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【摘 要】中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。而在绿色节能理念不断深入的今天，对PLC在中央空调系统节能改造中应用要点的研究探讨就显得尤其重要。
【关键词】PLC；中央空调；节能改造；应用
1、中央空调系统的运行和节能原理
1.1、中央空调系统概述
空调系统主要由空调机组、水系统、风系统、末端系统和散热系统组成。制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成高温高压的气体后送到冷凝器中与冷却水进行热交换，冷却水被加热，水泵将高温水送到散热系统，由散热系统对其降温，与外界环境进行换热，将热量释放到环境中去。制冷剂经冷凝器被冷凝成液态，通过节流阀节流降压后，在蒸发器中与冷冻水换热，冷冻水被降温，水泵将冷水送到各空调末端，为用户供冷。制冷剂蒸发成气态后被吸入压缩机，完成一个循环。
1.2、空调水系统变水量调节原理
空调水系统变水量调节的原理可以用能量守恒定理表述为：
式中：q为系统冷负荷；C为水的比热容；Q为冷水流量；Δt为送、回水温差，一般取5℃。由式中可以看出，在空调水系统中，可根据实际负荷的大小来调整水流量或供、回水温差。在进行水系统设计时，q、C、Δt为确定值，所以，水流量Q也被确定，水系统就是按这些值进行设备选型。当系统实际运行时，q成为一独立参数，与室外气象条件和室内热源等许多因素有关。如果改变供、回水温度差Δt，维持流量Q不发生变化，则形成定流量系统。如果维持供、回水溫度差Δt不发生变化，而变动水流量Q，则成为变流量系统。合理变流量系统，供、回水温差恒定，水量与负荷呈线性相关关系，此时可以考虑使用变频水泵。
1.3、水泵变频节能原理
中央空调的水系统主要是完成热量交换的循环水系统。一般对水流量的调节是通过阀门和挡板的开度开控制的，因此，许多的电能会浪费在阀门与挡板的阻力上；若换成变频系统，把消耗在阀和隔板的电能省下来，泵节能效果就很明显。所以，采用变频技术来控制水泵的运行，是中央空调节能改造的有效途径之一。
2、系统应用及功能分析
2.1、冷水机组的应用及功能
冷水机组为整个系统提供冷源。冷冻水循环系统通过冷水机组后，将循环水水温降低。然后通过冷冻水泵、集水器供给空调末端。由于冷水机组的发展已经趋于成熟。为了满足不同冷量的需求，在冷水机组较为成熟的基础上，对冷水机组的投入数量以及冷量进行精确群控，以达到控制房间温度恒定。相对于单冷水机组的中央空调系统，群控拥有更多的冷量冗余和更节能的运行策略。
2.2、控制系统的选型特点与功能
控制系统由S7-200系列PLC及HMI设备组成。在选型方面，由于西门子PLC的稳定性较强，而对于中央空调群控来说，无需大量冗余。所以可以选择西门子S7-200系列PLC来担当控制部分。由西门子EM231模块对现场温度和流量进行采集，以便于运算出当前系统冷量是否充足。通过调节冷冻水泵的转速来调节冷量的输送能力。当楼群的冷量需求较大时，群控PLC通过压差信号和流量计算当前所需冷量，是否大于当前冷水机组额定冷量的80%。如果大于，在对冷冻水出水温度与回水温度比较是否大于允许的设定数值（如冷冻水出水温度是否大于7℃，回水温度是否大于12℃），如果大于该数值，且当前第一组冷水机组已经工作在80%的额定状态，则进行加机操作，使另外一台冷水机组投入运行。在系统运行过程中，如果系统计算得出的冷量，小于冷水机组减1的80%额定冷量，且出水水温和回水水温都在设定值之下。则可以执行减机操作。在系统中将一台冷水机组停止。
2.3、冷冻水循环系统
冷冻水循环系统在整个系统中起到将冷量或者热量传输的功能。使用3台37KW的变频调速电机作为动力源。在制冷过程中，冷冻水泵将从冷水机组中流出的冷冻水输送到楼群末端进行热交换。不同的地方在于，本系统中的3台冷冻水泵由一台MM440变频器驱动。借用恒压供水中的一台变频驱动多台电机的方法。始终只有一台泵处于变频调速状态，这样可以有效的减少硬件成本。而对于泵的工频与变频切换部分，也由群控PLC来完成。
2.4、冷却水循环系统
在冷水机组工作过程中，冷冻水回水水温由于已经在空调末端参与了热量交换。在热交换过程中，水温升高。冷水机组在通过热交换，对冷冻水水温进行降温。在降温过程中产生的热量，便是由冷却水循环系统来释放。冷却水循环系统将冷水机组热交换中产生的热量带入冷却塔中。在由冷却塔进行释放。本例中冷却水循环系统由2台冷却水循环泵，和2个冷却塔组成。所有的电机均由冷水机组内部程序单独控制，在群控系统中不予以干涉。
2.5、可行性分析
冷冻水循环系统是中央空调系统的重要环节，也是冷量的传递过程。通过不断热交换进行吸热放热的循环，达到使室内降温的目的。冷冻水循环系统原理是：由于冷冻泵的运行，使低温的冷冻水从主机蒸发器流出，送入冷冻水管道（出水），冷冻水经过蒸发器时与制冷剂进行热交换，吸冷降温后冷冻水温度降至约6.5℃左右，接着进入室内的风机盘管等末端与室内空气进行热交换，带走房间内的热量，使室内的温度降低，而冷冻水由于吸热温度升高（约12℃），最后回到主机蒸发器（回水），不断循环，形成闭合回路。室内风机用于将空气吹过冷冻水管道，通过加速冷冻水与室内空气的热交换，更快地降低空气温度。冷却水循环系统的原理是：冷却泵将在冷冻机的冷凝器吸热升温后的冷却水（37℃）输送到冷却塔，经冷却塔风扇散热后的冷却水（32℃）再送回主机的冷凝器吸热，不断循环，形成闭合回路。冷冻水、冷却水、制冷剂作为热量传递的载体，通过冷冻泵、冷却泵、压缩机的作用，不断地在各自的系统中循环，最终将室内的热量经中央空调系统作用排到室外。 3、工程实例探讨
3.1、工程概述
某商贸大楼中央空调水泵为一次泵，该大楼泵电机常年定速工作，供回水温差约为2.5，用继电器控制。该空调系统各设备详细信息如表1。
表1 空调系统设备信息
3.2、存在的问题
该大楼空调机组选型计算是按极端天气、最差条件下设计的，有较大的宽裕，系统实际运行极少在这种极端条件下，一年中只有几天处于最大负荷。大楼原有的空调系统除了能耗大外，还会导致一系列问题：（1）水流量过大系统温度差降低，换热效率下降，恶化了空调机组工作条件，造成额外的电能损耗。（2）水泵采用自耦变压器启动，电机启动电流大，对供电系统带来冲击。（3）一般泵启、停不是软启、停，在泵启、停时，会出现水锤现象，对管网、零件阀门、管道等造成破坏。为使循环水流量与负荷波动相配合，应用變频控制对空调水系统进行节能改造，可以降低系统的能耗。一方面能够控制水泵的转速，使水量随负荷波动相适应，从而节约能源；另一方面，因为变频器的启动方式是软启动，电机在启停时无冲击电流，这样能够防止水锤的发生，延长电机、零件阀门、管道等的寿命。
3.3、节能改造措施
3.3.1、系统中冷冻泵功率57kW，冷却泵功率78kW，相对于空调机组功率接近30%较大，所以对冷冻水和冷却水系统都要进行改造，在保证安全稳定运行的条件下，取得最显著的节能效果。
3.3.2、冷冻水、冷却水系统的控制都应用定温度差控制方案，温差控制适用于泵的恒流量改造，将冷冻水、冷却水温度差控制在4.5～5℃。用温度传感器测供、回水温度，将结果通过数模转换模块转化成数字量送入PLC计算，根据计算结果来控制变频器，从而控制水泵转速来调节水流量。若供、回水温差大，负荷较大，应提高水泵频率，增大循环水流量；相反温差小，说明负荷较小，应降低水泵频率，减小循环水流量。
3.3.3、系统所有水泵的转速都采用变频控制的方法。系统在正常工作时，水泵在30～50Hz之间变频运行；当变频控制系统出现错误时，再启动原控制电路，使水泵定频工作；在变频状态下有两种调频方案：自动调频和手动调频，调节变化量均为0.5Hz。
总言之，在中央空调系统中用PLC控制可以有效地保证其工作稳定、可靠，便于维护，且性能价格比高。因此在以后的工作中要进一步得到我们的重视研究。
参考文献：
[1]张磊.某中央空调系统节能改造研究[D].哈尔滨工业大学，2013.
[2]陈珊珊.中央空调自控系统设计[D].安徽理工大学，2013.
[3]李晓宇.中央空调节能控制系统的设计与开发[D].浙江工业大学，2013.
[4]王一恒，李征涛，朱祥政，陈坤，于文远，肖庭庭.PLC与变频器在中央空调系统节能改造中的应用研究[J].建筑节能，2014，09：99-102.
[5]沈世平.某中央空调系统节能改造及能耗分析[D].重庆大学，2011.
【关键词】PLC；中央空调；节能改造；应用
1、中央空调系统的运行和节能原理
1.1、中央空调系统概述
空调系统主要由空调机组、水系统、风系统、末端系统和散热系统组成。制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成高温高压的气体后送到冷凝器中与冷却水进行热交换，冷却水被加热，水泵将高温水送到散热系统，由散热系统对其降温，与外界环境进行换热，将热量释放到环境中去。制冷剂经冷凝器被冷凝成液态，通过节流阀节流降压后，在蒸发器中与冷冻水换热，冷冻水被降温，水泵将冷水送到各空调末端，为用户供冷。制冷剂蒸发成气态后被吸入压缩机，完成一个循环。
1.2、空调水系统变水量调节原理
空调水系统变水量调节的原理可以用能量守恒定理表述为：
式中：q为系统冷负荷；C为水的比热容；Q为冷水流量；Δt为送、回水温差，一般取5℃。由式中可以看出，在空调水系统中，可根据实际负荷的大小来调整水流量或供、回水温差。在进行水系统设计时，q、C、Δt为确定值，所以，水流量Q也被确定，水系统就是按这些值进行设备选型。当系统实际运行时，q成为一独立参数，与室外气象条件和室内热源等许多因素有关。如果改变供、回水温度差Δt，维持流量Q不发生变化，则形成定流量系统。如果维持供、回水溫度差Δt不发生变化，而变动水流量Q，则成为变流量系统。合理变流量系统，供、回水温差恒定，水量与负荷呈线性相关关系，此时可以考虑使用变频水泵。
1.3、水泵变频节能原理
中央空调的水系统主要是完成热量交换的循环水系统。一般对水流量的调节是通过阀门和挡板的开度开控制的，因此，许多的电能会浪费在阀门与挡板的阻力上；若换成变频系统，把消耗在阀和隔板的电能省下来，泵节能效果就很明显。所以，采用变频技术来控制水泵的运行，是中央空调节能改造的有效途径之一。
2、系统应用及功能分析
2.1、冷水机组的应用及功能
冷水机组为整个系统提供冷源。冷冻水循环系统通过冷水机组后，将循环水水温降低。然后通过冷冻水泵、集水器供给空调末端。由于冷水机组的发展已经趋于成熟。为了满足不同冷量的需求，在冷水机组较为成熟的基础上，对冷水机组的投入数量以及冷量进行精确群控，以达到控制房间温度恒定。相对于单冷水机组的中央空调系统，群控拥有更多的冷量冗余和更节能的运行策略。
2.2、控制系统的选型特点与功能
控制系统由S7-200系列PLC及HMI设备组成。在选型方面，由于西门子PLC的稳定性较强，而对于中央空调群控来说，无需大量冗余。所以可以选择西门子S7-200系列PLC来担当控制部分。由西门子EM231模块对现场温度和流量进行采集，以便于运算出当前系统冷量是否充足。通过调节冷冻水泵的转速来调节冷量的输送能力。当楼群的冷量需求较大时，群控PLC通过压差信号和流量计算当前所需冷量，是否大于当前冷水机组额定冷量的80%。如果大于，在对冷冻水出水温度与回水温度比较是否大于允许的设定数值（如冷冻水出水温度是否大于7℃，回水温度是否大于12℃），如果大于该数值，且当前第一组冷水机组已经工作在80%的额定状态，则进行加机操作，使另外一台冷水机组投入运行。在系统运行过程中，如果系统计算得出的冷量，小于冷水机组减1的80%额定冷量，且出水水温和回水水温都在设定值之下。则可以执行减机操作。在系统中将一台冷水机组停止。
2.3、冷冻水循环系统
冷冻水循环系统在整个系统中起到将冷量或者热量传输的功能。使用3台37KW的变频调速电机作为动力源。在制冷过程中，冷冻水泵将从冷水机组中流出的冷冻水输送到楼群末端进行热交换。不同的地方在于，本系统中的3台冷冻水泵由一台MM440变频器驱动。借用恒压供水中的一台变频驱动多台电机的方法。始终只有一台泵处于变频调速状态，这样可以有效的减少硬件成本。而对于泵的工频与变频切换部分，也由群控PLC来完成。
2.4、冷却水循环系统
在冷水机组工作过程中，冷冻水回水水温由于已经在空调末端参与了热量交换。在热交换过程中，水温升高。冷水机组在通过热交换，对冷冻水水温进行降温。在降温过程中产生的热量，便是由冷却水循环系统来释放。冷却水循环系统将冷水机组热交换中产生的热量带入冷却塔中。在由冷却塔进行释放。本例中冷却水循环系统由2台冷却水循环泵，和2个冷却塔组成。所有的电机均由冷水机组内部程序单独控制，在群控系统中不予以干涉。
2.5、可行性分析
冷冻水循环系统是中央空调系统的重要环节，也是冷量的传递过程。通过不断热交换进行吸热放热的循环，达到使室内降温的目的。冷冻水循环系统原理是：由于冷冻泵的运行，使低温的冷冻水从主机蒸发器流出，送入冷冻水管道（出水），冷冻水经过蒸发器时与制冷剂进行热交换，吸冷降温后冷冻水温度降至约6.5℃左右，接着进入室内的风机盘管等末端与室内空气进行热交换，带走房间内的热量，使室内的温度降低，而冷冻水由于吸热温度升高（约12℃），最后回到主机蒸发器（回水），不断循环，形成闭合回路。室内风机用于将空气吹过冷冻水管道，通过加速冷冻水与室内空气的热交换，更快地降低空气温度。冷却水循环系统的原理是：冷却泵将在冷冻机的冷凝器吸热升温后的冷却水（37℃）输送到冷却塔，经冷却塔风扇散热后的冷却水（32℃）再送回主机的冷凝器吸热，不断循环，形成闭合回路。冷冻水、冷却水、制冷剂作为热量传递的载体，通过冷冻泵、冷却泵、压缩机的作用，不断地在各自的系统中循环，最终将室内的热量经中央空调系统作用排到室外。 3、工程实例探讨
3.1、工程概述
某商贸大楼中央空调水泵为一次泵，该大楼泵电机常年定速工作，供回水温差约为2.5，用继电器控制。该空调系统各设备详细信息如表1。
表1 空调系统设备信息
3.2、存在的问题
该大楼空调机组选型计算是按极端天气、最差条件下设计的，有较大的宽裕，系统实际运行极少在这种极端条件下，一年中只有几天处于最大负荷。大楼原有的空调系统除了能耗大外，还会导致一系列问题：（1）水流量过大系统温度差降低，换热效率下降，恶化了空调机组工作条件，造成额外的电能损耗。（2）水泵采用自耦变压器启动，电机启动电流大，对供电系统带来冲击。（3）一般泵启、停不是软启、停，在泵启、停时，会出现水锤现象，对管网、零件阀门、管道等造成破坏。为使循环水流量与负荷波动相配合，应用變频控制对空调水系统进行节能改造，可以降低系统的能耗。一方面能够控制水泵的转速，使水量随负荷波动相适应，从而节约能源；另一方面，因为变频器的启动方式是软启动，电机在启停时无冲击电流，这样能够防止水锤的发生，延长电机、零件阀门、管道等的寿命。
3.3、节能改造措施
3.3.1、系统中冷冻泵功率57kW，冷却泵功率78kW，相对于空调机组功率接近30%较大，所以对冷冻水和冷却水系统都要进行改造，在保证安全稳定运行的条件下，取得最显著的节能效果。
3.3.2、冷冻水、冷却水系统的控制都应用定温度差控制方案，温差控制适用于泵的恒流量改造，将冷冻水、冷却水温度差控制在4.5～5℃。用温度传感器测供、回水温度，将结果通过数模转换模块转化成数字量送入PLC计算，根据计算结果来控制变频器，从而控制水泵转速来调节水流量。若供、回水温差大，负荷较大，应提高水泵频率，增大循环水流量；相反温差小，说明负荷较小，应降低水泵频率，减小循环水流量。
3.3.3、系统所有水泵的转速都采用变频控制的方法。系统在正常工作时，水泵在30～50Hz之间变频运行；当变频控制系统出现错误时，再启动原控制电路，使水泵定频工作；在变频状态下有两种调频方案：自动调频和手动调频，调节变化量均为0.5Hz。
总言之，在中央空调系统中用PLC控制可以有效地保证其工作稳定、可靠，便于维护，且性能价格比高。因此在以后的工作中要进一步得到我们的重视研究。
参考文献：
[1]张磊.某中央空调系统节能改造研究[D].哈尔滨工业大学，2013.
[2]陈珊珊.中央空调自控系统设计[D].安徽理工大学，2013.
[3]李晓宇.中央空调节能控制系统的设计与开发[D].浙江工业大学，2013.
[4]王一恒，李征涛，朱祥政，陈坤，于文远，肖庭庭.PLC与变频器在中央空调系统节能改造中的应用研究[J].建筑节能，2014，09：99-102.
[5]沈世平.某中央空调系统节能改造及能耗分析[D].重庆大学，2011.