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[摘要]中央空调系统是大型建筑物不可缺少的配套设施之一，但很多大型建筑由于当初的设计存在缺陷，造成燃料、电能等的消耗非常大，随着人们节能环保意识的增强，节能改造势在必行，通过利用变频器、PLC技术阐述在空调系统中怎样达到节能作用。
[关键词]变频器 PLC 节能 中央空调
中图分类号：TM5 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110024－01
一、前言
中央空调系统是大型建筑物不可缺少的配套设施之一，但很多大型建筑由于当初的设计存在缺陷，造成燃料、电能等的消耗非常大，特别是电能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的设计，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常中央空调系统中空调主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与空调主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，几乎长期在100%负载下运行，造成了能量的极大浪费，也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。
二、问题的提出
（一）原系统简介
某酒店的中央空调系统的主要设备和控制方式：100万大卡主机2台，型号为远大溴冷机蒸汽机组，平时一备一用,高峰时两台并联运行；冷却水泵2台,扬程28米,配用功率45 KW,冷水泵有3台，一台为扬程32米，配用功率37KW, 一台为扬程32米，配用功率55KW, 一台为扬程50米，配用功率45KW。冷却塔6台，风扇电机5.5KW，并联运行。
（二）原系统的运行及存在问题
该酒店是一间三星级酒店，因酒店是一个比较特殊的场所，对客人的舒适度要求比较高，且酒店大部分空间自然通风效果不好，所以对夏季空调质量的要求较高。
由于中央空调系统设计时必须按天气最热、负荷最大时设计，且留有10%-20%左右的设计余量。其中空调主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应的调节。这样，冷冻水、冷却水系统几乎长期在大流量、小温差的状态下运行，造成了能源的极大浪费。
三、节能改造的可行性分析
为了解决以上问题，以下是分析过程：
在中央空调系统设计中，冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加10%－20%余量作为设计系数。根据计算中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占夏季酒店总用电的25%－30%，冷却塔的用电占8%－10%。因此，实施对冷冻水和冷却水循环系统以及冷却塔的能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制的重要组成部分。
（一）泵的转速调节
根据异步电动机原理：n=(1-s)60f/p
式中：n:转速 f:频率p:电机磁极对数s:转差率
由上式可见，调节转速有3种方法，改变频率、改变电机磁极对数、改变转差率。在以上调速方法中，变频调速性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。因此改变频率而改变转速的方法最方便有效。
（二）冷却塔的控制
以前的冷却塔是人为的根据冷却水温度选择冷却塔开启的台数，非常容易造成能源的浪费现象，现在根据冷却水的温度，由温度传感器传送信号至PLC，由PLC经计算后对冷却塔风机依次开启，以28℃为基数，温度每上升2℃，开启两台散热风机，每下降2℃，延时5分钟后停止2台风机，以达到节能效果。
四、节能改造的具体方案
（一）主电路的控制设计
根据具体情况，同时考虑到成本控制，原有的电器设备尽可能的利用。冷冻水泵及冷却水泵均采用一用一备的方式运行，使用一台变频器控制拖动两台水泵交替运行。将一台扬程较高的冷水泵作为备用。
（二）几种典型负载与节能关系
由于中央空调系统中都是各种风机、泵类负载，故应用变频器后，节能效果显著。表1出风机、泵类负载应用变频器后，在不同流量Q、转速n、有功率百分数在某频率值时的节能率。
五、中央空调变频调速系统的控制依据
上图为变频节能系统示意图，中央空调系统的外部热交换由2个循环水系统来完成。循环水系统的回水与进(出)水温度之差，反映了需要进行热交换的热量。因此，根据回水与进(出)水温度之差来控制循环水的流动速度，从而控制了热交换的速度，是比较合理的控制方法。
（一）冷冻水循环系统的控制
由于冷冻水的出水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，常常是比较稳定的。因此，单是回水温度的高低就足以反映房间内的温度。所以，冷冻泵变频调速系统，可以简单地根据回水温度进行如下控制：回水温度高，说明房间温度高，应提高冷冻泵的循环速度，以节约能源。反之则反。
（二）冷却水循环系统的控制
由于冷冻机组运行时，其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温，再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。所以，对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据，实现进水和回水间的恒温差控制是比较合理的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度;温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷
却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以节约能源。
（三）中央空调末端送风机的变频控制
1．调节风量。调整风机的转速可以控制送风量。使用变频器对风机实现无级变速，在变频的同时，输出端的电压亦随之改变，从而节约了能源，降低了系统噪音，其经济性和舒适性是不言而喻的。
2．控制方式的确立。在室内适当的位置，安装手动调节控制终端，调速电位器VR和运行开关KK置于控制终端盒内，调整频率设定电位器VR，可以改变变频器的输出频率，从而控制风机的送风量，关闭时断开KK即可，此方式成本低廉，随意性强。
六、技术改造后的运行效果比较
（一）节能效果及投资回报
经过进行技术改造后，系统的实际节电率与负荷状态、天气温度变化等因素有一定关系。根据以往运行数据的统计与改造后的节能预测，平均节能应在20－30%以上,经济效益十分显著。
（二）对系统的正面影响
由于冷冻泵、冷却泵采用了变频器软启停，消除了原来启动时大电流对电网的冲击，用电环境得到了改善；消除了原来直接启停水泵造成的机械冲击，电机及水泵的轴承、轴封等机械磨擦大大减少，机械部件的使用寿命得到延长,大大优化了系统的运行环境、运行质量。
七、结论
虽然一次性投资比较大，但从长远的经济利益来看是值得的。为此利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等组成的温差闭环自动控制系统，对中央空调系统的节能改造是可行的。同时对落后的生产设备进行技术革新，对节能、环保等也有着重大的意义。
[关键词]变频器 PLC 节能 中央空调
中图分类号：TM5 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110024－01
一、前言
中央空调系统是大型建筑物不可缺少的配套设施之一，但很多大型建筑由于当初的设计存在缺陷，造成燃料、电能等的消耗非常大，特别是电能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的设计，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常中央空调系统中空调主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与空调主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，几乎长期在100%负载下运行，造成了能量的极大浪费，也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。
二、问题的提出
（一）原系统简介
某酒店的中央空调系统的主要设备和控制方式：100万大卡主机2台，型号为远大溴冷机蒸汽机组，平时一备一用,高峰时两台并联运行；冷却水泵2台,扬程28米,配用功率45 KW,冷水泵有3台，一台为扬程32米，配用功率37KW, 一台为扬程32米，配用功率55KW, 一台为扬程50米，配用功率45KW。冷却塔6台，风扇电机5.5KW，并联运行。
（二）原系统的运行及存在问题
该酒店是一间三星级酒店，因酒店是一个比较特殊的场所，对客人的舒适度要求比较高，且酒店大部分空间自然通风效果不好，所以对夏季空调质量的要求较高。
由于中央空调系统设计时必须按天气最热、负荷最大时设计，且留有10%-20%左右的设计余量。其中空调主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应的调节。这样，冷冻水、冷却水系统几乎长期在大流量、小温差的状态下运行，造成了能源的极大浪费。
三、节能改造的可行性分析
为了解决以上问题，以下是分析过程：
在中央空调系统设计中，冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加10%－20%余量作为设计系数。根据计算中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占夏季酒店总用电的25%－30%，冷却塔的用电占8%－10%。因此，实施对冷冻水和冷却水循环系统以及冷却塔的能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制的重要组成部分。
（一）泵的转速调节
根据异步电动机原理：n=(1-s)60f/p
式中：n:转速 f:频率p:电机磁极对数s:转差率
由上式可见，调节转速有3种方法，改变频率、改变电机磁极对数、改变转差率。在以上调速方法中，变频调速性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。因此改变频率而改变转速的方法最方便有效。
（二）冷却塔的控制
以前的冷却塔是人为的根据冷却水温度选择冷却塔开启的台数，非常容易造成能源的浪费现象，现在根据冷却水的温度，由温度传感器传送信号至PLC，由PLC经计算后对冷却塔风机依次开启，以28℃为基数，温度每上升2℃，开启两台散热风机，每下降2℃，延时5分钟后停止2台风机，以达到节能效果。
四、节能改造的具体方案
（一）主电路的控制设计
根据具体情况，同时考虑到成本控制，原有的电器设备尽可能的利用。冷冻水泵及冷却水泵均采用一用一备的方式运行，使用一台变频器控制拖动两台水泵交替运行。将一台扬程较高的冷水泵作为备用。
（二）几种典型负载与节能关系
由于中央空调系统中都是各种风机、泵类负载，故应用变频器后，节能效果显著。表1出风机、泵类负载应用变频器后，在不同流量Q、转速n、有功率百分数在某频率值时的节能率。
五、中央空调变频调速系统的控制依据
上图为变频节能系统示意图，中央空调系统的外部热交换由2个循环水系统来完成。循环水系统的回水与进(出)水温度之差，反映了需要进行热交换的热量。因此，根据回水与进(出)水温度之差来控制循环水的流动速度，从而控制了热交换的速度，是比较合理的控制方法。
（一）冷冻水循环系统的控制
由于冷冻水的出水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，常常是比较稳定的。因此，单是回水温度的高低就足以反映房间内的温度。所以，冷冻泵变频调速系统，可以简单地根据回水温度进行如下控制：回水温度高，说明房间温度高，应提高冷冻泵的循环速度，以节约能源。反之则反。
（二）冷却水循环系统的控制
由于冷冻机组运行时，其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温，再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。所以，对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据，实现进水和回水间的恒温差控制是比较合理的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度;温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷
却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以节约能源。
（三）中央空调末端送风机的变频控制
1．调节风量。调整风机的转速可以控制送风量。使用变频器对风机实现无级变速，在变频的同时，输出端的电压亦随之改变，从而节约了能源，降低了系统噪音，其经济性和舒适性是不言而喻的。
2．控制方式的确立。在室内适当的位置，安装手动调节控制终端，调速电位器VR和运行开关KK置于控制终端盒内，调整频率设定电位器VR，可以改变变频器的输出频率，从而控制风机的送风量，关闭时断开KK即可，此方式成本低廉，随意性强。
六、技术改造后的运行效果比较
（一）节能效果及投资回报
经过进行技术改造后，系统的实际节电率与负荷状态、天气温度变化等因素有一定关系。根据以往运行数据的统计与改造后的节能预测，平均节能应在20－30%以上,经济效益十分显著。
（二）对系统的正面影响
由于冷冻泵、冷却泵采用了变频器软启停，消除了原来启动时大电流对电网的冲击，用电环境得到了改善；消除了原来直接启停水泵造成的机械冲击，电机及水泵的轴承、轴封等机械磨擦大大减少，机械部件的使用寿命得到延长,大大优化了系统的运行环境、运行质量。
七、结论
虽然一次性投资比较大，但从长远的经济利益来看是值得的。为此利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等组成的温差闭环自动控制系统，对中央空调系统的节能改造是可行的。同时对落后的生产设备进行技术革新，对节能、环保等也有着重大的意义。