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摘要：本文祥细介绍了PLC和变频器对中央空调进行节能改造的原理及节能效果的显著性和可行性。
关键词：PLC 变频器 中央空调 节能改造
1 概述
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。通常中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷冻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。利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量，能有效地达到节能目的。其节能效率通常都在40%以上。下面以某一大型酒店为例进行分析。
2 节能改造的可行性分析
现场情况：
某一大型酒店有二台中央空调主机，水泵系统有:冷却水泵3台，电机容量：18.5KW；电机负荷率：90%；进出水温差：4~5℃;开机方式：二开一备；进出管形式：并联；冷冻水泵3台，电机容量：22KW；电机负荷率：90%；进出水温差：4~5℃；开机方式：二开一备；进出管形式：并联。
2.1 中央空调系统
中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换以及热交换的过程。其理想运行状态是：在冷冻水循环系统中,在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷冻主机，在蒸发器进行热交换，被吸热降温后（7℃）被送到终端盘管风机或空调风机，经表冷器吸收空调室内空气的热量升温后（12℃），再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环。在冷却水循环系统中,在冷却泵的作用下冷却水流经冷冻机，在冷凝器吸热升温后（37℃）被送到冷却塔，经风扇散热后（32℃）再由冷却泵送到主机，形成循环。在这个过程里，冷冻水、冷却水作为能量传递的载体，在冷冻泵、冷却泵得到动能不停地循环在各自的管道系统里，不断地将室内的热量经冷冻机的作用，由冷却塔排出。如图一所示。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%余量作为设计安全系数。据统计，在传统的中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的12%—24%，而在冷冻主机低负荷运行时，冷却水、冷冻水循环用电就达30%—40%。因此，实施对冷冻水和冷却水循环系统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。
2.2 泵的特性分析与节能原理 泵是一种平方转矩负载，其转速n与流量Q，扬程H及泵的轴功率N的关系如下式所示：
Q1=Q2(n1/n2)，H1=H2(n1/n2)2，n1=n2(n1/n2)3(1-1)
上式表明，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比，泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电动机驱动泵时，电动机的轴功率P(kw)可按下式计算:
P=ρQH/ηcηF×10-2 (1-2)
式中：P：电动机的轴功率（KW）；Q：流量（m3/s）；ρ：液体的密度（Kg/m-2）；ηc：传动装置效率；ηF：泵的效率；H：全扬程（m）。
调节流量的方法：
如图二所示，曲线1是阀门全部打开时，供水系统的阻力特性；曲线2是额定转速时，泵的扬程特性。这时供水系统的工作点为A点：流量QA，扬程HA；由（1-2）式可知电动机轴功率与面积OQAAHA成正比。今欲将流量减少为QB，我们采用：阀门开度不变，降低转速的方法，这时扬程特性曲线如曲线4所示，工作点移至C点：流量为QB，但扬程为Hc，电动机的轴功率与面积OQBCHc成正比。如此看出，采用调节转速的方法调节流量，电动机所用的功率将大为减小，是一种能够显著节约能源的方法。
根据异步电动机原理：n=60f/p(1-s) (1-3)
式中：n:转速f:频率p:电机磁极对数s:转差率
由（1－3）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。根据以上分析，结合酒店中央空调的运行特征，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等组成温差闭环自动控制，对中央空调水循环系统进行节能改造是切实可行的较完善的高效节能方案。
3 节能改造的具体方案
3.1 变频节能控制原理(见图三)
3.1.1 对冷冻泵进行变频改造 控制原理说明如下：PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读入控制器内存，并计算出温差值；然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的转速，调节出水的流量，控制热交换的速度；温差大，说明室内温度高系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度和流量，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，系统负荷小，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流量，减缓热交换的速度以节约电能；
3.1.2 对冷却泵进行变频改造 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。冷却水进水出水温差大，说明冷冻机负荷大，需冷却水带走的热量大，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的循环量；温差小，则说明，冷冻机负荷小，需带走的热量小，可降低冷却泵的转速，减小冷却水的循环量，以节约电能。
3.2 变频主电路控制原理 根据现场具体情况，冷冻水泵及冷却水泵均采用两用一备的方式运行，因备用泵转换时间与空调主机转换时间一致，将冷冻水泵和冷却水泵电机的主备切换控制利用原有电器设备，通过电磁开关、人机界面进行电气和机械互锁。确保每台水泵只能由一台变频器拖动，避免两台变频器同时拖动同一台水泵造成交流短路事故；并且每台变频器任何时间只能拖动一台水泵，以免一台变频器同时拖动两台水泵而过载。冷冻水泵与冷却水泵一次原理图（见图四）：（冷冻水泵与冷却水泵相同）
3.3 系统主要设备(见表一)
3.4 本系统主要特点 采用进口的日本OMRON变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等构成温差闭环自动控制，根据负载轻重自动调整水泵的运行频率，实现最大限度的节能运行。亦可根据具体需要选用其他型号的产品。以软启动变频器取代Y－△降压启动，降低了启动电流对供电设备的冲击，减少了振动及噪音，延长了设备维修周期和使用寿命。采用人机界面对系统进行参数设定、监控等，方便操作人员对系统的操作、检查。系统还具有各种保护措施，使系统安全可靠地运行。
3.5 关于冷冻水末端压力问题 冷冻水泵降低流量降低转速运行，人们担心会不会影响供水末端压力不足，导致缺水现象，实际上，由于转速降低虽然会使水泵供水压力降低，然而管道特性的压力损失也会随流量减少而减少，即需要的压力也会减少，供水压力与转速的二次方成比例降低，需要压力（管道损失）则与流量的二次方成比例减少，二者可以相互补偿。而在人机界面上可以设定变频器上下限频率，于避免水泵转速太小对水压造成影响。
4 节电效果分析
如果将冷冻水、冷却水运行温差适当提高，例如提高30%，则流量可以降低23.08%，亦即转速降至额定转速的0.7692，电机功率将为负荷值的0.76923=0.455，节能率为54.5%，我们以30%计算。中央空调全年运行，如电价每KW.h为1元。则每年节约电费为：电机容量×运行台数×负荷率×节能率×每年运行时间×电价；冷冻水泵：22KW×2台×90%×30%×8760h×1元/KW.h=104，068元；冷却水泵：18.5KW×2台×90%×30%×8760h×1元/KW.h=87，512元；每年节约电费为：104068元/年+87512元/年=191580元人民币。
5 投资回报
投资（进口）：中央空调变频节能改造 总投资为：149990元人民币。中央空调变频节能技术改造后，每年节约电费191，580元人民币。投资回收期为：总投资÷年节电款，即：0.8（年）。也就是说设备运行10个月即可收回投资。如果酒店的中央空调系统进行变频改造后，每年可节约费用约为191，580万元人民币。节能改造工程总投资为：149，990万元人民币，设备运行10个月即可收回投资成本。
6 结论
虽然一次性投资较大，但从长远的经济利益来看是值得的。这里我们也借鉴了其它一些酒店改造的经验和实际效果，进一步验正了利用变频器、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。可以达到我们当初设计的预期效果。
7 结束语
在科技日新月异的今天，积极推广高新技术的应用，对落后的设备生产工艺进行技术革新，不仅可以提高生产质量、生产效率，创造可观的经济效益。对节能、环保等社会效益同样有着重要的意义。
参考资料：
[1]李岱森主编.空气调节.中国建筑工业出版社.
[2]刘守操主编.可编程序控制器与变频技术.广东省电工技能鉴定所.
关键词：PLC 变频器 中央空调 节能改造
1 概述
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。通常中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷冻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。利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量，能有效地达到节能目的。其节能效率通常都在40%以上。下面以某一大型酒店为例进行分析。
2 节能改造的可行性分析
现场情况：
某一大型酒店有二台中央空调主机，水泵系统有:冷却水泵3台，电机容量：18.5KW；电机负荷率：90%；进出水温差：4~5℃;开机方式：二开一备；进出管形式：并联；冷冻水泵3台，电机容量：22KW；电机负荷率：90%；进出水温差：4~5℃；开机方式：二开一备；进出管形式：并联。
2.1 中央空调系统
中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换以及热交换的过程。其理想运行状态是：在冷冻水循环系统中,在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷冻主机，在蒸发器进行热交换，被吸热降温后（7℃）被送到终端盘管风机或空调风机，经表冷器吸收空调室内空气的热量升温后（12℃），再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环。在冷却水循环系统中,在冷却泵的作用下冷却水流经冷冻机，在冷凝器吸热升温后（37℃）被送到冷却塔，经风扇散热后（32℃）再由冷却泵送到主机，形成循环。在这个过程里，冷冻水、冷却水作为能量传递的载体，在冷冻泵、冷却泵得到动能不停地循环在各自的管道系统里，不断地将室内的热量经冷冻机的作用，由冷却塔排出。如图一所示。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%余量作为设计安全系数。据统计，在传统的中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的12%—24%，而在冷冻主机低负荷运行时，冷却水、冷冻水循环用电就达30%—40%。因此，实施对冷冻水和冷却水循环系统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。
2.2 泵的特性分析与节能原理 泵是一种平方转矩负载，其转速n与流量Q，扬程H及泵的轴功率N的关系如下式所示：
Q1=Q2(n1/n2)，H1=H2(n1/n2)2，n1=n2(n1/n2)3(1-1)
上式表明，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比，泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电动机驱动泵时，电动机的轴功率P(kw)可按下式计算:
P=ρQH/ηcηF×10-2 (1-2)
式中：P：电动机的轴功率（KW）；Q：流量（m3/s）；ρ：液体的密度（Kg/m-2）；ηc：传动装置效率；ηF：泵的效率；H：全扬程（m）。
调节流量的方法：
如图二所示，曲线1是阀门全部打开时，供水系统的阻力特性；曲线2是额定转速时，泵的扬程特性。这时供水系统的工作点为A点：流量QA，扬程HA；由（1-2）式可知电动机轴功率与面积OQAAHA成正比。今欲将流量减少为QB，我们采用：阀门开度不变，降低转速的方法，这时扬程特性曲线如曲线4所示，工作点移至C点：流量为QB，但扬程为Hc，电动机的轴功率与面积OQBCHc成正比。如此看出，采用调节转速的方法调节流量，电动机所用的功率将大为减小，是一种能够显著节约能源的方法。
根据异步电动机原理：n=60f/p(1-s) (1-3)
式中：n:转速f:频率p:电机磁极对数s:转差率
由（1－3）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。根据以上分析，结合酒店中央空调的运行特征，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等组成温差闭环自动控制，对中央空调水循环系统进行节能改造是切实可行的较完善的高效节能方案。
3 节能改造的具体方案
3.1 变频节能控制原理(见图三)
3.1.1 对冷冻泵进行变频改造 控制原理说明如下：PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读入控制器内存，并计算出温差值；然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的转速，调节出水的流量，控制热交换的速度；温差大，说明室内温度高系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度和流量，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，系统负荷小，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流量，减缓热交换的速度以节约电能；
3.1.2 对冷却泵进行变频改造 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。冷却水进水出水温差大，说明冷冻机负荷大，需冷却水带走的热量大，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的循环量；温差小，则说明，冷冻机负荷小，需带走的热量小，可降低冷却泵的转速，减小冷却水的循环量，以节约电能。
3.2 变频主电路控制原理 根据现场具体情况，冷冻水泵及冷却水泵均采用两用一备的方式运行，因备用泵转换时间与空调主机转换时间一致，将冷冻水泵和冷却水泵电机的主备切换控制利用原有电器设备，通过电磁开关、人机界面进行电气和机械互锁。确保每台水泵只能由一台变频器拖动，避免两台变频器同时拖动同一台水泵造成交流短路事故；并且每台变频器任何时间只能拖动一台水泵，以免一台变频器同时拖动两台水泵而过载。冷冻水泵与冷却水泵一次原理图（见图四）：（冷冻水泵与冷却水泵相同）
3.3 系统主要设备(见表一)
3.4 本系统主要特点 采用进口的日本OMRON变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等构成温差闭环自动控制，根据负载轻重自动调整水泵的运行频率，实现最大限度的节能运行。亦可根据具体需要选用其他型号的产品。以软启动变频器取代Y－△降压启动，降低了启动电流对供电设备的冲击，减少了振动及噪音，延长了设备维修周期和使用寿命。采用人机界面对系统进行参数设定、监控等，方便操作人员对系统的操作、检查。系统还具有各种保护措施，使系统安全可靠地运行。
3.5 关于冷冻水末端压力问题 冷冻水泵降低流量降低转速运行，人们担心会不会影响供水末端压力不足，导致缺水现象，实际上，由于转速降低虽然会使水泵供水压力降低，然而管道特性的压力损失也会随流量减少而减少，即需要的压力也会减少，供水压力与转速的二次方成比例降低，需要压力（管道损失）则与流量的二次方成比例减少，二者可以相互补偿。而在人机界面上可以设定变频器上下限频率，于避免水泵转速太小对水压造成影响。
4 节电效果分析
如果将冷冻水、冷却水运行温差适当提高，例如提高30%，则流量可以降低23.08%，亦即转速降至额定转速的0.7692，电机功率将为负荷值的0.76923=0.455，节能率为54.5%，我们以30%计算。中央空调全年运行，如电价每KW.h为1元。则每年节约电费为：电机容量×运行台数×负荷率×节能率×每年运行时间×电价；冷冻水泵：22KW×2台×90%×30%×8760h×1元/KW.h=104，068元；冷却水泵：18.5KW×2台×90%×30%×8760h×1元/KW.h=87，512元；每年节约电费为：104068元/年+87512元/年=191580元人民币。
5 投资回报
投资（进口）：中央空调变频节能改造 总投资为：149990元人民币。中央空调变频节能技术改造后，每年节约电费191，580元人民币。投资回收期为：总投资÷年节电款，即：0.8（年）。也就是说设备运行10个月即可收回投资。如果酒店的中央空调系统进行变频改造后，每年可节约费用约为191，580万元人民币。节能改造工程总投资为：149，990万元人民币，设备运行10个月即可收回投资成本。
6 结论
虽然一次性投资较大，但从长远的经济利益来看是值得的。这里我们也借鉴了其它一些酒店改造的经验和实际效果，进一步验正了利用变频器、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。可以达到我们当初设计的预期效果。
7 结束语
在科技日新月异的今天，积极推广高新技术的应用，对落后的设备生产工艺进行技术革新，不仅可以提高生产质量、生产效率，创造可观的经济效益。对节能、环保等社会效益同样有着重要的意义。
参考资料：
[1]李岱森主编.空气调节.中国建筑工业出版社.
[2]刘守操主编.可编程序控制器与变频技术.广东省电工技能鉴定所.