PLC與變頻器在中央空調系統節能系統的應用

摘要：隨著我國經濟建設的飛速發展，能源問題己成為國民經濟建設中的重要問題，我國城市中的新建建筑，大部分建筑能源利用率不到三成。因此，努力發展建筑節能特別是大型公用建筑節能己經成為我國建設資源節約型、環境友好型社會的重要內容。本文通過運用PLC與變頻器的控制系統，對某空調系統的節能改造達到節能、環保目的，具有重要的實踐意義。

關鍵詞：中央空調系統；可編程序控制器；變頻器

隨著我國經濟建設的飛速發展，能源問題己成為國民經濟建設中的重要問題，實現可持續發展已經上升為國家的重要戰略議題[1]。而建筑節能在需重點節能的行業中，僅次于工業節能而居第二位。我國大部分建筑由于設計、材料等各方面原因，對能源的利用率無法達到發達國家的標準，對建筑能耗的利用具有很大的可上升空間。據調查，國內各大城市中的新建建筑，大部分建筑能源利用率僅為33%左右。因此，努力發展建筑節能特別是大型公用建筑節能己經成為我國建設資源節約型、環境友好型社會的重要內容。將節約能源作為一項基本國策，大力發展建筑節能是實現我國可持續發展的重要舉措。

中央空調系統是現代大型建筑物不可缺少的配套設施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調系統都是按最大負載并增加一定余量設計，而實際上在一年中，滿負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載都在70%以下運行[2]。

隨著科技不斷發展，變頻技術的使用方法和場所日益廣泛，在中央空調系統中利用變頻器、可編程序控制器、溫度模塊、溫度傳感器、數模轉換模塊等器件的結合，通過自動控制系統，自動調節冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔的電機轉數來調節輸出流量，最終達到節能目的，在工程中具有實踐意義。

一、制冷空調系統如何節能

中央空調系統在設計的時候，設計人員是按照每年最大負荷設計并留有10%左右的余量來設計中央調系統，然而實際每年最大負荷使用時間最多只有十天左右，這就造成中央空調的系統總負荷在一年九成左右的時間都在較低負載一下運行。雖然大部分中央空調系統的主機可以隨著負載的變化自動調節能量，但與主機匹配的冷凍水泵系統、冷卻水系統、冷卻塔風機基本不能自動隨負載變化調節，長期在滿負荷情況下運行。還有冷卻水泵、冷凍水泵的裝機容量是取系統最大負荷在增大10%～20%的余量作為安全系數的，冷卻水系統、冷凍水系統長期處在大流量小溫差的工況下運行，這樣就造成了大量電量的浪費，對空調主機而言樣的運行環境也不是最佳狀態?？照{主機設備本身出廠時均帶有控制系統，在沒有配置統一的控制系統的情況下，這些設備獨立開停，不能和外部設備協調統一開停，或者是靠人按照經驗調整各個設備的開停順序和時間間隔；例如根據冷熱負荷自動選擇應該開停的主機臺數、水泵的臺數、冷卻塔開啟時間等，所以中央空調系統中的空調主機部分通常需要配置額外的自控系統。空調系統主要由制冷主機、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔組成。通過PLC控制系統，可以方便的對以上的設備進行控制。據統計，在負荷較低的中央空調系統中，冷凍水泵、冷卻水泵用電量就達到整個空調系統用電量的30%～40%。因此，對冷凍水、冷卻水系統的節能控制可以大幅節省能源消耗。根據流體力學原理，泵是一種平方轉矩負載，其轉速 n 與流量 Q， 揚程 H 及泵的軸功率 N 的關系如下式所示：

根據上面公式表明水泵的轉速越高流量越大，水泵的揚程越高，需要的轉速越大，水泵的功率與轉速的立方成正比關系。

式中：n：轉速；f：頻率；p：電機磁極對數；s：轉差率

由上式可知，要想改變水泵的轉速n，有三種方法可以達到。首先是改變頻率f，其次是改變電機磁極對數，最后是改變電機的轉差率。然而電機的磁極對數出廠就已經是固定的值，一般為四對，轉差率對同一臺水泵來說也是相同的，最容易改變的就是電機的頻率，我國的電源都是50赫茲工頻，通過減少水泵的輸入頻率，可以降低水泵的轉速，從而大幅減低水泵電機的功率。以水泵功率為35KW為例，水泵轉速為1450轉/分鐘。當通過改變頻率，將水泵的轉速降低為轉速的80%的情況下，其水泵功率為P=（11603/14503）×35KW=17.92kw，節省電量48.8%，如果繼續降低轉速到原轉速的1/2，節省電量為87.5%，但是過于降低轉速會造成冷卻水系統揚程降低，使冷卻塔布水器工作不正常，因此水泵的轉速不能過于降低，必須滿足冷卻水系統的基本要求。

二、案例分析

武漢光明牛奶廠房空調系統由兩臺500KW制冷量，漢鐘螺桿制冷主機RC 2620BZ并聯運行，輸入功率240KW。冷凍水泵和冷卻水泵各有2臺，型號均為GDX20024B，揚程16米，功率22KW，接管DN200無縫鋼管。均采用星三角轉換啟動，一用一備的方式運行。橫流式400噸冷卻塔1臺，風扇電機75KW。

奶制品發酵車間生產過程中產生較高溫度，如不進行降溫處理，不僅生產操作人員無法在廠房內工作，也會影響產品品質，所以只要生產在進行，必須實用中央空調給車間降溫。

根據本系統具體情況，主、備水泵切換的交流接觸器需要機械互鎖，避免切換時接觸器觸點粘連等異常情況導致可能瞬間兩個泵同時通電，而傷害變頻器。（KM1與KM2互鎖，KM3與KM4互鎖）。

制冷主機是螺桿式雙機頭冷水機，主機控制系統根據出冷凍水出水溫度自動加減載調節壓縮機功率。水泵及冷卻塔風機單獨人工開啟。水系統配置如圖2所示。

三、中央空調節能控制的方法及原理說明

水泵變頻節能改造需要用到PLC，因此還可以附帶的增加做一些其他功能，比如整個系統主機和水泵、冷卻塔聯動，短信報警，遠程控制等，讓系統更智能化，自動化。

（一）利用PLC控制系統與主機控制聯動，達到智能化或自動化

中央空調的制冷主機控制系統一般只能控制本機的開停，無法自動讓水泵提前開啟或滯后關閉，由于PLC控制變頻器只需要模擬量端口及少量I/O端口。剩余的I/O口可以給控制主機控制信號，也可以接收主機反饋過來的信號，這樣我們就可以實現聯動。比如，Q0.0可以控制主機的開停（連接主機設備提供的外接控制端口，或通過中間繼電器并聯間接發出控制信號。同樣I0.0可以接收主機反饋的信號），如此就可以實現聯動和智能化控制。

另外，根據需求可以增加GPRS DTU模塊，實現故障報警發送至指定手機以及實現手機或PC遠程監視和控制開停機、存檔溫度數據等。

（二）冷凍水泵的變頻控制

PLC控制器通過溫度模塊及溫度傳感器讀取空調機組的冷凍水系統進出口溫度，因水溫變化是一個緩慢的過程，采樣時間定為10秒一個周期。PLC計算出溫差，然后根據編寫的程序設定，當溫差小于4.8℃時，說明系統負荷較低，變頻器運行頻率下降，PLC每次調整0.5赫茲，降低冷凍水的循環速度和流量；當溫差大于5.2℃時，說明系統負荷大，應提高冷凍水泵的轉速，PLC每次調整0.5赫茲，增加冷凍水的流量和流速；當溫差在4.8～5.2℃時不調整變頻器的運行頻率，這樣通過控制冷凍水的流速，達到控制系統熱交換的速度，從而保證冷卻泵進出水的溫差恒定，實現節能運行。PLC控制器輸出610V電壓，控制冷凍泵變頻器30～50赫茲變化。

（三）冷卻水泵的變頻控制

各制冷主機系統都有個制冷劑最大壓縮比，當蒸發溫度確定時就可以確定最佳冷能壓力，恒定此壓縮比，制冷主機最節能。所以通過壓力，讓變頻器控制水泵運行，改變冷卻水流速，恒定冷凝壓力，達到冷凝系統節能，以及水泵節能。

為了確保主機的制冷效率最大，需要恒定壓差比，所以冷卻水泵變頻控制不宜依靠冷卻水進出口溫差控制。

具體方案如下：

冷卻水溫一般7～12℃，考慮到殼管式冷凝器的結構特點可取冷凝器傳熱溫差5～7℃，那么R22制冷系統蒸發溫度在0℃左右，對應的蒸發壓力5.0Bar，R22制冷系統最大功率時壓縮比是2.9，那么對應冷凝壓力14.5kg/cm3。當然，這是個理論估算值，由于冷凝器結垢，水流速變化等原因，該估值不一定精確。本系統配置了低壓傳感器，將系統穩定后的低壓平均值，再乘以2.9就可以得到合理高壓值了。

PLC+觸摸屏配對控制是個趨勢，不需要有機械按鈕等輸入部件。有了觸摸屏即可以顯示參數，還可以修改設定參數，圖形化界面，通俗易懂。水溫/壓力/頻率等參數實時顯示出來。

四、結語

通過本次對空調系統的改造，系統節電的效率上升，雖然一次性投資較大，但從經濟角度來看，按本地商業用電電價1.0元/KWH計算，每年可節約近5萬元，平均節能在百分之三十左右，改造一年左右即可收回成本。對中央空調系統來說，改造后冷凍水泵、冷卻水泵大部分的時間都在額定轉速以下工作，水泵的機械磨損、電機的噪音和震動都大為減小，水泵的使用壽命大幅增加，空調末端的溫度變化變得平穩，優化了空調系統的運行質量和環境。

參考文獻：

[1]陳文璇.PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用[J].中小企業管理與科技旬刊，2009（2）：227228.

[2]江億.我國建筑能耗趨勢與節能重點[J].建設科技，2006（7）：1015.

[3]李明海.中央空調水系統的優化控制與節能技術研究[J].西安建筑科技大學，2011（5）.

[4]洪善祥.變頻控制技術在中央空調系統中的應用[J].能源工程，2000（6）.

[5]胡雪梅，任艷艷.中央空調的變頻控制設計及節能分析[J].電機與控制應用，2011（07）.

[6]徐鳳平，嚴良文，李文，倪軍.中央空調水系統變頻節能改造分析與實踐[J].自動化儀表，2011（09）.

項目來源：武漢商學院校級科研項目 《建筑中央空調系統節能方法研究》（編號：2016KY001）

作者簡介：陳武（1977），男，漢族，本科，實驗師，研究方向：建筑環境與能源技術應用。