中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗改造中PLC與變頻器的應(yīng)用實踐探討

林信賢

摘 要：中央空調(diào)的耗電量占了建筑耗電量相當大的一部分，對其進行有效的節(jié)能降耗改造有利于建筑高效益地運行。闡述了中央空調(diào)系統(tǒng)的運行和節(jié)能原理，結(jié)合某大廈的節(jié)能改造實例分析，給出了科學合理的改造方案，并對該方案進行節(jié)能評價，實踐結(jié)果證明，在中央空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用PLC與變頻器可以有效降低系統(tǒng)能耗，對建筑的節(jié)能減排具有重要意義。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻調(diào)速；中央空調(diào)；節(jié)能改造

中圖分類號：TB657.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.076

文章編號：2095-6835（2015）15-0076-02

隨著我國經(jīng)濟的不斷增長和科學技術(shù)水平的提高，大型建筑建設(shè)項目越來越多，中央空調(diào)應(yīng)用廣泛。但是由于運行設(shè)計不合理等原因，中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗一直居高不下，影響了建筑性能的發(fā)揮。因此，如何對其進行節(jié)能改造是工作人員需要解決的問題。下面就此進行討論分析。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)的運行和節(jié)能原理

1.1 中央空調(diào)系統(tǒng)概述

空調(diào)系統(tǒng)主要由空調(diào)機組、水系統(tǒng)、風系統(tǒng)、末端系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)組成。制冷機通過壓縮機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行熱交換，冷卻水被加熱，水泵將高溫水送到散熱系統(tǒng)，由散熱系統(tǒng)對其降溫，與外界環(huán)境進行換熱，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，完成一個循環(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：

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

由式（1）可以看出，在空調(diào)水系統(tǒng)中，可根據(jù)實際負荷的大小來調(diào)整水流量或供、回水溫差。在設(shè)計水系統(tǒng)時，q、C、Δt為確定值，所以，水流量Q也被確定，水系統(tǒng)就是按這些值進行設(shè)備選型。當系統(tǒng)實際運行時，q成為一獨立參數(shù)，與室外氣象條件和室內(nèi)熱源等許多因素有關(guān)。當系統(tǒng)負荷q發(fā)生變化時，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，水量與負荷呈線性相關(guān)關(guān)系，此時可以考慮使用變頻水泵。

1.3 水泵變頻節(jié)能原理

中央空調(diào)的水系統(tǒng)主要

是完成熱量交換的循環(huán)水系

統(tǒng)。一般對水流量的調(diào)節(jié)是通

過閥門和擋板的開度開控制的，

因此，許多的電能會浪費在閥

門與擋板的阻力上。如果換成

變頻系統(tǒng)，把消耗在閥門和隔

板的電能省下來，泵節(jié)能效果

就很明顯。所以，采用變頻技

術(shù)來控制水泵的運行，是中央空調(diào)節(jié)能改造的有效途徑之一。

圖1給出了變頻調(diào)節(jié)和閥門調(diào)節(jié)兩種控制下的揚程—流量（H-Q）關(guān)系。圖1中，①為泵在轉(zhuǎn)速n1時的揚程—流量曲線，②為泵在轉(zhuǎn)速n2下的揚程—流量曲線，曲線③為閥門正常時的管路特性曲線，曲線④為閥門調(diào)小時的管路特性曲線。

水泵的有效功率可以表示為：

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；H為揚程，m；Q為體積流量，m3/s。

如果泵的標準工作點為A，此時流量為Q1、揚程為H1，由式（2）可知有效功率Pe1與Q1，H1的積（即OQ1AH1）成正比例。當流量從Q1變化到Q2時，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)節(jié)能改造示例

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)備的詳細信息如表1所示。

表1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備信息

該大樓空調(diào)機組選型計算是按極端天氣、最差條件下設(shè)計的，寬裕度較大，系統(tǒng)極少在這種極端條件下運行，一年中只有幾天處于最大負荷。大樓原有的空調(diào)系統(tǒng)除了能耗大外，還會導致一系列問題，例如水流量過大，系統(tǒng)溫度差降低，換熱效率下降，惡化了空調(diào)機組工作條件，造成額外的電能損耗；水泵采用自耦變壓器啟動，電機啟動電流大，對供電系統(tǒng)帶來沖擊；一般泵啟停不是軟啟停，在泵啟停時，會出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，對管網(wǎng)、零件閥門、管道等造成破壞。

為使循環(huán)水流量與負荷波動相配合，應(yīng)用變頻控制對空調(diào)水系統(tǒng)進行節(jié)能改造，降低系統(tǒng)的能耗。一方面，能夠控制水泵的轉(zhuǎn)速，使水量與負荷波動相適應(yīng)，從而節(jié)約能源；另一方面，因為變頻器的啟動方式是軟啟動，電機在啟停時無沖擊電流，這樣能夠防止水錘的發(fā)生，延長電機、零件閥門、管道等的壽命。

2.2 節(jié)能改造措施

根據(jù)大廈原有的空調(diào)運行情況，規(guī)定大樓空調(diào)水循環(huán)節(jié)能改造方法，即：①系統(tǒng)中冷凍泵功率為57 kW，冷卻泵功率為78 kW，相對于空調(diào)機組功率較大，所以要對冷凍水和冷卻水系統(tǒng)進行改造，在保證安全、穩(wěn)定運行的條件下，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)字量送入PLC計算，根據(jù)計算結(jié)果來控制變頻器，從而通過控制水泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)水流量。如果供、回水溫差大，負荷較大，應(yīng)提高水泵頻率，增大循環(huán)水流量；相反，如果溫差小，則說明負荷較小，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)在正常工作時，水泵在30～50 Hz之間變頻運行；當變頻控制系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤時，再啟動原控制電路，使水泵定頻工作。在變頻狀態(tài)下有兩種調(diào)頻方案，即自動調(diào)頻和手動調(diào)頻，調(diào)節(jié)變化量均為0.5 Hz。

2.3 節(jié)能改造控制系統(tǒng)設(shè)計

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。接觸器KM3為M1的旁通接觸器，當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臺水泵的變頻接觸器通過PLC進行控制，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。

控制部分通過兩個溫度傳感器（PT100）測量進、出水溫度，測量結(jié)果通過A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量傳給PLC，然后PLC將數(shù)字量信息進行計算，計算結(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。進出水溫差大，則增大水泵轉(zhuǎn)速；溫差小，則調(diào)小水泵轉(zhuǎn)速，從而使溫差保持穩(wěn)定，達到節(jié)能的目的。

2.4 變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能評價

由離心泵的相似定律可表示為：

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

根據(jù)上述公式可知，泵流量與頻率成正比，泵的揚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

綜上所述，將PLC與變頻器應(yīng)用于中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能改造工作中，不僅可以使空調(diào)主機的工作環(huán)境得到優(yōu)化，而且減少了電流過大對電網(wǎng)造成的沖擊和損害。變頻調(diào)速泵可以在延長設(shè)備壽命的同時，減少后期維護的成本，所以，我們應(yīng)該大力推廣PLC與變頻控制在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造中的應(yīng)用。

參考文獻

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[2]郭杰.中央空調(diào)水系統(tǒng)的變頻改造[J].化工裝備技術(shù)，2013，34（1）：55-56.

〔編輯：王霞〕