摘要：本文祥細(xì)介紹了PLC和變頻器對中央空調(diào)進行節(jié)能改造的原理及節(jié)能效果的顯著性和可行性。

關(guān)鍵詞：PLC 變頻器 中央空調(diào) 節(jié)能改造

1 概述

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，而實際上在一年中，滿負(fù)載下運行最多只有十多天，甚至十多個小時，幾乎絕大部分時間負(fù)載都在70%以下運行。通常中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機的負(fù)荷能隨季節(jié)氣溫變化自動調(diào)節(jié)負(fù)載，而與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷凍泵卻不能自動調(diào)節(jié)負(fù)載，幾乎長期在100%負(fù)載下運行，造成了能量的極大浪費，也惡化了中央空調(diào)的運行環(huán)境和運行質(zhì)量。利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，能有效地達(dá)到節(jié)能目的。其節(jié)能效率通常都在40%以上。下面以某一大型酒店為例進行分析。

2 節(jié)能改造的可行性分析

現(xiàn)場情況：

某一大型酒店有二臺中央空調(diào)主機，水泵系統(tǒng)有:冷卻水泵3臺，電機容量：18.5KW；電機負(fù)荷率：90%；進出水溫差：4~5℃;開機方式：二開一備；進出管形式：并聯(lián)；冷凍水泵3臺，電機容量：22KW；電機負(fù)荷率：90%；進出水溫差：4~5℃；開機方式：二開一備；進出管形式：并聯(lián)。

2.1 中央空調(diào)系統(tǒng)

中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過程是一個不斷進行能量轉(zhuǎn)換以及熱交換的過程。其理想運行狀態(tài)是：在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，在冷凍泵的作用下冷凍水流經(jīng)冷凍主機，在蒸發(fā)器進行熱交換，被吸熱降溫后（7℃）被送到終端盤管風(fēng)機或空調(diào)風(fēng)機，經(jīng)表冷器吸收空調(diào)室內(nèi)空氣的熱量升溫后（12℃），再由冷凍泵送到主機蒸發(fā)器形成閉合循環(huán)。在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，在冷卻泵的作用下冷卻水流經(jīng)冷凍機，在冷凝器吸熱升溫后（37℃）被送到冷卻塔，經(jīng)風(fēng)扇散熱后（32℃）再由冷卻泵送到主機，形成循環(huán)。在這個過程里，冷凍水、冷卻水作為能量傳遞的載體，在冷凍泵、冷卻泵得到動能不停地循環(huán)在各自的管道系統(tǒng)里，不斷地將室內(nèi)的熱量經(jīng)冷凍機的作用，由冷卻塔排出。如圖一所示。在中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，冷凍泵、冷卻泵的裝機容量是取系統(tǒng)最大負(fù)荷再增加10%—20%余量作為設(shè)計安全系數(shù)。據(jù)統(tǒng)計，在傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水、冷卻水循環(huán)用電約占系統(tǒng)用電的12%—24%，而在冷凍主機低負(fù)荷運行時，冷卻水、冷凍水循環(huán)用電就達(dá)30%—40%。因此，實施對冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的能量自動控制是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造及自動控制的重要組成部分。

2.2 泵的特性分析與節(jié)能原理 泵是一種平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，揚程H及泵的軸功率N的關(guān)系如下式所示：

Q₁=Q₂(n₁/n₂)，H₁=H₂(n₁/n₂)²，n₁=n₂(n₁/n₂)³(1-1)

上式表明，泵的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，泵的揚程與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，泵的軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)電動機驅(qū)動泵時，電動機的軸功率P(kw)可按下式計算:

P=ρQH/η_cη_F×10-2 (1-2)

式中：P：電動機的軸功率（KW）；Q：流量（m3/s）；ρ：液體的密度（Kg/m-2）；η_c：傳動裝置效率；η_F：泵的效率；H：全揚程（m）。

調(diào)節(jié)流量的方法：

如圖二所示，曲線1是閥門全部打開時，供水系統(tǒng)的阻力特性；曲線2是額定轉(zhuǎn)速時，泵的揚程特性。這時供水系統(tǒng)的工作點為A點：流量Q_A，揚程H_A；由（1-2）式可知電動機軸功率與面積OQ_AAH_A成正比。今欲將流量減少為Q_B，我們采用：閥門開度不變，降低轉(zhuǎn)速的方法，這時揚程特性曲線如曲線4所示，工作點移至C點：流量為Q_B，但揚程為H_c，電動機的軸功率與面積OQ_BCH_c成正比。如此看出，采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法調(diào)節(jié)流量，電動機所用的功率將大為減小，是一種能夠顯著節(jié)約能源的方法。

根據(jù)異步電動機原理：n=60f/p(1-s) (1-3)

式中：n:轉(zhuǎn)速f:頻率p:電機磁極對數(shù)s:轉(zhuǎn)差率

由（1－3）式可見，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速有3種方法，改變頻率、改變電機磁極對數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率。在以上調(diào)速方法中，變頻調(diào)速性能最好，調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運行效率高。因此改變頻率而改變轉(zhuǎn)速的方法最方便有效。根據(jù)以上分析，結(jié)合酒店中央空調(diào)的運行特征，利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊和溫度傳感器等組成溫差閉環(huán)自動控制，對中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)進行節(jié)能改造是切實可行的較完善的高效節(jié)能方案。

3 節(jié)能改造的具體方案

3.1 變頻節(jié)能控制原理(見圖三)

3.1.1 對冷凍泵進行變頻改造 控制原理說明如下：PLC控制器通過溫度模塊及溫度傳感器將冷凍機的回水溫度和出水溫度讀入控制器內(nèi)存，并計算出溫差值；然后根據(jù)冷凍機的回水與出水的溫差值來控制變頻器的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)出水的流量，控制熱交換的速度；溫差大，說明室內(nèi)溫度高系統(tǒng)負(fù)荷大，應(yīng)提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)速度和流量，加快熱交換的速度；反之溫差小，則說明室內(nèi)溫度低，系統(tǒng)負(fù)荷小，可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度和流量，減緩熱交換的速度以節(jié)約電能；

3.1.2 對冷卻泵進行變頻改造 由于冷凍機組運行時，其冷凝器的熱交換量是由冷卻水帶到冷卻塔散熱降溫，再由冷卻泵送到冷凝器進行不斷循環(huán)的。冷卻水進水出水溫差大，說明冷凍機負(fù)荷大，需冷卻水帶走的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，加大冷卻水的循環(huán)量；溫差小，則說明，冷凍機負(fù)荷小，需帶走的熱量小，可降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減小冷卻水的循環(huán)量，以節(jié)約電能。

3.2 變頻主電路控制原理 根據(jù)現(xiàn)場具體情況，冷凍水泵及冷卻水泵均采用兩用一備的方式運行，因備用泵轉(zhuǎn)換時間與空調(diào)主機轉(zhuǎn)換時間一致，將冷凍水泵和冷卻水泵電機的主備切換控制利用原有電器設(shè)備，通過電磁開關(guān)、人機界面進行電氣和機械互鎖。確保每臺水泵只能由一臺變頻器拖動，避免兩臺變頻器同時拖動同一臺水泵造成交流短路事故；并且每臺變頻器任何時間只能拖動一臺水泵，以免一臺變頻器同時拖動兩臺水泵而過載。冷凍水泵與冷卻水泵一次原理圖（見圖四）：（冷凍水泵與冷卻水泵相同）

3.3 系統(tǒng)主要設(shè)備(見表一)

3.4 本系統(tǒng)主要特點 采用進口的日本OMRON變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊和溫度傳感器等構(gòu)成溫差閉環(huán)自動控制，根據(jù)負(fù)載輕重自動調(diào)整水泵的運行頻率，實現(xiàn)最大限度的節(jié)能運行。亦可根據(jù)具體需要選用其他型號的產(chǎn)品。以軟啟動變頻器取代Y－△降壓啟動，降低了啟動電流對供電設(shè)備的沖擊，減少了振動及噪音，延長了設(shè)備維修周期和使用壽命。采用人機界面對系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)定、監(jiān)控等，方便操作人員對系統(tǒng)的操作、檢查。系統(tǒng)還具有各種保護措施，使系統(tǒng)安全可靠地運行。

3.5 關(guān)于冷凍水末端壓力問題 冷凍水泵降低流量降低轉(zhuǎn)速運行，人們擔(dān)心會不會影響供水末端壓力不足，導(dǎo)致缺水現(xiàn)象，實際上，由于轉(zhuǎn)速降低雖然會使水泵供水壓力降低，然而管道特性的壓力損失也會隨流量減少而減少，即需要的壓力也會減少，供水壓力與轉(zhuǎn)速的二次方成比例降低，需要壓力（管道損失）則與流量的二次方成比例減少，二者可以相互補償。而在人機界面上可以設(shè)定變頻器上下限頻率，于避免水泵轉(zhuǎn)速太小對水壓造成影響。

4 節(jié)電效果分析

如果將冷凍水、冷卻水運行溫差適當(dāng)提高，例如提高30%，則流量可以降低23.08%，亦即轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的0.7692，電機功率將為負(fù)荷值的0.76923=0.455，節(jié)能率為54.5%，我們以30%計算。中央空調(diào)全年運行，如電價每KW.h為1元。則每年節(jié)約電費為：電機容量×運行臺數(shù)×負(fù)荷率×節(jié)能率×每年運行時間×電價；冷凍水泵：22KW×2臺×90%×30%×8760h×1元/KW.h=104，068元；冷卻水泵：18.5KW×2臺×90%×30%×8760h×1元/KW.h=87，512元；每年節(jié)約電費為：104068元/年+87512元/年=191580元人民幣。

5 投資回報

投資（進口）：中央空調(diào)變頻節(jié)能改造 總投資為：149990元人民幣。中央空調(diào)變頻節(jié)能技術(shù)改造后，每年節(jié)約電費191，580元人民幣。投資回收期為：總投資÷年節(jié)電款，即：0.8（年）。也就是說設(shè)備運行10個月即可收回投資。如果酒店的中央空調(diào)系統(tǒng)進行變頻改造后，每年可節(jié)約費用約為191，580萬元人民幣。節(jié)能改造工程總投資為：149，990萬元人民幣，設(shè)備運行10個月即可收回投資成本。

6 結(jié)論

雖然一次性投資較大，但從長遠(yuǎn)的經(jīng)濟利益來看是值得的。這里我們也借鑒了其它一些酒店改造的經(jīng)驗和實際效果，進一步驗正了利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等組成的溫差閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，對中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造是可行的?？梢赃_(dá)到我們當(dāng)初設(shè)計的預(yù)期效果。

7 結(jié)束語

在科技日新月異的今天，積極推廣高新技術(shù)的應(yīng)用，對落后的設(shè)備生產(chǎn)工藝進行技術(shù)革新，不僅可以提高生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。對節(jié)能、環(huán)保等社會效益同樣有著重要的意義。

參考資料：

[1]李岱森主編.空氣調(diào)節(jié).中國建筑工業(yè)出版社.

[2]劉守操主編.可編程序控制器與變頻技術(shù).廣東省電工技能鑒定所.