頻器

隨著我國(guó)城市化的步伐，集超市、辦公、賓館、餐飲于一體的大廈如雨后春筍般出現(xiàn)。人工可以營(yíng)造舒適的居住環(huán)境，但電能的消耗卻十分嚴(yán)重，節(jié)能節(jié)電已迫在眉睫。

隨著變頻技術(shù)的日益成熟，給中央空調(diào)系統(tǒng)帶來(lái)嶄新的節(jié)能革命。采用PLC和變頻器改造成變水量系統(tǒng)，利用溫度模塊、溫度傳感器、轉(zhuǎn)換模塊等器件的結(jié)合，形成溫差閉環(huán)控制系統(tǒng)。對(duì)水泵輸出的流量自動(dòng)調(diào)節(jié)，有效控制運(yùn)行負(fù)載，達(dá)到節(jié)能降耗目的。

一、可行性分析

1.系統(tǒng)存在的問(wèn)題

某大廈是集停車場(chǎng)、超市、辦公、賓館、餐飲于一體的綜合性場(chǎng)所。改造前，中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)置是一二樓超市、餐飲一套空調(diào)系統(tǒng)，三、四樓寫字樓一套空調(diào)系統(tǒng)，五樓以上賓館一套空調(diào)系統(tǒng)。冷卻水泵、冷凍水泵電動(dòng)機(jī)功率不一致，全年恒速運(yùn)行，進(jìn)出水溫差都約為1.9℃左右，控制方式是繼電接觸器。由于按天氣最熱、室內(nèi)熱負(fù)荷最大時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，機(jī)組有很大寬裕量，且機(jī)組在最大熱負(fù)荷下工作的情況極少。在部分負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)候，水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能只能通過(guò)停用部分冷凍水泵和冷卻水泵。但系統(tǒng)負(fù)荷變化不斷，通過(guò)人工觀察后計(jì)算負(fù)荷變化，決定啟停水泵，這樣的方法既繁瑣又沒有準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

2.可行性分析

經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，根據(jù)大廈負(fù)載能力的負(fù)荷運(yùn)行特點(diǎn)，擬訂方案是應(yīng)用溫差閉環(huán)自動(dòng)控制方法，也就是PLC和變頻器的運(yùn)用于冷凍水泵和冷卻水泵組成溫差閉環(huán)自動(dòng)模塊，依據(jù)負(fù)載輕重變化，自動(dòng)調(diào)整水泵的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)大廈冷凍、冷卻泵進(jìn)行節(jié)能改造。這能有效控制人為操作錯(cuò)誤因素，且高效節(jié)能，是一種被社會(huì)上廣泛認(rèn)可的方案。

冷凍水循環(huán)系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，也是冷量的傳遞過(guò)程。通過(guò)不斷熱交換進(jìn)行吸熱放熱的循環(huán)，達(dá)到使室內(nèi)降溫的目的。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)原理是：由于冷凍泵的運(yùn)行，使低溫的冷凍水從主機(jī)蒸發(fā)器流出，送入冷凍水管道（出水），冷凍水經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器時(shí)與制冷劑進(jìn)行熱交換，吸冷降溫后冷凍水溫度降至約6.5℃左右，接著進(jìn)入室內(nèi)的風(fēng)機(jī)盤管等末端與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量，使室內(nèi)的溫度降低，而冷凍水由于吸熱溫度升高（約12℃），最后回到主機(jī)蒸發(fā)器（回水），不斷循環(huán)，形成閉合回路。室內(nèi)風(fēng)機(jī)用于將空氣吹過(guò)冷凍水管道，通過(guò)加速冷凍水與室內(nèi)空氣的熱交換，更快地降低空氣溫度。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的原理是：冷卻泵將在冷凍機(jī)的冷凝器吸熱升溫后的冷卻水（37℃）輸送到冷卻塔，經(jīng)冷卻塔風(fēng)扇散熱后的冷卻水（32℃）再送回主機(jī)的冷凝器吸熱，不斷循環(huán)，形成閉合回路。冷凍水、冷卻水、制冷劑作為熱量傳遞的載體，通過(guò)冷凍泵、冷卻泵、壓縮機(jī)的作用，不斷地在各自的系統(tǒng)中循環(huán)，最終將室內(nèi)的熱量經(jīng)中央空調(diào)系統(tǒng)作用排到室外。如圖1所示。

圖1 中央空調(diào)的系統(tǒng)分析圖及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，改造前的中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水、冷卻水循環(huán)用電比重是系統(tǒng)用電的13%～25%，低負(fù)荷運(yùn)行的冷凍主機(jī)，變流水循環(huán)用電就達(dá)30%～40%。在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，裝機(jī)容量是取系統(tǒng)最大負(fù)荷的110%～120%作為安全的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，實(shí)施對(duì)變流水循環(huán)系統(tǒng)的能量自動(dòng)控制，是節(jié)能改造及自動(dòng)控制的重要組成部分。

二、變流量溫差和壓差的控制方法

冷凍水溫差和壓差是冷凍水變流量的有效控制方法。一次泵定流量系統(tǒng)的改造，對(duì)水系統(tǒng)采取溫差控制比較適用，容易施工。溫差控制水量調(diào)節(jié)的方法是：當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)反饋到供回水溫差中，水泵則依據(jù)溫差進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，通過(guò)轉(zhuǎn)速改變水流量，水泵處于主動(dòng)狀態(tài)。而壓差控制系統(tǒng)節(jié)能效果比前者差。用戶根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)水量反映到壓差，根據(jù)壓差水泵再調(diào)節(jié)水量，水泵處在被動(dòng)狀態(tài)。例如圖2為一次泵變流量系統(tǒng)原理圖，可以安裝溫度傳感器在系統(tǒng)供回水總管上，PLC獲得供回水溫度，通過(guò)回水和出水溫差值△T的計(jì)算，比較系統(tǒng)設(shè)定溫差△T。形成兩種情況，溫差△T增大，反映出室內(nèi)熱負(fù)荷的增大，為適應(yīng)室內(nèi)負(fù)荷的增大，通過(guò)加快冷凍泵的轉(zhuǎn)速，使冷凍水的循環(huán)量增加；若溫差△T減小，通過(guò)降速冷凍泵的轉(zhuǎn)速以降低冷凍水的循環(huán)量，從而節(jié)約電能。

圖2 一次泵變流量系統(tǒng)原理圖

冷卻水系統(tǒng)的控制方案也采用定溫差控制法，節(jié)能效果同樣顯著?？刂品椒ㄅc冷凍水定溫差控制方法大同小異，定溫差控制方法運(yùn)用在冷卻水系統(tǒng)的控制方案中，冷卻水的進(jìn)出水溫差控制在5±0.5℃范圍之內(nèi)。

三、硬件配置和程序設(shè)計(jì)

1.改造需要增加的設(shè)備（見下表）

2.變頻器的選用

機(jī)電一體化技術(shù)通過(guò)均勻地改變電源頻率，使交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速平滑改變，同時(shí)還具有調(diào)頻調(diào)壓功能，變頻器是電動(dòng)機(jī)的控制樞紐。在技術(shù)改造中，應(yīng)按照負(fù)載類型選擇性價(jià)比高的變頻器?？刂菩问接蠽/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，V/F控制有簡(jiǎn)單低廉、調(diào)試方便的特點(diǎn)，各種水泵、風(fēng)機(jī)都適用，節(jié)電率高。本系統(tǒng)選擇FR-F540-37K-CH高效率低成本變頻器，內(nèi)置變頻器無(wú)縫連接于控制系統(tǒng)之間。變頻器接線圖如圖3。

3.PLC控制器

PLC是以微處理器為核心，集自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)一體的綜合新型工業(yè)控制器。與傳統(tǒng)的繼電器控制比較，有以下特點(diǎn)。

（1）通用性好，簡(jiǎn)單接線，選配相應(yīng)的模塊，各控制系統(tǒng)可適用。

（2）編程實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的控制功能。具有高速計(jì)數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信、順序控制、模擬量控制、位置控制等功能。

（3）穩(wěn)定性高，沒有機(jī)械觸點(diǎn)，無(wú)電弧損害、接觸不良等，使用壽命長(zhǎng)。

（4）定時(shí)準(zhǔn)確、范圍寬。

（5）耗電小，占用空間小。

（6）編程和接線同步運(yùn)行，擴(kuò)展靈活，方便維修。

PLC的溫差閉環(huán)自動(dòng)控制見圖4。

圖4 溫差閉環(huán)自動(dòng)控制圖

PLC控制器內(nèi)存讀入通過(guò)溫度模塊及溫度傳感器測(cè)定冷凍機(jī)的回水溫度和出水溫度后，計(jì)算出溫差值；解決變頻控制時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)各泵的切換程序、啟停程序根據(jù)回水與出水的溫差值，通過(guò)變頻器控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水的流量，實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫差大小調(diào)節(jié)水流量的功能。PLC程序還解決模擬量的處理與觸摸屏通信數(shù)據(jù)的處理功能，當(dāng)觸屏設(shè)定值與檢測(cè)到溫差不同時(shí)，通過(guò)PLC控制器使變頻器調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率，從而改變水泵的轉(zhuǎn)速，使水泵的運(yùn)行與系統(tǒng)的負(fù)荷相匹配。

運(yùn)用PLC和變頻器對(duì)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速，是高新技術(shù)在中央空調(diào)節(jié)能方面的應(yīng)用，同時(shí)消除了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)及運(yùn)轉(zhuǎn)沖擊電流現(xiàn)象，電動(dòng)機(jī)、接觸器等有效延長(zhǎng)了使用壽命。結(jié)果表明，年節(jié)能率達(dá)到40%～45%左右，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考獻(xiàn)：

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