中央空調系統節能技術研究

徐莉君 張勝

摘 要：首先對中央空調用能現狀進行說明，對系統用能部分進行了解，對影響系統制冷效率的因素進行分析；再采用計算機、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備進行系統硬件設計，然后對可編程邏輯控制器進行系統編程，用組態軟件對系統進行上位組態；最后給出實際案例節能情況分析。

關鍵詞：中央空調；變頻；節能；模糊控制；組態；節電率

目前全國電力供求矛盾突出，環境污染問題日益嚴重。為了保證中央空調系統有較高的運行效率和較好的運行狀態，如何提高中央空調主機、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔、末端風機等設備的運行效率，降低其能耗是當務之急。

1 中央空調系統用能概況

1.1 中央空調系統用能現狀及分析

現如今全國中央空調系統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，通過國家制冷學會的大量調查數據顯示，每年空調制冷開機時間為10～12個月，其不同月份和每天不同時段的負荷情況也不一樣，如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，40%以下負載量在1月、2月、3月、4月、11月和12月出現；70%～40%負載量在5月、10月出現；100%～70%負載量在6月、7月、8月、9月出現；由此可見一年中系統負載率在50%以下的時間占全部運行時間的50%以上，節能空間巨大，對中央空調系統實施節能控制，具有現實和長遠的意義。

1.2 影響制冷效率的主要因素

影響中央空調系統制冷效率的主要因素有環境因素、機組因素、人為因素。

1.2.1 環境因素

環境因素是多變的，針對這種特性，可以采用中央空調自適應變頻節能系統。

1.2.2 機組因素

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

2 節能系統設計

2.1 設計理論

2.1.1 節能系統優化控制

中央空調系統具有多干擾、多變量、大慣性、大時延等特點。針對這一特點，將空調設備采用的先進的計算機技術、模糊控制技術、系統集成技術和變頻調速技術集成在一起，實現中央空調系統運行的智能模糊控制，在保障空調效果舒適性的前提下，使設備高效運行，以利于能源的綜合利用，最大化地實現節能。

2.1.2 風機水泵變頻節能

以水泵為例，水泵是傳送流體的裝置，其負載消耗的能量與流量成立方比的關系。如果采用改變設備轉速的方式調節流量，流量下降時，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，采用變頻調速的方式來調節流量，可以大大降低電力能量的消耗，以達到節能目的。

所以變頻調速是中央空調主要的節能技術之一。

2.2 系統設計

2.2.1 風機水泵變頻節能設計

為使循環水量與主機負荷變化同步調節，采用成熟的變頻調速技術對水循環系統、冷卻塔散熱系統進行改造，是降低中央空調系統能耗的較好解決方案。

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

（2）冷卻水系統的控制方案：采用冷卻進出水溫度、溫差及冷卻塔環境溫、濕度等參數控制（實時根據主機負載，調整變頻器的輸出頻率來改變冷卻水流量，從而穩定溫差），將冷卻水的進出水溫差控制在4.5℃～5℃，如圖4所示。

（3）冷卻塔散熱系統改造措施：主機冷卻水進入冷卻塔后，通過冷卻塔風機的作用將冷卻水的熱量散發到大氣，從而降低冷卻水溫度，再進入空調主機冷凝器吸收熱量。冷卻塔環境傳感器檢測冷卻塔環境溫度、濕度等，送入冷卻塔控制柜的PLC計算出溫差，與設定值相比較后，經模糊控制，自動調整冷卻塔風機的運行臺數，使冷卻水出水溫度達到設定值范圍。冷卻塔出水溫度設定值通常為28℃，如圖5所示。

2.2.2 中央空調節能優化控制措施

全局尋優節能必須采用在較短的時間內完成在線控制方式，由此分兩步實施控制過程是較為合適的。

（1）對系統內的各耗能單元，如冷（熱）循環水、冷卻循環水等做作局部獨立的閉環節能控制。局部優化控制是全局尋優控制的基礎，局部優化控制的效果用水系統運行參數表征，這些水系統運行參數的取值應落在有利于全局優化節能的數值范圍之內。

（2）進行全局節能尋優控制。全局尋優宜選擇對系統綜合能耗有重要影響的水系統運行參數作為控制對象，控制對象的數量不宜過多；優化節能的目標值宜適度；應避免系統控制過程波動過大不穩定。

全局尋優節能按最優化原理和方法進行，目標函數為全系統總功耗P（X），X是多維向量，其分量為各水系統運行參數，尋優目標是目標函數P（X）小于或等于某個設定值。

2.3 系統組態

通過使用工控組態軟件對節能系統進行上位機組態，從而實現中央空調節能系統的“在線監視”“在線控制”“參數設置”“節能效果”“實時數據”“歷史數據”，如圖6和圖7所示。

3 結束語

冷凍水泵降低流量、降低轉速運行節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。這一觀點在工程實踐中得到了證明。節能改造后會因為熱負載的熱量等于流量、溫差、比熱三者的乘積，在中央空調中，冷凍水泵和冷卻水泵的目的是輸送能量，在恒流量運行的系統里，流量不變，但溫差卻是隨熱負載減少而減少的。在變流量運行的系統里，降低流量增加溫差只要使這個乘積保持不變，也就是使熱負載相同就可以保證冷凍循環水（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，對主機來說做的功是相同的，工控沒有改變，主機當然不會增加耗能。

參考文獻

[1]張承維.變頻調速技術用于中央空調系統節能[D].貴州大學，2008.

[2]朱明杰.空調冷凍水系統的運行控制策略[D].同濟大學，2007.