PLC與變頻器在中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造中的應(yīng)用

◎吳廷鑫

PLC與變頻器在中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造中的應(yīng)用

◎吳廷鑫

通常在現(xiàn)代建筑的耗電總量中，中央空調(diào)的耗電量要占其較大一部分的比重。因此，研究中央空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)節(jié)能改造技術(shù)，不管是對(duì)建筑的用電優(yōu)化還是對(duì)社會(huì)節(jié)能來說，都有著長(zhǎng)遠(yuǎn)而重要的意義。在本文中，筆者首先介紹了中央空調(diào)的原理以及其主要設(shè)備PLC與變頻器的特性。然后通過具體的實(shí)例來說明，應(yīng)用PLC與變頻器，能夠使中央空調(diào)在極大程度上降低能耗。希望通過本文能對(duì)我國節(jié)能減排相關(guān)研究事業(yè)有借鑒作用。

目前，我們國家有許多大型建筑在空調(diào)建設(shè)過程中，都會(huì)采用中央空調(diào)系統(tǒng)。但是由于該系統(tǒng)自身?xiàng)l件以及使用條件的限制，造成了空調(diào)能耗非常高的情況。這不管是對(duì)于企業(yè)降低建筑成本，還是國家節(jié)能損耗來說，都是有不利之處的。國內(nèi)很多建筑中使用的中央空調(diào)系統(tǒng)的配置與其自身使用量和用戶需求量相比較而言，往往過高，比如我們?cè)谝话闾鞖庵性谑褂每照{(diào)的時(shí)候，往往耗費(fèi)程度都比較低，而一年中只會(huì)有那么幾天的極端情況才能讓空調(diào)在最大負(fù)荷下使用，但是空調(diào)系統(tǒng)的機(jī)組和水泵等配置過高，如此就會(huì)造成水泵增大能耗還有惡化空調(diào)機(jī)組的情況產(chǎn)生。因此，對(duì)空調(diào)水循環(huán)進(jìn)行改造，勢(shì)必要通過降低中央空調(diào)機(jī)組的耗電量來進(jìn)行。接下來我們將對(duì)其進(jìn)行具體分析。

中央空調(diào)系統(tǒng)概述

空調(diào)系統(tǒng)，是指通過人為的方法，對(duì)室內(nèi)空氣濕度、溫度、潔凈程度以及氣流速度進(jìn)行處理的系統(tǒng)，它的主要組成部分包括了空調(diào)機(jī)組、水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)、末端系統(tǒng)以及散熱系統(tǒng)。制冷機(jī)通過壓縮機(jī)壓縮制冷劑轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w并傳送到冷凝器中后，然后與冷卻水之間完成熱交換。冷卻水經(jīng)熱交換被加熱，通過水泵將高溫水傳送到散熱系統(tǒng)中，再來通過散熱系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行降溫處理，然后繼續(xù)進(jìn)行與外界環(huán)境的換熱，最后將熱量釋放至環(huán)境中。制冷劑經(jīng)過冷凝器被凝成液態(tài)狀，被節(jié)流閥節(jié)流降壓，然后再蒸發(fā)器中同冷凍水進(jìn)行換熱工作以使冷凍水降溫。冷凍水降溫后，水泵將冷水送至各個(gè)空調(diào)末端來為用戶供冷。同時(shí)制冷劑又蒸發(fā)成為氣態(tài)，然后吸入到壓縮機(jī)當(dāng)中。如此一來，空調(diào)系統(tǒng)就完成了一個(gè)循環(huán)。

中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能機(jī)制

中央空調(diào)系統(tǒng)中水泵、風(fēng)機(jī)和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系： 水泵和風(fēng)機(jī)，其流量（或風(fēng)量）隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加；水泵和風(fēng)機(jī)，其壓力（或揚(yáng)程）隨著轉(zhuǎn)速增加而增加，與轉(zhuǎn)速的平方成正比；水泵和風(fēng)機(jī)的軸功率，等于流量×壓力；

由上述三點(diǎn)我們可以得出，水泵和風(fēng)機(jī)的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方為一個(gè)正比例關(guān)系，即是指水泵和風(fēng)機(jī)的軸功率與電源頻率的三次方保持正比關(guān)系。由此可知，若是改變水泵和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，我們就可以改變其功率。

圖1

在設(shè)計(jì)中央空調(diào)系統(tǒng)的時(shí)候，通常是按照其環(huán)境最大需冷量在進(jìn)行考慮，同時(shí)冷卻泵和冷凍泵又是依據(jù)單臺(tái)設(shè)備的一個(gè)最大工況進(jìn)行參照。在這種設(shè)計(jì)下，致使至少有90%的時(shí)間里面，冷凍泵和冷卻泵都處在一個(gè)低承載的環(huán)境中進(jìn)行其工作。在這種情況下，如果對(duì)于工作系統(tǒng)還使用自動(dòng)閥門來調(diào)節(jié)，不僅不能減少損失，這種間歇性的空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，還會(huì)造成空調(diào)系統(tǒng)的不平穩(wěn)，其工作始終會(huì)處在一個(gè)忽高忽低的波動(dòng)狀態(tài)。但是若使用變頻器對(duì)風(fēng)量進(jìn)行控制，由圖1我們就可以看出，它能節(jié)約大量的電能。通過變頻器在冷卻泵與冷凍泵上的使用，可以很大程度地減少節(jié)流損失，同時(shí)它還能通過自身具備的控制功能，非?？茖W(xué)的對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。除此之外，變頻器的軟性啟動(dòng)功能和平滑調(diào)速功能，還能使空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一定的自我穩(wěn)定，并通過這種方式，保護(hù)空調(diào)機(jī)組，延長(zhǎng)使用壽命。

PLC與變頻器的優(yōu)勢(shì)

下面，我們了解一下變頻器及其重要配合器件PLC（可編程控制器）的特性。接下來我們將作介紹。

變頻器。變頻器通過改變電源頻率，進(jìn)一步去改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，其形成的改變通常都比較均勻平滑。一般情況下，變頻下較多的被運(yùn)用在異步電動(dòng)機(jī)中，發(fā)揮其自身優(yōu)勢(shì)，起到對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的良好作用。同時(shí)變壓器的軟性啟動(dòng)功能，能使電流啟動(dòng)在一定程度上降低對(duì)供電設(shè)備所產(chǎn)生的沖擊性，并減少振動(dòng)和噪音。

PLC。PLC是一種新型的可編程控制器，它主要被應(yīng)用在工業(yè)系統(tǒng)中。同傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)使用相比較而言，PLC具備了通用性更好、接線更加方便簡(jiǎn)單、適配性強(qiáng)等硬件優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其功能也更加豐富，可以通過編程的方式完成大多數(shù)的控制工作。不僅如此，PLC在使用過程中也占據(jù)很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，其使用過程中很少出現(xiàn)接觸不良或者電弧損壞等情況，如此一來，就能最大程度保證使用壽命的長(zhǎng)度。最后是PLC的定時(shí)范圍和功能、體積和耗能等，都優(yōu)于繼電器工作。

PLC與變頻器在中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能中的改造應(yīng)用實(shí)例

實(shí)例描述。本例以某商貿(mào)大廈的空調(diào)系統(tǒng)為背景。該大廈的中央空調(diào)系統(tǒng)選用的是一次水泵，其泵電機(jī)定速工作，回供水溫差在3℃左右，原使用繼電器工作控制水泵。

該大廈選擇空調(diào)機(jī)組型號(hào)運(yùn)輸是以極端天氣和最差狀態(tài)為參考而設(shè)置，能滿足空調(diào)運(yùn)行的最大需求。但是其實(shí)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行通常處于普通水準(zhǔn)，一年之中最多就一周時(shí)間才會(huì)用到系統(tǒng)設(shè)備的最高程度。大廈原來的空調(diào)系統(tǒng)常年在這種高配置低需求的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，造成了大量的能源浪費(fèi)情況，同時(shí)，水泵原本的非軟性開啟模式，增大了電機(jī)開啟時(shí)的電流，嚴(yán)重干擾到供電系統(tǒng)的工作，因而進(jìn)一步的發(fā)生水錘的情況。日積月累的，不管是空調(diào)系統(tǒng)的機(jī)組，還是零件閥門等，都會(huì)在一定程度上受到損害威脅，不利于其后期的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

因此，我們?cè)谶@里探討和研究，如何通過變頻來使空調(diào)水系統(tǒng)更加有效地進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行，減少系統(tǒng)的不必要能源損耗。首先，變頻器可以控制水泵轉(zhuǎn)速，讓水量隨負(fù)荷改變而作出適應(yīng)性的改變，從而節(jié)約能量；然后，變頻的軟性啟動(dòng)方式，阻擋了電機(jī)開啟時(shí)被電流沖擊的力量，保護(hù)電機(jī)的同時(shí)也防止了水錘，進(jìn)一步的延長(zhǎng)了空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)器件的使用壽命。

表1 空調(diào)系統(tǒng)原有的設(shè)備相關(guān)信息

節(jié)能改造方案

首先要根據(jù)大廈原本的情況來改造其空調(diào)水循環(huán)，如圖2所示為原空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的詳細(xì)信息。

原冷凍水泵和冷卻水泵的功率分別是57kW和79kW，與其空調(diào)機(jī)組配置情況相比，功率稍大。因此，為保證在系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，我們需要改造其水系統(tǒng)的相關(guān)配置。

冷凍水和冷卻水的系統(tǒng)控制，同時(shí)都應(yīng)該應(yīng)用定溫度差的控制形式，這種方式適用于泵恒流量改造中，能平衡控制冷凍水和冷卻水溫度差，維持在4.5～5℃。使用溫度傳感器去測(cè)供和回水溫度并得出結(jié)果，然后使用數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊將該結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳送至PLC進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，再參考計(jì)算的結(jié)果以控制變頻器，此時(shí)便能夠根據(jù)控制水泵轉(zhuǎn)速來進(jìn)行水流量調(diào)節(jié)工作。供水和回水之間的溫差能夠較好的反應(yīng)其負(fù)荷的具體情況，若溫差大，就增加水泵頻率和水流量循環(huán)量；反之，則應(yīng)該降低水泵頻率和循環(huán)水流量。

空調(diào)系統(tǒng)的所有水泵轉(zhuǎn)速都需要通過變頻器來控制。系統(tǒng)工作正常情況下，水泵就在30Hz至50Hz之間變頻運(yùn)行；若變頻控制系統(tǒng)發(fā)生任何異常狀況時(shí)，再來啟動(dòng)原本的控制電路，讓水泵得以定頻工作。變頻狀態(tài)時(shí)，有自動(dòng)、手動(dòng)兩種調(diào)頻方式，調(diào)節(jié)變化量均為0.5Hz。

節(jié)能改造系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這里對(duì)冷凍水泵改造進(jìn)行分析：M1的旁通接觸器為接觸器KM3，若KM3處于接通狀態(tài)，則可啟用原本水泵控制電路，保證水泵正常運(yùn)行，M1的變頻接觸器為KM1。分別應(yīng)用繼電器電路和PLC去控制旁路接觸器和兩臺(tái)水泵變頻接觸器，同時(shí)旁路接觸器以及變頻接觸器之間有電路互鎖。

圖2 M1電氣控制原理

圖3 冷凍水泵控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

使用兩個(gè)溫度傳感器去測(cè)量控制部分的進(jìn)水和出水溫度并得出結(jié)果，然后使用A/D轉(zhuǎn)換模塊將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送給PLC，PLC對(duì)這些數(shù)字量進(jìn)行信息計(jì)算，隨后將計(jì)算的結(jié)果通過調(diào)速D/A模塊進(jìn)行再次轉(zhuǎn)換，最后通過轉(zhuǎn)換的模擬量來對(duì)變頻器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。若是進(jìn)水和出水之間溫差較大，就調(diào)大水泵轉(zhuǎn)速，反之則調(diào)下轉(zhuǎn)速。如此便可恒定溫差，從而達(dá)到最終的節(jié)能目標(biāo)。

節(jié)能效果評(píng)估。根據(jù)我們前面對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能原理中三條比例關(guān)系的分析，并結(jié)合水泵在不同頻率時(shí)刻節(jié)能率，經(jīng)過應(yīng)用變頻器調(diào)速，節(jié)能工作取得了十分顯著的效果。

隨著大型建筑項(xiàng)目的增加，中央空調(diào)系統(tǒng)也越來越被廣泛應(yīng)用。在享受它帶來好處的同時(shí)，我們也思考其耗能方面的缺陷，試圖用更好的方式改造節(jié)能系統(tǒng)。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)和分析，證明將PLC與變頻器使用進(jìn)中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造中，大有益處。希望未來這項(xiàng)技術(shù)能更多更廣泛的被運(yùn)用，為社會(huì)節(jié)約更多能源。

（作者單位：鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院；鄭州市電子信息工程學(xué)校）