中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

文/王愛(ài)嶺

傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常情況下是以空調(diào)的最大負(fù)載為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其水系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)采用的是定流量和定風(fēng)量的運(yùn)行模式，因此，中央空調(diào)系統(tǒng)消耗了很大的電力能源。其中，最大的耗能部分來(lái)自冷水機(jī)組，除了冷負(fù)荷估算過(guò)大的原因外，還有冷水機(jī)組的工況受冷負(fù)荷的變化以及水系統(tǒng)的溫度變化的影響，一般情況下達(dá)不到最佳的工況，所以冷水機(jī)組節(jié)能的空間比較大。

1 中央空調(diào)的制冷原理

中央空調(diào)系統(tǒng)一般由制冷機(jī)組、冷水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)組成。將制冷系統(tǒng)分為直接制冷以及間接制冷系統(tǒng)兩種。主要區(qū)別在于：直接制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器與被制冷對(duì)象直接交換熱量，僅包括制冷回路；在間接制冷系統(tǒng)中，除制冷劑回路外，還有載冷劑回路。空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)是中央空調(diào)的重要組成部分，一般由冷水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)組成。冷水循環(huán)系統(tǒng)：通過(guò)冷水水泵將從制冷主機(jī)流出來(lái)的低溫冷水，輸送到風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)中去，將室內(nèi)的熱量吸收，這一過(guò)程，低溫冷水就變?yōu)榱烁邷乩渌?，高溫冷水重新進(jìn)入到冷水機(jī)組，與蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑進(jìn)行熱量交換，將獲得到的冷量輸送到風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)中，達(dá)到制冷的目的。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)主要由冷卻水泵、冷卻水管路和冷卻水塔組成。制冷機(jī)組在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，多余的廢熱需要通過(guò)冷卻水系統(tǒng)排到室外。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的主要作用就是將制冷機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的廢熱排到室外。風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)作為制冷系統(tǒng)的末端裝置，就是不斷的將室內(nèi)的空氣進(jìn)行循環(huán)，促使其與冷水系統(tǒng)重復(fù)的進(jìn)行熱交換，并且提供適量的新風(fēng)，滿足室內(nèi)的環(huán)境需要。

制冷原理：首先，壓縮機(jī)將常溫低壓制冷劑氣體壓縮成高溫的氣體制冷劑，經(jīng)過(guò)冷凝器到膨脹閥的制冷系統(tǒng)高壓側(cè)，這時(shí)候通過(guò)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)將高溫高壓的氣體制冷劑中的熱量吸收，制冷劑就會(huì)變?yōu)橐后w，之后，流出冷凝器，變?yōu)檫^(guò)冷液體。之后，高壓制冷劑通過(guò)節(jié)流裝置降低其壓力，從電子膨脹閥的出口到壓縮機(jī)的回氣口，過(guò)冷液體制冷劑通過(guò)膨脹閥時(shí)，由于節(jié)流作用由高壓降至低壓，外部無(wú)熱交換。同時(shí)，一小部分的液體制冷劑在被汽化的過(guò)程中，溫度就會(huì)降低，之后進(jìn)入到蒸發(fā)器中進(jìn)行吸熱，這個(gè)過(guò)程就是空調(diào)的制冷過(guò)程。常溫水在冷凍水泵的作用下，被帶入到蒸發(fā)器的盤管中，在制冷劑的作用下，常溫水的溫度就會(huì)降低，為空調(diào)提供冷源。降溫后的冷水被送到冷卻盤管中，將盤管周圍的熱量吸收掉，之后將產(chǎn)生的低溫空氣送到室內(nèi)，達(dá)到降溫的目的。

2 中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)中央空調(diào)系統(tǒng)的水系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)采用恒流和恒風(fēng)量的運(yùn)行模式，而且系統(tǒng)的大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷條件下工作，導(dǎo)致浪費(fèi)電能。對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用變流量水系統(tǒng)和變風(fēng)量系統(tǒng)是當(dāng)前中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的有效措施。

2.1 系統(tǒng)硬件的組成

本設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要包括：PAC、觸摸屏、熱電偶、AI模塊等。在一般的控制系統(tǒng)應(yīng)用中，PLC和IPC的應(yīng)用比較廣泛，但二者在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的不足，PLC的可靠性比較高，但是快速的數(shù)據(jù)處理能力不足；IPC的數(shù)據(jù)處理能力比較高，但是穩(wěn)定性不足。鑒于此，本設(shè)計(jì)采用的是PAC控制器，作為一種新型的控制器，PAC控制引擎比較輕便，而且提供了多功能的開發(fā)工具。PAC的軟邏輯內(nèi)核通過(guò)后臺(tái)運(yùn)行，可以和其它的應(yīng)用程序同時(shí)并存，集實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)庫(kù)功能為一體，實(shí)現(xiàn)多功能的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用的是ADAM-5550KW型控制器，同時(shí)具備PLC的可靠性能以及PC的運(yùn)算性能。具有分散控制、模擬測(cè)量的多種功能。AI模塊采用的是16位、8通道的差分輸入模塊，主要是接受不同的信號(hào)，由于信息形式以及范圍的不同，因此，需要通過(guò)編程設(shè)置來(lái)滿足實(shí)際的工作要求。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)節(jié)能控制軟件主要包括上位機(jī)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)控制軟件主要由Modbus通信、數(shù)據(jù)采集、格式轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、監(jiān)控畫面等功能。下位機(jī)控制軟件主要由信號(hào)采集、處理以及PID控制算法組成。通過(guò)Modbus通信來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。

上位機(jī)程序主要包括通信的實(shí)現(xiàn)、監(jiān)控界面的實(shí)現(xiàn)、參數(shù)顯示、曲線顯示等功能。由于PAC內(nèi)存有限，在界面的設(shè)計(jì)中，界面和數(shù)據(jù)采集線程都會(huì)占用內(nèi)存，為了防止出現(xiàn)內(nèi)存不足，導(dǎo)致運(yùn)行緩慢或者死機(jī)的情況，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求是關(guān)某個(gè)運(yùn)行的界面被關(guān)閉以后，其相應(yīng)占有的內(nèi)存就會(huì)被釋放，而且其它界面的運(yùn)行也不會(huì)受到影響，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用了打開即分配，關(guān)閉即釋放的策略，即以實(shí)際的工作狀況為前提，打開一個(gè)界面，就為該界面的通信線程及控件進(jìn)行內(nèi)存的分配，滿足工作需要，關(guān)閉界面時(shí)，就會(huì)進(jìn)行內(nèi)存的釋放，有效的實(shí)現(xiàn)了PAC的內(nèi)存動(dòng)態(tài)管理，為系統(tǒng)更好的運(yùn)行提供了基礎(chǔ)。

下位機(jī)程序主要包括信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、處理、控制算法的實(shí)現(xiàn)等，主要采集的信號(hào)是冷水的進(jìn)、出水溫度，冷卻水的進(jìn)、出水溫度，房間溫度信號(hào)等，由于存在噪聲干擾，需要采用中值濾波和平均值濾波結(jié)合的方式來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，這樣得到的值與傳感器的顯示值差別小。上位機(jī)與下位機(jī)程序之間的轉(zhuǎn)換通過(guò)Modbus/TCP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般是通過(guò)ADAM-5550KW系列控制器的以太網(wǎng)端口來(lái)支持Modbus/TCP的服務(wù)器功能。目前來(lái)看，Modbus是工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的協(xié)議，許多的工業(yè)設(shè)備，比如：PLC、智能儀表等都通過(guò)Modbus協(xié)議作為通訊標(biāo)準(zhǔn)。不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備通過(guò)Modbus協(xié)議就可以組成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，便于集中控制。

2.3 空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制方案

2.3.1 冷水系統(tǒng)節(jié)能方案

本系統(tǒng)采用的冷開利30HXC200型冷水機(jī)組具有變冷負(fù)荷運(yùn)行的能力，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)冷卻負(fù)荷的變化而調(diào)節(jié)冷卻水流量，將蒸發(fā)器的制冷能力進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，該系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)可變流量系統(tǒng)。在實(shí)際的工作過(guò)程中，冷負(fù)荷是不斷變化的，在這個(gè)方案中，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，變頻器就會(huì)調(diào)節(jié)冷水泵的運(yùn)行速度，冷水流量隨著冷負(fù)荷的變化而調(diào)節(jié)，在不同的冷負(fù)荷條件下工作。為了保證蒸發(fā)器側(cè)的冷水流量最小，可以在在旁通管上加裝旁路閥，滿足實(shí)際工況需求。冷水變流量系統(tǒng)常用的控制方法是定溫差法和定壓差法。在實(shí)際的運(yùn)用中，定溫差法的操作比較簡(jiǎn)單，施工的復(fù)雜程度也比較小。此外，由于

冷水系統(tǒng)的負(fù)荷與壓差的直接關(guān)系不大，因此壓差不能準(zhǔn)確的來(lái)反映出空調(diào)的負(fù)荷變化。此外，由于系統(tǒng)只包含一個(gè)終端設(shè)備，而恒溫差控制方法能夠更準(zhǔn)確地反映空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷變化，所以采用定溫差控制方法是合理的。

2.3.2 冷卻水節(jié)能控制方案

冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制的原則是在滿足空調(diào)負(fù)荷的基礎(chǔ)上，將冷水流量最大限度的降低，以此來(lái)減少對(duì)電能的消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)是冷卻水系統(tǒng)的主要組成部分，這兩個(gè)部分在系統(tǒng)中承擔(dān)不同的作用，其中，冷卻水的流量需要通過(guò)冷卻水泵調(diào)節(jié)，冷卻水的回水溫度則需要冷卻塔風(fēng)機(jī)來(lái)控制。一般情況下，通過(guò)溫差控制法和冷凝溫度控制法來(lái)調(diào)節(jié)冷卻水的變流量。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，如果冷卻水泵的功率與冷水機(jī)組的功率比值大于10%的話，那么選擇冷凝溫度控制法的節(jié)能效果更明顯，需要注意的是，冷凝溫度控制法要求冷卻水的回水溫度范圍為18-25℃，如果在夏天外界溫度高的情況下，需要通過(guò)冷卻塔的噴淋來(lái)滿足溫度需要。

2.4 風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)節(jié)能控制方案

通過(guò)中央空調(diào)的工作原理可知，冷水系統(tǒng)在冷水泵的作用下將攜帶的冷量輸送到風(fēng)機(jī)盤管中去，與盤管內(nèi)的室內(nèi)熱量進(jìn)行交換，再由盤管風(fēng)機(jī)將冷風(fēng)送到室內(nèi)，達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣的目的。通過(guò)盤管系統(tǒng)的工作原理，直接控制低溫空氣的流量可以達(dá)到節(jié)能的目的。傳統(tǒng)的恒風(fēng)量空調(diào)制冷系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)末端的冷負(fù)荷變大或者變小，風(fēng)機(jī)盤管的送風(fēng)量是不變的，就造成了電能的浪費(fèi)。采用變風(fēng)量系統(tǒng)，可以根據(jù)冷負(fù)荷的大小來(lái)調(diào)整送風(fēng)量，起到節(jié)能的作用?？梢栽陲L(fēng)機(jī)末端安裝變頻器，在空調(diào)控制的房間內(nèi)安裝溫度傳感器，更加精確的測(cè)量溫度，通過(guò)比較設(shè)定溫度值與實(shí)際監(jiān)測(cè)到的溫度值，由變頻器來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制送風(fēng)量，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

冷水機(jī)組是中央空調(diào)系統(tǒng)最耗能的部分，實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組的節(jié)能處理是空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的關(guān)鍵。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該從冷水機(jī)組的控制電路板以及信號(hào)控制方面入手，分析冷水機(jī)組的耗能原因，設(shè)計(jì)最佳的節(jié)能方案，達(dá)到節(jié)能控制要求。