PLC與變頻器在中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，能源問(wèn)題己成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要問(wèn)題，我國(guó)城市中的新建建筑，大部分建筑能源利用率不到三成。因此，努力發(fā)展建筑節(jié)能特別是大型公用建筑節(jié)能己經(jīng)成為我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的重要內(nèi)容。本文通過(guò)運(yùn)用PLC與變頻器的控制系統(tǒng)，對(duì)某空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造達(dá)到節(jié)能、環(huán)保目的，具有重要的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)系統(tǒng)；可編程序控制器；變頻器

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，能源問(wèn)題己成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)上升為國(guó)家的重要戰(zhàn)略議題[1]。而建筑節(jié)能在需重點(diǎn)節(jié)能的行業(yè)中，僅次于工業(yè)節(jié)能而居第二位。我國(guó)大部分建筑由于設(shè)計(jì)、材料等各方面原因，對(duì)能源的利用率無(wú)法達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)建筑能耗的利用具有很大的可上升空間。據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)各大城市中的新建建筑，大部分建筑能源利用率僅為33%左右。因此，努力發(fā)展建筑節(jié)能特別是大型公用建筑節(jié)能己經(jīng)成為我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的重要內(nèi)容。將節(jié)約能源作為一項(xiàng)基本國(guó)策，大力發(fā)展建筑節(jié)能是實(shí)現(xiàn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

中央空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì)，而實(shí)際上在一年中，滿負(fù)載下運(yùn)行最多只有十多天，甚至十多個(gè)小時(shí)，幾乎絕大部分時(shí)間負(fù)載都在70%以下運(yùn)行[2]。

隨著科技不斷發(fā)展，變頻技術(shù)的使用方法和場(chǎng)所日益廣泛，在中央空調(diào)系統(tǒng)中利用變頻器、可編程序控制器、溫度模塊、溫度傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊等器件的結(jié)合，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔的電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)輸出流量，最終達(dá)到節(jié)能目的，在工程中具有實(shí)踐意義。

一、制冷空調(diào)系統(tǒng)如何節(jié)能

中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員是按照每年最大負(fù)荷設(shè)計(jì)并留有10%左右的余量來(lái)設(shè)計(jì)中央調(diào)系統(tǒng)，然而實(shí)際每年最大負(fù)荷使用時(shí)間最多只有十天左右，這就造成中央空調(diào)的系統(tǒng)總負(fù)荷在一年九成左右的時(shí)間都在較低負(fù)載一下運(yùn)行。雖然大部分中央空調(diào)系統(tǒng)的主機(jī)可以隨著負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)能量，但與主機(jī)匹配的冷凍水泵系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)基本不能自動(dòng)隨負(fù)載變化調(diào)節(jié)，長(zhǎng)期在滿負(fù)荷情況下運(yùn)行。還有冷卻水泵、冷凍水泵的裝機(jī)容量是取系統(tǒng)最大負(fù)荷在增大10%～20%的余量作為安全系數(shù)的，冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)長(zhǎng)期處在大流量小溫差的工況下運(yùn)行，這樣就造成了大量電量的浪費(fèi)，對(duì)空調(diào)主機(jī)而言樣的運(yùn)行環(huán)境也不是最佳狀態(tài)。空調(diào)主機(jī)設(shè)備本身出廠時(shí)均帶有控制系統(tǒng)，在沒(méi)有配置統(tǒng)一的控制系統(tǒng)的情況下，這些設(shè)備獨(dú)立開(kāi)停，不能和外部設(shè)備協(xié)調(diào)統(tǒng)一開(kāi)停，或者是靠人按照經(jīng)驗(yàn)調(diào)整各個(gè)設(shè)備的開(kāi)停順序和時(shí)間間隔；例如根據(jù)冷熱負(fù)荷自動(dòng)選擇應(yīng)該開(kāi)停的主機(jī)臺(tái)數(shù)、水泵的臺(tái)數(shù)、冷卻塔開(kāi)啟時(shí)間等，所以中央空調(diào)系統(tǒng)中的空調(diào)主機(jī)部分通常需要配置額外的自控系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)主要由制冷主機(jī)、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔組成。通過(guò)PLC控制系統(tǒng)，可以方便的對(duì)以上的設(shè)備進(jìn)行控制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在負(fù)荷較低的中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水泵、冷卻水泵用電量就達(dá)到整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)用電量的30%～40%。因此，對(duì)冷凍水、冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能控制可以大幅節(jié)省能源消耗。根據(jù)流體力學(xué)原理，泵是一種平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速 n 與流量 Q， 揚(yáng)程 H 及泵的軸功率 N 的關(guān)系如下式所示：

根據(jù)上面公式表明水泵的轉(zhuǎn)速越高流量越大，水泵的揚(yáng)程越高，需要的轉(zhuǎn)速越大，水泵的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比關(guān)系。

式中：n：轉(zhuǎn)速；f：頻率；p：電機(jī)磁極對(duì)數(shù)；s：轉(zhuǎn)差率

由上式可知，要想改變水泵的轉(zhuǎn)速n，有三種方法可以達(dá)到。首先是改變頻率f，其次是改變電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，最后是改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。然而電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)出廠就已經(jīng)是固定的值，一般為四對(duì)，轉(zhuǎn)差率對(duì)同一臺(tái)水泵來(lái)說(shuō)也是相同的，最容易改變的就是電機(jī)的頻率，我國(guó)的電源都是50赫茲工頻，通過(guò)減少水泵的輸入頻率，可以降低水泵的轉(zhuǎn)速，從而大幅減低水泵電機(jī)的功率。以水泵功率為35KW為例，水泵轉(zhuǎn)速為1450轉(zhuǎn)/分鐘。當(dāng)通過(guò)改變頻率，將水泵的轉(zhuǎn)速降低為轉(zhuǎn)速的80%的情況下，其水泵功率為P=（11603/14503）×35KW=17.92kw，節(jié)省電量48.8%，如果繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速到原轉(zhuǎn)速的1/2，節(jié)省電量為87.5%，但是過(guò)于降低轉(zhuǎn)速會(huì)造成冷卻水系統(tǒng)揚(yáng)程降低，使冷卻塔布水器工作不正常，因此水泵的轉(zhuǎn)速不能過(guò)于降低，必須滿足冷卻水系統(tǒng)的基本要求。

二、案例分析

武漢光明牛奶廠房空調(diào)系統(tǒng)由兩臺(tái)500KW制冷量，漢鐘螺桿制冷主機(jī)RC 2620BZ并聯(lián)運(yùn)行，輸入功率240KW。冷凍水泵和冷卻水泵各有2臺(tái)，型號(hào)均為GDX20024B，揚(yáng)程16米，功率22KW，接管DN200無(wú)縫鋼管。均采用星三角轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，一用一備的方式運(yùn)行。橫流式400噸冷卻塔1臺(tái)，風(fēng)扇電機(jī)75KW。

奶制品發(fā)酵車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生較高溫度，如不進(jìn)行降溫處理，不僅生產(chǎn)操作人員無(wú)法在廠房?jī)?nèi)工作，也會(huì)影響產(chǎn)品品質(zhì)，所以只要生產(chǎn)在進(jìn)行，必須實(shí)用中央空調(diào)給車(chē)間降溫。

根據(jù)本系統(tǒng)具體情況，主、備水泵切換的交流接觸器需要機(jī)械互鎖，避免切換時(shí)接觸器觸點(diǎn)粘連等異常情況導(dǎo)致可能瞬間兩個(gè)泵同時(shí)通電，而傷害變頻器。（KM1與KM2互鎖，KM3與KM4互鎖）。

制冷主機(jī)是螺桿式雙機(jī)頭冷水機(jī)，主機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)出冷凍水出水溫度自動(dòng)加減載調(diào)節(jié)壓縮機(jī)功率。水泵及冷卻塔風(fēng)機(jī)單獨(dú)人工開(kāi)啟。水系統(tǒng)配置如圖2所示。

三、中央空調(diào)節(jié)能控制的方法及原理說(shuō)明

水泵變頻節(jié)能改造需要用到PLC，因此還可以附帶的增加做一些其他功能，比如整個(gè)系統(tǒng)主機(jī)和水泵、冷卻塔聯(lián)動(dòng)，短信報(bào)警，遠(yuǎn)程控制等，讓系統(tǒng)更智能化，自動(dòng)化。

（一）利用PLC控制系統(tǒng)與主機(jī)控制聯(lián)動(dòng)，達(dá)到智能化或自動(dòng)化

中央空調(diào)的制冷主機(jī)控制系統(tǒng)一般只能控制本機(jī)的開(kāi)停，無(wú)法自動(dòng)讓水泵提前開(kāi)啟或滯后關(guān)閉，由于PLC控制變頻器只需要模擬量端口及少量I/O端口。剩余的I/O口可以給控制主機(jī)控制信號(hào)，也可以接收主機(jī)反饋過(guò)來(lái)的信號(hào)，這樣我們就可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。比如，Q0.0可以控制主機(jī)的開(kāi)停（連接主機(jī)設(shè)備提供的外接控制端口，或通過(guò)中間繼電器并聯(lián)間接發(fā)出控制信號(hào)。同樣I0.0可以接收主機(jī)反饋的信號(hào)），如此就可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)和智能化控制。

另外，根據(jù)需求可以增加GPRS DTU模塊，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警發(fā)送至指定手機(jī)以及實(shí)現(xiàn)手機(jī)或PC遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制開(kāi)停機(jī)、存檔溫度數(shù)據(jù)等。

（二）冷凍水泵的變頻控制

PLC控制器通過(guò)溫度模塊及溫度傳感器讀取空調(diào)機(jī)組的冷凍水系統(tǒng)進(jìn)出口溫度，因水溫變化是一個(gè)緩慢的過(guò)程，采樣時(shí)間定為10秒一個(gè)周期。PLC計(jì)算出溫差，然后根據(jù)編寫(xiě)的程序設(shè)定，當(dāng)溫差小于4.8℃時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)負(fù)荷較低，變頻器運(yùn)行頻率下降，PLC每次調(diào)整0.5赫茲，降低冷凍水的循環(huán)速度和流量；當(dāng)溫差大于5.2℃時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)負(fù)荷大，應(yīng)提高冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，PLC每次調(diào)整0.5赫茲，增加冷凍水的流量和流速；當(dāng)溫差在4.8～5.2℃時(shí)不調(diào)整變頻器的運(yùn)行頻率，這樣通過(guò)控制冷凍水的流速，達(dá)到控制系統(tǒng)熱交換的速度，從而保證冷卻泵進(jìn)出水的溫差恒定，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。PLC控制器輸出610V電壓，控制冷凍泵變頻器30～50赫茲變化。

（三）冷卻水泵的變頻控制

各制冷主機(jī)系統(tǒng)都有個(gè)制冷劑最大壓縮比，當(dāng)蒸發(fā)溫度確定時(shí)就可以確定最佳冷能壓力，恒定此壓縮比，制冷主機(jī)最節(jié)能。所以通過(guò)壓力，讓變頻器控制水泵運(yùn)行，改變冷卻水流速，恒定冷凝壓力，達(dá)到冷凝系統(tǒng)節(jié)能，以及水泵節(jié)能。

為了確保主機(jī)的制冷效率最大，需要恒定壓差比，所以冷卻水泵變頻控制不宜依靠冷卻水進(jìn)出口溫差控制。

具體方案如下：

冷卻水溫一般7～12℃，考慮到殼管式冷凝器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可取冷凝器傳熱溫差5～7℃，那么R22制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度在0℃左右，對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力5.0Bar，R22制冷系統(tǒng)最大功率時(shí)壓縮比是2.9，那么對(duì)應(yīng)冷凝壓力14.5kg/cm3。當(dāng)然，這是個(gè)理論估算值，由于冷凝器結(jié)垢，水流速變化等原因，該估值不一定精確。本系統(tǒng)配置了低壓傳感器，將系統(tǒng)穩(wěn)定后的低壓平均值，再乘以2.9就可以得到合理高壓值了。

PLC+觸摸屏配對(duì)控制是個(gè)趨勢(shì)，不需要有機(jī)械按鈕等輸入部件。有了觸摸屏即可以顯示參數(shù)，還可以修改設(shè)定參數(shù)，圖形化界面，通俗易懂。水溫/壓力/頻率等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的改造，系統(tǒng)節(jié)電的效率上升，雖然一次性投資較大，但從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，按本地商業(yè)用電電價(jià)1.0元/KWH計(jì)算，每年可節(jié)約近5萬(wàn)元，平均節(jié)能在百分之三十左右，改造一年左右即可收回成本。對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，改造后冷凍水泵、冷卻水泵大部分的時(shí)間都在額定轉(zhuǎn)速以下工作，水泵的機(jī)械磨損、電機(jī)的噪音和震動(dòng)都大為減小，水泵的使用壽命大幅增加，空調(diào)末端的溫度變化變得平穩(wěn)，優(yōu)化了空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和環(huán)境。

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項(xiàng)目來(lái)源：武漢商學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目 《建筑中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方法研究》（編號(hào)：2016KY001）

作者簡(jiǎn)介：陳武（1977），男，漢族，本科，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：建筑環(huán)境與能源技術(shù)應(yīng)用。