中央空調(diào)智能群控節(jié)能系統(tǒng)改造與設(shè)計(jì)

摘 要：目前，我國(guó)社會(huì)正處于高速發(fā)展階段，人們的生活質(zhì)量和生活水平迅速提升，中央空調(diào)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到了現(xiàn)代建筑中。但老式的中央空調(diào)不具備智能控制系統(tǒng)，能耗很高，造成了大量能源的浪費(fèi)，這與現(xiàn)代人們提倡的環(huán)保節(jié)約理念不相符。為了改變這種狀況，文章針對(duì)老式中央空調(diào)能耗高以及非智能調(diào)控的缺陷，改造并設(shè)計(jì)出了中央空調(diào)智能群控節(jié)能系統(tǒng)。本系統(tǒng)應(yīng)用了變頻設(shè)備，改造了線路，使溫度傳感器與電動(dòng)閥能夠智能的控制進(jìn)出水，并且通過(guò)對(duì)人機(jī)交互界面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了中央空調(diào)的遠(yuǎn)程智能控制。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)行研究證明，中央空調(diào)智能群控節(jié)能系統(tǒng)可以有效的降低中央空調(diào)的能耗。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；智能群控；節(jié)能系統(tǒng)；改造與設(shè)計(jì)

現(xiàn)在，中央空調(diào)已經(jīng)在人們的生活和工作中被廣泛應(yīng)用，通常情況下，其能耗大約能夠占據(jù)建筑總能源消耗的百分之五十五。但是，因?yàn)橹醒肟照{(diào)系統(tǒng)具有成本高、壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用低等特點(diǎn)，所以除了最新的建筑之外，目前大多數(shù)中央空調(diào)的控制系統(tǒng)使用的還是老式的系統(tǒng)。老式中央空調(diào)的控制系統(tǒng)應(yīng)用的是手動(dòng)控制的，所以它無(wú)法根據(jù)環(huán)境、季節(jié)以及用戶負(fù)荷的變化來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，導(dǎo)致系統(tǒng)中的設(shè)備長(zhǎng)期處于工頻狀態(tài)，這種狀態(tài)下浪費(fèi)了非常多的電能，而且空調(diào)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常大的噪音，對(duì)周圍造成嚴(yán)重的污染。所以，對(duì)老式空調(diào)的系統(tǒng)進(jìn)行智能化節(jié)能改造，降低中央空調(diào)的能耗，是符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的理念的。

文章通過(guò)對(duì)老式中央空調(diào)系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的智能節(jié)能系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用了變頻變壓技術(shù)以及人機(jī)交互技術(shù)，使操作人員能夠通過(guò)觸摸屏進(jìn)行風(fēng)機(jī)、主機(jī)與水泵的開啟和關(guān)閉操作，并且能夠根據(jù)用戶的負(fù)荷來(lái)智能調(diào)整冷卻泵的轉(zhuǎn)速以及主機(jī)數(shù)量。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況的研究，證明該系統(tǒng)可以滿足實(shí)際需求，并且降低了能量消耗，達(dá)到了節(jié)約電能的目的。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造的節(jié)能原理

中央空調(diào)和家用小型空調(diào)的溫度控制方式是不同的，家用空調(diào)是直接把風(fēng)吹到散熱器上面得到熱風(fēng)與冷風(fēng)，而中央空調(diào)主要通過(guò)對(duì)循環(huán)水加熱與降溫，在循環(huán)水經(jīng)過(guò)用戶房間時(shí)，用戶房間內(nèi)設(shè)置的風(fēng)機(jī)會(huì)將風(fēng)吹向散熱器，使風(fēng)被制冷或者加熱，從而使用戶獲得適宜的溫度。通常情況下，中央空調(diào)的冷凍主機(jī)的運(yùn)行負(fù)載能夠根據(jù)環(huán)境溫度變化而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，但循環(huán)水循環(huán)速度是恒定的，也就是說(shuō)冷凍泵以及冷卻泵無(wú)法按需調(diào)整負(fù)載，始終處于百分之百的負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，這就造成了電能的大量浪費(fèi)。所以，由此我們可以看出，中央空調(diào)的變頻改造主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻泵以及冷凍泵智能變頻調(diào)控，使空調(diào)的運(yùn)行負(fù)載和實(shí)際負(fù)載相匹配。由于變頻跳速具有穩(wěn)定性好、范圍寬以及頻率高的特性而被認(rèn)為是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的最合理方式。

水泵中電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度n、揚(yáng)程H、軸功率P以及流量Q之間的關(guān)系可以表示為：

通過(guò)該公式我們可以知道，軸功率P和轉(zhuǎn)速n的3次方成正比，所以，只要按照實(shí)際的負(fù)荷情況實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速就可以有效減低系統(tǒng)能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。通過(guò)對(duì)本研究所用變頻設(shè)備的測(cè)試，我們得知冷凍泵頻率和電壓、電流以及轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，結(jié)果如表1。

由表1可知，當(dāng)冷凍泵的轉(zhuǎn)動(dòng)速度由1440rad/min下降至1123rad/min時(shí)，其頻率正好由50Hz下降到了基準(zhǔn)頻率39Hz，轉(zhuǎn)動(dòng)速度下降到了百分之七十八，功率下降到了百分之四十七，電功率為7.11kW，即節(jié)約了百分之五十二點(diǎn)六的電能。在理論上，當(dāng)該系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定時(shí)，可以有效降低能耗，達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。

2 中央空調(diào)智能群控節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造

中央空調(diào)系統(tǒng)中的冷凍泵、風(fēng)機(jī)以及冷卻泵的能源消耗在系統(tǒng)整體能源消耗中占據(jù)了非常大的部分。老式的中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率無(wú)法根據(jù)用戶負(fù)載的變化來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)載的運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致大量能量的浪費(fèi)，同時(shí)，陳舊的設(shè)備噪音污染嚴(yán)重并且容易引發(fā)安全事故，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。針對(duì)這種情況，本案例用變頻設(shè)備對(duì)系統(tǒng)中的冷卻泵與冷凍泵進(jìn)行合理的改造，在循環(huán)水中置入溫度傳感器，將手動(dòng)控制的閥門改造成電動(dòng)控制的智能閥門。

該中央空調(diào)額定功率為86.6kW，系統(tǒng)中包含兩臺(tái)制冷主機(jī)，且全年并聯(lián)運(yùn)行；擁有三臺(tái)冷卻泵，其中兩臺(tái)正常運(yùn)行，一臺(tái)作為備用；擁有三臺(tái)15kW的冷凍泵，其中兩臺(tái)正常運(yùn)行，一臺(tái)作為備用；擁有兩臺(tái)5.5kW的冷卻塔，且全年并聯(lián)運(yùn)行。一旦系統(tǒng)中其中一臺(tái)冷卻泵或者冷凍泵發(fā)生故障，備用設(shè)備自動(dòng)進(jìn)入使用狀態(tài)。圖1為改造設(shè)計(jì)后的空調(diào)系統(tǒng)。

2.1 改造設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代生產(chǎn)的，系統(tǒng)中的設(shè)備老化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，并且系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非常大的噪音。對(duì)系統(tǒng)改造的目標(biāo)為：（1）構(gòu)建出統(tǒng)一監(jiān)控管理系統(tǒng)；（2）新系統(tǒng)要和原有系統(tǒng)良好兼容并且能夠自主切換；（3）節(jié)能率要大于等于百分之三十。

具體的改造思路：空調(diào)系統(tǒng)同時(shí)擁有群控與單控功能，單控功能適用于原有的設(shè)備，群控功能適用于改造之后的設(shè)備。這兩套設(shè)備之間沒(méi)有必然的聯(lián)系，假如其中一種功能的控制柜發(fā)生故障，可以及時(shí)切換到另一種功能的控制柜，從而可以有效保證中央空調(diào)始終處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。在老式的系統(tǒng)中合理置入電能電動(dòng)閥門與溫度傳感設(shè)備，將老式的機(jī)械按鍵改造成觸摸屏幕，使新系統(tǒng)可以對(duì)冷卻泵與冷凍管的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)PLC信號(hào)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)閥的自動(dòng)開關(guān)，并且使系統(tǒng)能夠根據(jù)氣候環(huán)境的變化人性化的自動(dòng)調(diào)整用戶室內(nèi)溫度。系統(tǒng)中置入的溫度傳感設(shè)備收集到的溫度數(shù)據(jù)為負(fù)荷末端信息，所以系統(tǒng)能夠通過(guò)對(duì)變頻設(shè)備頻率的控制，調(diào)整冷卻泵以及冷凍泵的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量以及室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)，同時(shí)不會(huì)使用戶感受到過(guò)熱或者太冷，實(shí)現(xiàn)節(jié)電的目的。

2.2 控制策略

該控制系統(tǒng)由CPU226、觸摸屏、溫度采集模塊、水泵機(jī)組、變頻器、電動(dòng)閥組等部分組成。在主機(jī)的冷凍和冷卻進(jìn)出水位置分別放置溫度傳感設(shè)備，水溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)反饋到觸摸屏上。CPU226通過(guò)對(duì)水溫信號(hào)的分析，得到系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載情況，進(jìn)而通過(guò)變頻設(shè)備改變冷卻泵與冷凍泵的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，最終改變循環(huán)水的熱交換速度，將溫度控制在預(yù)定的數(shù)值上。當(dāng)處于秋冬季節(jié)或者中央空調(diào)的用戶非常少時(shí)，CPU226能夠產(chǎn)生信號(hào)使中間繼電器處于閉合狀態(tài)，同時(shí)使2號(hào)主機(jī)的冷凍與冷卻進(jìn)出水電動(dòng)閥進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，2號(hào)主機(jī)也隨著進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。在這種狀況下，只要1號(hào)主機(jī)處于正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)就可以獨(dú)立的達(dá)到所有用戶的要求，這樣就大量的節(jié)約了電能。另外，控制系統(tǒng)中的一鍵按鈕可以通過(guò)中間繼電器一鍵開關(guān)冷卻泵、冷凍泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備開啟和關(guān)閉的智能化，避免原來(lái)系統(tǒng)中需要一個(gè)一個(gè)開關(guān)設(shè)備耗費(fèi)大量人力的狀況。

冷卻水中溫度傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)表明了主機(jī)進(jìn)行熱交換的狀況；冷凍水中溫度傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)能夠清晰的反映系統(tǒng)從房間中抽離熱量的情況。一般狀況下，我們能夠把受到的溫度信息數(shù)據(jù)當(dāng)成系統(tǒng)開展相應(yīng)調(diào)控的依據(jù)。通過(guò)整定，我們?cè)诎咐邪?7攝氏度設(shè)置為冷卻水的最終出水溫度，把15攝氏度設(shè)置成冷凍水最終的回水溫度。在中央空調(diào)系統(tǒng)初始啟動(dòng)的階段，使冷卻變頻設(shè)備在50Hz工頻狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)25分鐘，之后再40Hz的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)1分鐘，最后轉(zhuǎn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)階段；冷凍變頻設(shè)備的參數(shù)設(shè)定為P=1，積分參數(shù)設(shè)定為I=5，微分參數(shù)設(shè)定為D=0，直接轉(zhuǎn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)階段。系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)傳感設(shè)備采集數(shù)據(jù)的分析，調(diào)整變頻設(shè)備的頻率，實(shí)時(shí)地調(diào)整用戶室內(nèi)溫度，使用戶試用效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

3 改造系統(tǒng)的節(jié)能效果分析

改造之后的系統(tǒng)擁有三臺(tái)冷卻泵和三臺(tái)冷凍泵，其中兩臺(tái)處于運(yùn)行狀態(tài)，一臺(tái)處于備用狀態(tài)，冷卻泵的功率為18kW，冷凍泵的功率為15kW。本案例該種中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率時(shí)間特性數(shù)據(jù)在表2以及表3中分別顯示。

考慮到不同的季節(jié)空調(diào)的時(shí)間使用量有很大差別，文章對(duì)7月份中央空調(diào)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)行研究。7月份正常工作時(shí)間為每天6小時(shí)，按照老式的系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，得出原來(lái)的用電量Q原=396千瓦時(shí)；通過(guò)表2中的數(shù)據(jù)我們可以得出改造后冷卻泵的用電量Q冷卻泵=64.84千瓦時(shí)；通過(guò)表3中的數(shù)據(jù)我們可以得出改造后冷凍泵的用電量Q冷凍泵=59.88千瓦時(shí)；系統(tǒng)的總用電量為Q改造總=249.44千瓦時(shí)；日節(jié)電量Q節(jié)電量=146.56千瓦時(shí)；最后通過(guò)計(jì)算得出節(jié)電率B=Q節(jié)電量/Q原*100%=37.%。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著中央空調(diào)在人們生活和工作中應(yīng)用的日益廣泛，老式中央空調(diào)系統(tǒng)耗能高與現(xiàn)代節(jié)能降耗的環(huán)保理念沖突日益明顯。文章通過(guò)對(duì)老式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行分析和改造，運(yùn)用溫度傳感設(shè)備進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)采集，進(jìn)而使冷卻泵和冷凍泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度能夠根據(jù)用戶的負(fù)荷進(jìn)行合理調(diào)整；運(yùn)用人機(jī)交互技術(shù)使系統(tǒng)具備一鍵式智能調(diào)控功能。最終改造形成智能節(jié)能的中央空調(diào)智能群控系統(tǒng)，使中央空調(diào)可以依據(jù)環(huán)境溫度的變化來(lái)自動(dòng)調(diào)整水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而在保證用戶需求的情況下有效降低用電量，同時(shí)減少了系統(tǒng)噪音。對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，結(jié)果顯示系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)定的節(jié)能目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]廖金寶，劉甫，孫帥帥，等.中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的全局優(yōu)化模型[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2009（16）.

[2]徐鳳平，嚴(yán)良文，李文，等.中央空調(diào)水系統(tǒng)變頻節(jié)能改造分析與實(shí)踐[J].自動(dòng)化儀表，2011（9）.

[3]溫志英，黃冠明，畢南楠，等.變頻技術(shù)在中央空調(diào)節(jié)能控制中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2005（2）.

[4]耿永軍，周軍，常立偉，等.空調(diào)節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理分析及應(yīng)用[J].科技信息，2012（12）.

[5]汪林飛，陳均云，盧懷玉.中央空調(diào)節(jié)能質(zhì)量的能效測(cè)試[J].科技展望，2016（16）.

[6]李俊.中央空調(diào)系統(tǒng)與多聯(lián)分體中央空調(diào)選用方案比較[J].大眾科技，2010（6）.