中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究

徐莉君 張勝

摘 要：首先對中央空調(diào)用能現(xiàn)狀進(jìn)行說明，對系統(tǒng)用能部分進(jìn)行了解，對影響系統(tǒng)制冷效率的因素進(jìn)行分析；再采用計(jì)算機(jī)、PLC、觸摸屏、變頻器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等各種設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，然后對可編程邏輯控制器進(jìn)行系統(tǒng)編程，用組態(tài)軟件對系統(tǒng)進(jìn)行上位組態(tài)；最后給出實(shí)際案例節(jié)能情況分析。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；變頻；節(jié)能；模糊控制；組態(tài)；節(jié)電率

目前全國電力供求矛盾突出，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。為了保證中央空調(diào)系統(tǒng)有較高的運(yùn)行效率和較好的運(yùn)行狀態(tài)，如何提高中央空調(diào)主機(jī)、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔、末端風(fēng)機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行效率，降低其能耗是當(dāng)務(wù)之急。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)用能概況

1.1 中央空調(diào)系統(tǒng)用能現(xiàn)狀及分析

現(xiàn)如今全國中央空調(diào)系統(tǒng)耗電量占社會總用電量20%左右，占建筑總能耗的30%～60%。

在我國南方，通過國家制冷學(xué)會的大量調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，每年空調(diào)制冷開機(jī)時(shí)間為10～12個(gè)月，其不同月份和每天不同時(shí)段的負(fù)荷情況也不一樣，如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，40%以下負(fù)載量在1月、2月、3月、4月、11月和12月出現(xiàn)；70%～40%負(fù)載量在5月、10月出現(xiàn)；100%～70%負(fù)載量在6月、7月、8月、9月出現(xiàn)；由此可見一年中系統(tǒng)負(fù)載率在50%以下的時(shí)間占全部運(yùn)行時(shí)間的50%以上，節(jié)能空間巨大，對中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施節(jié)能控制，具有現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)的意義。

1.2 影響制冷效率的主要因素

影響中央空調(diào)系統(tǒng)制冷效率的主要因素有環(huán)境因素、機(jī)組因素、人為因素。

1.2.1 環(huán)境因素

環(huán)境因素是多變的，針對這種特性，可以采用中央空調(diào)自適應(yīng)變頻節(jié)能系統(tǒng)。

1.2.2 機(jī)組因素

冷凝器銅管結(jié)垢，蒸發(fā)器銅管結(jié)油，干燥過濾器堵塞，制冷劑太少，膨脹閥開啟度不對等。當(dāng)冷凝器換熱不良時(shí)，冷凝壓力就會升高，此時(shí)冷卻效率會降低，為達(dá)到同樣的冷卻量，耗電量就會上升。針對這種因素的特征，可以采用中央空調(diào)冷凝器在線清洗裝置。

2 節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)理論

2.1.1 節(jié)能系統(tǒng)優(yōu)化控制

中央空調(diào)系統(tǒng)具有多干擾、多變量、大慣性、大時(shí)延等特點(diǎn)。針對這一特點(diǎn)，將空調(diào)設(shè)備采用的先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、模糊控制技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)集成在一起，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的智能模糊控制，在保障空調(diào)效果舒適性的前提下，使設(shè)備高效運(yùn)行，以利于能源的綜合利用，最大化地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2.1.2 風(fēng)機(jī)水泵變頻節(jié)能

以水泵為例，水泵是傳送流體的裝置，其負(fù)載消耗的能量與流量成立方比的關(guān)系。如果采用改變設(shè)備轉(zhuǎn)速的方式調(diào)節(jié)流量，流量下降時(shí)，電量消耗將以三次方的比例下降。在保證流量需求的前提下，采用變頻調(diào)速的方式來調(diào)節(jié)流量，可以大大降低電力能量的消耗，以達(dá)到節(jié)能目的。

所以變頻調(diào)速是中央空調(diào)主要的節(jié)能技術(shù)之一。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 風(fēng)機(jī)水泵變頻節(jié)能設(shè)計(jì)

為使循環(huán)水量與主機(jī)負(fù)荷變化同步調(diào)節(jié)，采用成熟的變頻調(diào)速技術(shù)對水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻塔散熱系統(tǒng)進(jìn)行改造，是降低中央空調(diào)系統(tǒng)能耗的較好解決方案。

（1）冷凍循環(huán)水系統(tǒng)的控制方案：采用冷凍進(jìn)出水溫度、溫差、壓力等參數(shù)控制，將冷凍進(jìn)出水溫差控制在4.5℃～5℃，如圖3所示。

（2）冷卻水系統(tǒng)的控制方案：采用冷卻進(jìn)出水溫度、溫差及冷卻塔環(huán)境溫、濕度等參數(shù)控制（實(shí)時(shí)根據(jù)主機(jī)負(fù)載，調(diào)整變頻器的輸出頻率來改變冷卻水流量，從而穩(wěn)定溫差），將冷卻水的進(jìn)出水溫差控制在4.5℃～5℃，如圖4所示。

（3）冷卻塔散熱系統(tǒng)改造措施：主機(jī)冷卻水進(jìn)入冷卻塔后，通過冷卻塔風(fēng)機(jī)的作用將冷卻水的熱量散發(fā)到大氣，從而降低冷卻水溫度，再進(jìn)入空調(diào)主機(jī)冷凝器吸收熱量。冷卻塔環(huán)境傳感器檢測冷卻塔環(huán)境溫度、濕度等，送入冷卻塔控制柜的PLC計(jì)算出溫差，與設(shè)定值相比較后，經(jīng)模糊控制，自動(dòng)調(diào)整冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)，使冷卻水出水溫度達(dá)到設(shè)定值范圍。冷卻塔出水溫度設(shè)定值通常為28℃，如圖5所示。

2.2.2 中央空調(diào)節(jié)能優(yōu)化控制措施

全局尋優(yōu)節(jié)能必須采用在較短的時(shí)間內(nèi)完成在線控制方式，由此分兩步實(shí)施控制過程是較為合適的。

（1）對系統(tǒng)內(nèi)的各耗能單元，如冷（熱）循環(huán)水、冷卻循環(huán)水等做作局部獨(dú)立的閉環(huán)節(jié)能控制。局部優(yōu)化控制是全局尋優(yōu)控制的基礎(chǔ)，局部優(yōu)化控制的效果用水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)表征，這些水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的取值應(yīng)落在有利于全局優(yōu)化節(jié)能的數(shù)值范圍之內(nèi)。

（2）進(jìn)行全局節(jié)能尋優(yōu)控制。全局尋優(yōu)宜選擇對系統(tǒng)綜合能耗有重要影響的水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)作為控制對象，控制對象的數(shù)量不宜過多；優(yōu)化節(jié)能的目標(biāo)值宜適度；應(yīng)避免系統(tǒng)控制過程波動(dòng)過大不穩(wěn)定。

全局尋優(yōu)節(jié)能按最優(yōu)化原理和方法進(jìn)行，目標(biāo)函數(shù)為全系統(tǒng)總功耗P（X），X是多維向量，其分量為各水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，尋優(yōu)目標(biāo)是目標(biāo)函數(shù)P（X）小于或等于某個(gè)設(shè)定值。

2.3 系統(tǒng)組態(tài)

通過使用工控組態(tài)軟件對節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的“在線監(jiān)視”“在線控制”“參數(shù)設(shè)置”“節(jié)能效果”“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”“歷史數(shù)據(jù)”，如圖6和圖7所示。

3 結(jié)束語

冷凍水泵降低流量、降低轉(zhuǎn)速運(yùn)行節(jié)能改造后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(bǔ)償。這一觀點(diǎn)在工程實(shí)踐中得到了證明。節(jié)能改造后會因?yàn)闊嶝?fù)載的熱量等于流量、溫差、比熱三者的乘積，在中央空調(diào)中，冷凍水泵和冷卻水泵的目的是輸送能量，在恒流量運(yùn)行的系統(tǒng)里，流量不變，但溫差卻是隨熱負(fù)載減少而減少的。在變流量運(yùn)行的系統(tǒng)里，降低流量增加溫差只要使這個(gè)乘積保持不變，也就是使熱負(fù)載相同就可以保證冷凍循環(huán)水（或冷卻水）帶走的熱量相同，可以滿足使用要求。由于乘積保持不變，對主機(jī)來說做的功是相同的，工控沒有改變，主機(jī)當(dāng)然不會增加耗能。

參考文獻(xiàn)

[1]張承維.變頻調(diào)速技術(shù)用于中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能[D].貴州大學(xué)，2008.

[2]朱明杰.空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略[D].同濟(jì)大學(xué)，2007.