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摘要:中央空调系统能耗在建筑能耗中占的比重相当大，同时其节能改造潜力也很大。文章针对中央空调系统运行现状，指出了空调系统运行中存在的问题，对中央空调系统的控制系统、冷水箱系统、除湿系统进行了节能改造，提出了一些节能技术措施，以实现中央空调系统节能的目的，具有一定的参考价值。
关键词:中央空调系统；运行现状；控制系统；冷水箱系统；除湿系统；节能；改造
中图分类号：TB494 文献标识码：A 文章编号：
随着社会经济的不断发展，能源是人类赖以生存和发展的基本条件。当前，能源供应的紧张对我国的经济发展和社会生活产生的巨大冲击，人们逐渐认识到了节约能源的重要性，因此节能减排是一项重大举措。空调已经成为大型建筑和办公环境的必备项目，但是空调的耗能也是十分惊人的。空调的节能潜力是很大，关键是如何挖掘。本文针对中央空调系统运行现状，结合系统的控制特点，探讨了中央空调系统节能技术改造。
1 系统的运行现状
1.1 水系统设计流程图
中央空调系统主要由制冷机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和冷却塔组成。
各部分的作用及工作原理:制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中，由风机吹送达到降温的目的。经蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量成气态，冷却泵将冷却水送到冷却塔上由水塔风机对其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气中去。
本系统主要包括两台制冷主机、两台空调机组、一个冷水箱、三台冷却水泵、两个冷却塔、一套电子除垢仪、三台一次冷冻泵、两台二次冷冻泵、两台热水泵、一个定压膨胀水罐、若干个电动阀、电磁阀、自动排气阀、空调末端装置和板式换热器等组成。
1.2 系统在维护和使用中存在的主要问题
1)维护成本高。系统已经运行多年，控制系统已经不能满足生产需要，需要升级改造，但原有的备件在市场上很难买到，不但采购周期长，而且价格昂贵，有些备件甚至停产。随着时间的推移，系统的升级改造变得越来越困难，而且这些备件的价格会越来越贵，使用成本和维护费用大大提高。
2)运行成本较高。系统冷水箱安装在空调机组室内，夏天，室内温度通常在30℃左右，冷水箱温度受室温影响，冷水箱温度经常会升高至16℃左右，这樣会大大延长制冷主机工作时间，增加太多电量消耗和较高的运行成本。
3)系统开放性差。升级前，系统由两台SIEMENSMEC单片机控制器控制，通信能力受到制约，无法与公司自动化系统进行通信。一些控制必须手动进行，一些参数设定和温、湿度值采集只能到现场完成。不能实现对系统数据的采集、存储、共享和分析，无法满足信息化应用的需要。
2 系统节能技术改造
根据目前的实际情况，该中央空调系统已经投入运行多年，不可能实施大的改动，在保障有效供给的前提下，进行了如下改造。
2.1 控制系统
针对系统在运行中存在的问题，将原有的SIEMENSMEC单片机更换为SIEMENSPLC控制，把整个中央空调控制系统连接到自动化系统中，实现自动化集中控制。
将原来的SIEMENSMEC取消，新增2个ET200M作为自动化系统从站，从站地址分别是15和16，从站15模块如下:
1)接口模块。6ES7153—1AA02—0XB01个。
2)模拟量输入模块。6ES7331—7NF00—0AB02个。
3)模拟量输出模块。6ES7332—5HD01—0AB01个。
4)数字量输入模块。6ES7321—1BH01—0AA03个。
5)数字量输出模块。6ES7322—1BH01—0AA01个。
从站16模块如下:
1)接口模块。6ES7153—1AA02—0XB01个。
2)模拟量输入模块。6ES7331—7NF00—0AB01个。
3)模拟量输出模块。6ES7332—5HD01—0AB01个。
4)数字量输入模块。6ES7321—1BH01—0AA03个。
5)数字量输出模块。6ES7322—1BH01—0AA02个。
上位机监控软件采用Intouch9.0，下位机PLC组态采用STEP7V5.4进行梯形图编程。PLC利用原有的自动化系统S7—400，CPU414—3DP与15和16从站通过PROFIBUS—DP通信。原来系统共有DP从站14个，地址从1～14。同时，CPU414—3DP与上位机通过CP443—1模块与交换机实现工业以太网通信。与上位机通信采用CP443—1模块，采用以太网通信方式。上位机监控画面分为工程师站和操作员站，工程师站作为程序的主要存储和运行服务，可进行工艺参数设置、更改用户权限和增加用户及权限管理等操作，而操作员界面仅供生产操作人员按照设定好的工艺流程进行操作，完成生产任务。系统网络结构如图12所示。
图1系统网络结构图
该系统温、湿度的控制对产品质量来说尤为重要，直接影响到产品质量，因此选用温、湿度传感器精度较高的产品，常温下±1.5%RH。如果选用传感器的精度差，在达到设定的温、湿度时，传感器测得的结果可能相差很多。产生的节能效益远大于传感器的自身价格，所以采用的是德国ROTRONIC公司的温、湿度传感器HYGROCLIP和控制仪表HYGROLOGNT3—D，仪表的通信方式是以太网通信，非常方便快捷，软件采用ROTRONICHW4—OPC，与上位机软件INTOUCH通过OPCSERVER连接。图1中meter1和meter2为ROTRONIC仪表，每个温、湿度仪表有自己的IP地址，通过以太网连接到自动化网络中。
除湿机经过改造后，除湿改成用热蒸汽除湿。根据除湿温度要求，由设定的温度值(SV值)与温度传感器测定的现场温度值(PV值)之偏差ΔT(ΔT=SV－PV)进行控制。通过PLC程序的PID运算，当ΔT＞0时，增大阀门开度，从而使气流量加快，使实际温度趋向设定值;当ΔT＜0时，减少阀门开度，从而使气流量减少，使实际温度趋向设定值。当ΔT=0时，阀门开度维持不变，以保证恒定的温度。
加湿器利用一般自来水产生蒸汽，水在加湿桶内，通电的电极插在水中，利用水的导电性，水被加热并沸腾，输出洁净的蒸汽，在微机控制器控制下，自动调节供水和排水，按照控制信号灵活调节蒸汽输出。加湿器控制方式由原来的开关量控制改为模拟信号控制，控制稳定准确，控制信号采用0～10V信号，通过PLC输出0～10V信号比例控制加湿量的大小，控制信号为10V时，加湿量最大，32kg/h。
图2控制流程图
二次冷冻水泵控制和热水泵的控制采用变频控制方式，通过管道压力传感器压力信号，利用恒压供水原理控制泵的频率，控制流程如图2所示。
冷水机组采用大连冷冻机厂的半封闭螺杆冷冻机组。冷水机组制冷原理:压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流成为压力较低的液体后，送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，从而完成制冷循环。这样，制冷剂在系统中经过蒸发、压缩、冷凝和节流四个基本过程完成一个制冷循环。
制冷机组控制部分主要包括:液晶控制屏，控制器GuardianGC1711智能主模块、GC064扩展模块、能级调节电磁阀、油加热器、供液电磁阀、压缩机电动机、吸气压力开关、排气压力开关和排气温度传感器等。控制分为手动控制和自动控制两种。手动控制在本地控制箱液晶显示屏上操作控制，系统分为25%、50%、75%和100%四个能级，手动进行能级控制;自动控制时，受PLC数字量输出(DO)信号控制，PLC根据冷水箱出口温度，自动起动两台冷水机组并自动进行能级转换，冷水机组的起动和停止是受水箱出口温度控制的，系统设定水箱温度高于9℃时，起动1#制冷机，低于8℃时停止;高于9.5℃时，起动2#制冷机，低于9℃时停止。系统分为冬、夏季模式，冬、夏季的设定值根据工艺要求随时进行更改。
能级的控制是通过三个电磁阀的开闭组合，来达到25%、50%、75%和100%能量调节的，各电磁阀工作状态如表1所示。
表1电磁阀工作状态表
2.2 冷水箱系统
针对水箱受外界环境影响温升问题，将原来的水箱移到地下室，并且容积由原来的40m3增加到100m3，蓄水能力大大提高。水温控制得非常稳定，不会因为外界环境温度的变化而上下波动。实践证明，水箱在地下保持低温效果非常好，制冷机制冷时间明显减少，节能效果非常明显，冬、夏季水箱的温度保持在10℃左右。而且在控制制冷时间问题上，优化了控制系统时间，按照供电波谷的时间进行制冷，制冷机组自身节能大约在15%左右。
2.3 除湿系统
除濕机选用的是Munters公司的产品，经过干燥转轮吸附大量的水份后，经电加热高温蒸发，经再生风机将转轮吸附的水份脱附，并随湿空气排至室外，从而达到除湿的目的。但是系统电加热耗电量非常大，占除湿机整体耗电量的80%以上。因此，将车间焚烧炉产生200℃左右的热气通过换热器换热，作为除湿机的主要除湿热源，通过管道引至除湿机，在管道上增加了温度传感器、压力传感器及电动执行机构。温度信号和压力信号采用温度变送器和压力变送器分别将温度信号和压力信号转化为标准的4～20mA信号，根据温度信号控制电动执行机构的开度大小，从而控制管道的温度，而压力信号作为上位机监测信号，通过压力信号可知焚烧炉热气情况。通过这样的改造，除湿机自身节约电能大约在20%左右。同时，为废气再利用提供了很好的思路和方法，节能效果非常明显。
3 PLCI/O地址分配
该空调系统在原有的PLC自动化系统中，增加了2个ET200M从站。其中，增加的输入、输出点数如表2所示。
表2系统输入，输出点数汇总
4 结束语
通过此次系统节能技术改造，很好地解决了系统在运行中存在的问题，不仅改善空调系统的运行质量，而且还提高了空调的节能效果。因此，在中央空调系统高耗能的状况下，本空调系统节能技术改造经验值得推广借鉴。
参考文献
[1] 叶大法;俞春尧.常用空调节能方式与控制[J].暖通空调,2012年11期
[2] 周洪煜;陈孜虎;高鹏飞.中央空调系统节能运行改造的控制策略与方法[J].计算机测量与控制,2009年第10期
关键词:中央空调系统；运行现状；控制系统；冷水箱系统；除湿系统；节能；改造
中图分类号：TB494 文献标识码：A 文章编号：
随着社会经济的不断发展，能源是人类赖以生存和发展的基本条件。当前，能源供应的紧张对我国的经济发展和社会生活产生的巨大冲击，人们逐渐认识到了节约能源的重要性，因此节能减排是一项重大举措。空调已经成为大型建筑和办公环境的必备项目，但是空调的耗能也是十分惊人的。空调的节能潜力是很大，关键是如何挖掘。本文针对中央空调系统运行现状，结合系统的控制特点，探讨了中央空调系统节能技术改造。
1 系统的运行现状
1.1 水系统设计流程图
中央空调系统主要由制冷机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和冷却塔组成。
各部分的作用及工作原理:制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中，由风机吹送达到降温的目的。经蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量成气态，冷却泵将冷却水送到冷却塔上由水塔风机对其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气中去。
本系统主要包括两台制冷主机、两台空调机组、一个冷水箱、三台冷却水泵、两个冷却塔、一套电子除垢仪、三台一次冷冻泵、两台二次冷冻泵、两台热水泵、一个定压膨胀水罐、若干个电动阀、电磁阀、自动排气阀、空调末端装置和板式换热器等组成。
1.2 系统在维护和使用中存在的主要问题
1)维护成本高。系统已经运行多年，控制系统已经不能满足生产需要，需要升级改造，但原有的备件在市场上很难买到，不但采购周期长，而且价格昂贵，有些备件甚至停产。随着时间的推移，系统的升级改造变得越来越困难，而且这些备件的价格会越来越贵，使用成本和维护费用大大提高。
2)运行成本较高。系统冷水箱安装在空调机组室内，夏天，室内温度通常在30℃左右，冷水箱温度受室温影响，冷水箱温度经常会升高至16℃左右，这樣会大大延长制冷主机工作时间，增加太多电量消耗和较高的运行成本。
3)系统开放性差。升级前，系统由两台SIEMENSMEC单片机控制器控制，通信能力受到制约，无法与公司自动化系统进行通信。一些控制必须手动进行，一些参数设定和温、湿度值采集只能到现场完成。不能实现对系统数据的采集、存储、共享和分析，无法满足信息化应用的需要。
2 系统节能技术改造
根据目前的实际情况，该中央空调系统已经投入运行多年，不可能实施大的改动，在保障有效供给的前提下，进行了如下改造。
2.1 控制系统
针对系统在运行中存在的问题，将原有的SIEMENSMEC单片机更换为SIEMENSPLC控制，把整个中央空调控制系统连接到自动化系统中，实现自动化集中控制。
将原来的SIEMENSMEC取消，新增2个ET200M作为自动化系统从站，从站地址分别是15和16，从站15模块如下:
1)接口模块。6ES7153—1AA02—0XB01个。
2)模拟量输入模块。6ES7331—7NF00—0AB02个。
3)模拟量输出模块。6ES7332—5HD01—0AB01个。
4)数字量输入模块。6ES7321—1BH01—0AA03个。
5)数字量输出模块。6ES7322—1BH01—0AA01个。
从站16模块如下:
1)接口模块。6ES7153—1AA02—0XB01个。
2)模拟量输入模块。6ES7331—7NF00—0AB01个。
3)模拟量输出模块。6ES7332—5HD01—0AB01个。
4)数字量输入模块。6ES7321—1BH01—0AA03个。
5)数字量输出模块。6ES7322—1BH01—0AA02个。
上位机监控软件采用Intouch9.0，下位机PLC组态采用STEP7V5.4进行梯形图编程。PLC利用原有的自动化系统S7—400，CPU414—3DP与15和16从站通过PROFIBUS—DP通信。原来系统共有DP从站14个，地址从1～14。同时，CPU414—3DP与上位机通过CP443—1模块与交换机实现工业以太网通信。与上位机通信采用CP443—1模块，采用以太网通信方式。上位机监控画面分为工程师站和操作员站，工程师站作为程序的主要存储和运行服务，可进行工艺参数设置、更改用户权限和增加用户及权限管理等操作，而操作员界面仅供生产操作人员按照设定好的工艺流程进行操作，完成生产任务。系统网络结构如图12所示。
图1系统网络结构图
该系统温、湿度的控制对产品质量来说尤为重要，直接影响到产品质量，因此选用温、湿度传感器精度较高的产品，常温下±1.5%RH。如果选用传感器的精度差，在达到设定的温、湿度时，传感器测得的结果可能相差很多。产生的节能效益远大于传感器的自身价格，所以采用的是德国ROTRONIC公司的温、湿度传感器HYGROCLIP和控制仪表HYGROLOGNT3—D，仪表的通信方式是以太网通信，非常方便快捷，软件采用ROTRONICHW4—OPC，与上位机软件INTOUCH通过OPCSERVER连接。图1中meter1和meter2为ROTRONIC仪表，每个温、湿度仪表有自己的IP地址，通过以太网连接到自动化网络中。
除湿机经过改造后，除湿改成用热蒸汽除湿。根据除湿温度要求，由设定的温度值(SV值)与温度传感器测定的现场温度值(PV值)之偏差ΔT(ΔT=SV－PV)进行控制。通过PLC程序的PID运算，当ΔT＞0时，增大阀门开度，从而使气流量加快，使实际温度趋向设定值;当ΔT＜0时，减少阀门开度，从而使气流量减少，使实际温度趋向设定值。当ΔT=0时，阀门开度维持不变，以保证恒定的温度。
加湿器利用一般自来水产生蒸汽，水在加湿桶内，通电的电极插在水中，利用水的导电性，水被加热并沸腾，输出洁净的蒸汽，在微机控制器控制下，自动调节供水和排水，按照控制信号灵活调节蒸汽输出。加湿器控制方式由原来的开关量控制改为模拟信号控制，控制稳定准确，控制信号采用0～10V信号，通过PLC输出0～10V信号比例控制加湿量的大小，控制信号为10V时，加湿量最大，32kg/h。
图2控制流程图
二次冷冻水泵控制和热水泵的控制采用变频控制方式，通过管道压力传感器压力信号，利用恒压供水原理控制泵的频率，控制流程如图2所示。
冷水机组采用大连冷冻机厂的半封闭螺杆冷冻机组。冷水机组制冷原理:压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流成为压力较低的液体后，送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，从而完成制冷循环。这样，制冷剂在系统中经过蒸发、压缩、冷凝和节流四个基本过程完成一个制冷循环。
制冷机组控制部分主要包括:液晶控制屏，控制器GuardianGC1711智能主模块、GC064扩展模块、能级调节电磁阀、油加热器、供液电磁阀、压缩机电动机、吸气压力开关、排气压力开关和排气温度传感器等。控制分为手动控制和自动控制两种。手动控制在本地控制箱液晶显示屏上操作控制，系统分为25%、50%、75%和100%四个能级，手动进行能级控制;自动控制时，受PLC数字量输出(DO)信号控制，PLC根据冷水箱出口温度，自动起动两台冷水机组并自动进行能级转换，冷水机组的起动和停止是受水箱出口温度控制的，系统设定水箱温度高于9℃时，起动1#制冷机，低于8℃时停止;高于9.5℃时，起动2#制冷机，低于9℃时停止。系统分为冬、夏季模式，冬、夏季的设定值根据工艺要求随时进行更改。
能级的控制是通过三个电磁阀的开闭组合，来达到25%、50%、75%和100%能量调节的，各电磁阀工作状态如表1所示。
表1电磁阀工作状态表
2.2 冷水箱系统
针对水箱受外界环境影响温升问题，将原来的水箱移到地下室，并且容积由原来的40m3增加到100m3，蓄水能力大大提高。水温控制得非常稳定，不会因为外界环境温度的变化而上下波动。实践证明，水箱在地下保持低温效果非常好，制冷机制冷时间明显减少，节能效果非常明显，冬、夏季水箱的温度保持在10℃左右。而且在控制制冷时间问题上，优化了控制系统时间，按照供电波谷的时间进行制冷，制冷机组自身节能大约在15%左右。
2.3 除湿系统
除濕机选用的是Munters公司的产品，经过干燥转轮吸附大量的水份后，经电加热高温蒸发，经再生风机将转轮吸附的水份脱附，并随湿空气排至室外，从而达到除湿的目的。但是系统电加热耗电量非常大，占除湿机整体耗电量的80%以上。因此，将车间焚烧炉产生200℃左右的热气通过换热器换热，作为除湿机的主要除湿热源，通过管道引至除湿机，在管道上增加了温度传感器、压力传感器及电动执行机构。温度信号和压力信号采用温度变送器和压力变送器分别将温度信号和压力信号转化为标准的4～20mA信号，根据温度信号控制电动执行机构的开度大小，从而控制管道的温度，而压力信号作为上位机监测信号，通过压力信号可知焚烧炉热气情况。通过这样的改造，除湿机自身节约电能大约在20%左右。同时，为废气再利用提供了很好的思路和方法，节能效果非常明显。
3 PLCI/O地址分配
该空调系统在原有的PLC自动化系统中，增加了2个ET200M从站。其中，增加的输入、输出点数如表2所示。
表2系统输入，输出点数汇总
4 结束语
通过此次系统节能技术改造，很好地解决了系统在运行中存在的问题，不仅改善空调系统的运行质量，而且还提高了空调的节能效果。因此，在中央空调系统高耗能的状况下，本空调系统节能技术改造经验值得推广借鉴。
参考文献
[1] 叶大法;俞春尧.常用空调节能方式与控制[J].暖通空调,2012年11期
[2] 周洪煜;陈孜虎;高鹏飞.中央空调系统节能运行改造的控制策略与方法[J].计算机测量与控制,2009年第10期