中央空調(diào)教學(xué)設(shè)備改造與應(yīng)用

黃錦旺　劉向勇

摘要：當(dāng)前中央空調(diào)教學(xué)控制系統(tǒng)較為落后，為了適應(yīng)教學(xué)和技能鑒定要求，對其進(jìn)行了智能化改造。采用由變頻器、PLC、觸摸屏、傳感器等組成的溫差閉環(huán)控制系統(tǒng)，使壓縮機(jī)、冷凍水泵和冷卻水泵能隨空調(diào)負(fù)荷、室內(nèi)溫度的變化而自動變速運行，大大優(yōu)化了系統(tǒng)的運行質(zhì)量，達(dá)到了顯著的節(jié)能效果。同時增加觸摸屏，設(shè)計適合技能鑒定的組態(tài)界面，實時進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，實現(xiàn)考試功能。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào);觸摸屏;PLC;變頻器

中圖分類號：TU831.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0258—03

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中央空調(diào)系統(tǒng)成為大型公共建筑的必備設(shè)施。但是，中央空調(diào)的耗能非常大，尤其是夏天，耗電量占建筑能耗的50%以上，因此，如何降低中央空調(diào)耗能，成為研究的熱點問題。如陳建昌對冷凍機(jī)房節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析;李建維對中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能運行優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了深入研究;劉憲英對中央空調(diào)能耗現(xiàn)狀與節(jié)能途徑進(jìn)行詳細(xì)探討;余錫華對基于中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能開展了認(rèn)真思考;孫照寅、李嘉樂等對南京新城大廈二期空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能改造實踐。

某院制冷專業(yè)擁有一臺大型中央空調(diào)教學(xué)設(shè)備，該設(shè)備主要由450t冷氣主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、冷凍風(fēng)機(jī)等部件組成。此設(shè)備購買時間較早，控制系統(tǒng)相對落后，在實際教學(xué)過程中，需要頻繁啟動，不僅使空調(diào)電動機(jī)、接觸器等主要部件的使用壽命大大下降，增加保養(yǎng)和維護(hù)工作量以及成本，同時，頻繁地啟動也造成耗能的大量消耗。另外，該院承擔(dān)制冷上崗證的培訓(xùn)鑒定工作，在進(jìn)行技能考核時，需要對中央空調(diào)進(jìn)行手動控制和考證計時，現(xiàn)有的設(shè)備無法滿足。綜合考慮以上因素，對學(xué)院舊有的中央空調(diào)教學(xué)設(shè)備進(jìn)行改造，從而實現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)更新、改善教學(xué)效果、促進(jìn)節(jié)能環(huán)保，同時滿足技能鑒定需要。

1改造方案分析

根據(jù)改造功能要求以及改造成本限制，在實施之前設(shè)計了3種改造方案。（1）通過變頻器、PLC、溫度傳感器等構(gòu)成負(fù)反饋閉環(huán)自動控制，根據(jù)負(fù)載大小，通過溫度偏差反饋信號，自動調(diào)整水泵、壓縮機(jī)的運行頻率，無需人工操作，控制精度高。（2）根據(jù)制冷主機(jī)負(fù)載量調(diào)整啟動時間，當(dāng)負(fù)載比較小時，可以自動控制中央空調(diào)啟停，間歇開機(jī)運行。此方案也存在一定的弊端，例如主機(jī)電動機(jī)再次啟動瞬間，主機(jī)負(fù)荷較大，瞬間耗電量激增，無法從根本上達(dá)到省電目的，而且溫度高低不斷變化，人體體感較差。（3）通過改變水閥門的開度來控制流量。采用此方法如果控制效果不好，會引起冷凍水末端壓力偏低，也可能引起冷卻水流量偏小，造成冷卻水散熱不夠，經(jīng)測試，此方法達(dá)不到節(jié)能效果。綜合考慮，此次改造采用方案（1），同時在改造后的設(shè)備上安裝觸摸屏，仿真中央空調(diào)的運行過程，確保教師能夠形象講解中央空調(diào)原理和組成，且滿足技能鑒定的需要。方案（1）技術(shù)支撐已經(jīng)非常成熟，雖然一次性投入資金較大，但可以實現(xiàn)非常好的節(jié)能效果，與改造的初衷和需求完全吻合，課題組在多次驗證仿真基礎(chǔ)上選擇了方案（1）。

2改造實施過程

中央空調(diào)系統(tǒng)運行過程是能量轉(zhuǎn)換以及熱交換過程。中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍泵、冷卻泵的裝機(jī)容量需設(shè)計安全系數(shù)，一般系統(tǒng)最大負(fù)荷110%～120%作為安全系統(tǒng)上限。傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水、冷卻水循環(huán)用電相對較高，尤其在冷凍主機(jī)低負(fù)荷運行時，可達(dá)整個系統(tǒng)用電30%～40%。因此，在中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造時，對冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行自動控制是比較流行的一種手段。

本次改造所需購置零部件名稱、數(shù)量、型號等如表1所示。

改造方案：利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊等組成溫差閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，對中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制;變頻器的啟停、頻率調(diào)節(jié)等負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行，手/自動切換、手動頻率設(shè)置由PLC主機(jī)進(jìn)行控制;變頻器用三菱FR-A700-2.2K-CH，控制系統(tǒng)所需輸入輸出I/O點數(shù)為輸入24點、輸出24點，同時需要預(yù)留部分輸入輸出口，以備后續(xù)使用。結(jié)合可靠性和價格等綜合因素，本次選用的PLC為三菱FX2N-48MR;模擬量輸出是一個4通道D/A轉(zhuǎn)換模塊，每個通道均可以單獨設(shè)置電壓或電流輸出，輸出精確度較高。

教學(xué)用中央空調(diào)改造后的系統(tǒng)控制如圖1所示。

室內(nèi)溫度傳感器模塊將所測室溫數(shù)據(jù)通過溫度數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊傳輸給PLC主機(jī)控制器內(nèi)存，與設(shè)定的溫度進(jìn)行對比，計算出溫度偏差;根據(jù)偏差值控制變頻器的轉(zhuǎn)速，對出水流量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，熱交換速度快慢得到控制;偏差大，代表環(huán)境溫度過高，中央空調(diào)負(fù)荷比較大，此時應(yīng)提高冷凍泵轉(zhuǎn)速，冷凍水流量加大，循環(huán)速度提高，系統(tǒng)的熱交換速度就會相應(yīng)加快，環(huán)境溫度快速降低;反之若偏差較小，代表環(huán)境溫度較低，則自動減小上述設(shè)備動作，以減小能耗，節(jié)約電能。系統(tǒng)的冷凍機(jī)組正常運行時，冷卻水在終端和冷卻塔間循環(huán)，冷卻泵和冷凝器之間循環(huán)，如此進(jìn)行不斷循環(huán)，從而實現(xiàn)熱交換。如果冷卻水進(jìn)水和出水之間的溫差過大，則說明冷凍機(jī)此時的負(fù)荷較大，說明有較多的熱量需要冷卻水帶走，此時冷卻泵的轉(zhuǎn)速就應(yīng)該加大，提升冷卻水循環(huán)速度;如果冷卻水進(jìn)水和出水之間的溫差較小，則說明冷凍機(jī)負(fù)荷小，需冷卻水帶走的熱量也比較小，此時就應(yīng)該降低冷卻泵轉(zhuǎn)速，減小冷卻水循環(huán)速度，以節(jié)約電能。

為滿足空調(diào)實訓(xùn)教學(xué)、制冷技能鑒定需求，本次改造同時開發(fā)出針對教學(xué)和技能鑒定的組態(tài)控制界面，如圖2所示。此系統(tǒng)包含主界面、監(jiān)控界面、考試界面及參數(shù)設(shè)置界面等，各界面之間可以實時切換。主界面可實時顯示系統(tǒng)各設(shè)備運行情況以及各水泵、壓縮機(jī)運行頻率等信息。

改造后的中央空調(diào)教學(xué)設(shè)備主要分為手動模式、考試模式和自動模式3個模式。在教學(xué)過程中，老師可以手動對中央空調(diào)進(jìn)行分步起動，可分別對每一個組成部件進(jìn)行詳細(xì)介紹和講解;在考評中，系統(tǒng)程序會自動把全部負(fù)載都斷開，從而避免了負(fù)載的頻繁操作引起系統(tǒng)故障。進(jìn)行技能鑒定時，只要考生按要求的正確順序啟動，界面對應(yīng)的指示燈就會點亮。如果操作順序錯誤，則觸摸屏上會提示考評員扣分。在觸摸屏考試界面中，還可以對考生的考試時間進(jìn)行設(shè)定，界面顯示倒計時;在節(jié)能環(huán)保功能中，利用PLC、變頻器、溫度模塊和溫度傳感器通過溫差閉環(huán)控制，使壓縮機(jī)、冷凍水泵和冷卻水泵能隨空調(diào)負(fù)荷、室內(nèi)溫度的變化而自動變速運行，同時可用觸摸屏對中央空調(diào)各項參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控和調(diào)整，從而大大優(yōu)化了該中央空調(diào)系統(tǒng)的運行質(zhì)量，達(dá)到了顯著的節(jié)能效果。

3結(jié)束語

通常情況下，學(xué)校購買的教學(xué)設(shè)備需要使用10年左右，但是在科技日新月異的今天，5年技術(shù)就已經(jīng)煥然一新，而學(xué)校又不可能每年購置新設(shè)備。因此，對現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)升級改造，是一個解決矛盾的有效方法。對落后的教學(xué)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)革新，不僅可以提高設(shè)備的使用率和使用年限，也為學(xué)校節(jié)約了投資成本，同時對教師技術(shù)提升也能起到有效促進(jìn)作用。

本文通過實踐證明，此次中央空調(diào)教學(xué)設(shè)備的改造達(dá)到了預(yù)期目的，提高了專業(yè)課教學(xué)效果，改進(jìn)了技能鑒定手段，達(dá)到了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。