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摘要：随着我国经济建设的飞速发展，能源问题己成为国民经济建设中的重要问题，我国城市中的新建建筑，大部分建筑能源利用率不到三成。因此，努力发展建筑节能特别是大型公用建筑节能己经成为我国建设资源节约型、环境友好型社会的重要内容。本文通过运用PLC与变频器的控制系统，对某空调系统的节能改造达到节能、环保目的，具有重要的实践意义。
关键词：中央空调系统；可编程序控制器；变频器
随着我国经济建设的飞速发展，能源问题己成为国民经济建设中的重要问题，实现可持续发展已经上升为国家的重要战略议题[1]。而建筑节能在需重点节能的行业中，仅次于工业节能而居第二位。我国大部分建筑由于设计、材料等各方面原因，对能源的利用率无法达到发达国家的标准，对建筑能耗的利用具有很大的可上升空间。据调查，国内各大城市中的新建建筑，大部分建筑能源利用率仅为33%左右。因此，努力发展建筑节能特别是大型公用建筑节能己经成为我国建设资源節约型、环境友好型社会的重要内容。将节约能源作为一项基本国策，大力发展建筑节能是实现我国可持续发展的重要举措。
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[2]。
随着科技不断发展，变频技术的使用方法和场所日益广泛，在中央空调系统中利用变频器、可编程序控制器、温度模块、温度传感器、数模转换模块等器件的结合，通过自动控制系统，自动调节冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的电机转数来调节输出流量，最终达到节能目的，在工程中具有实践意义。
一、制冷空调系统如何节能
中央空调系统在设计的时候，设计人员是按照每年最大负荷设计并留有10%左右的余量来设计中央调系统，然而实际每年最大负荷使用时间最多只有十天左右，这就造成中央空调的系统总负荷在一年九成左右的时间都在较低负载一下运行。虽然大部分中央空调系统的主机可以随着负载的变化自动调节能量，但与主机匹配的冷冻水泵系统、冷却水系统、冷却塔风机基本不能自动随负载变化调节，长期在满负荷情况下运行。还有冷却水泵、冷冻水泵的装机容量是取系统最大负荷在增大10%～20%的余量作为安全系数的，冷却水系统、冷冻水系统长期处在大流量小温差的工况下运行，这样就造成了大量电量的浪费，对空调主机而言样的运行环境也不是最佳状态。空调主机设备本身出厂时均带有控制系统，在没有配置统一的控制系统的情况下，这些设备独立开停，不能和外部设备协调统一开停，或者是靠人按照经验调整各个设备的开停顺序和时间间隔；例如根据冷热负荷自动选择应该开停的主机台数、水泵的台数、冷却塔开启时间等，所以中央空调系统中的空调主机部分通常需要配置额外的自控系统。空调系统主要由制冷主机、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔组成。通过PLC控制系统，可以方便的对以上的设备进行控制。据统计，在负荷较低的中央空调系统中，冷冻水泵、冷却水泵用电量就达到整个空调系统用电量的30%～40%。因此，对冷冻水、冷却水系统的节能控制可以大幅节省能源消耗。根据流体力学原理，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：
根据上面公式表明水泵的转速越高流量越大，水泵的扬程越高，需要的转速越大，水泵的功率与转速的立方成正比关系。
式中：n：转速；f：频率；p：电机磁极对数；s：转差率
由上式可知，要想改变水泵的转速n，有三种方法可以達到。首先是改变频率f，其次是改变电机磁极对数，最后是改变电机的转差率。然而电机的磁极对数出厂就已经是固定的值，一般为四对，转差率对同一台水泵来说也是相同的，最容易改变的就是电机的频率，我国的电源都是50赫兹工频，通过减少水泵的输入频率，可以降低水泵的转速，从而大幅减低水泵电机的功率。以水泵功率为35KW为例，水泵转速为1450转/分钟。当通过改变频率，将水泵的转速降低为转速的80%的情况下，其水泵功率为P=（11603/14503）×35KW=17.92kw，节省电量48.8%，如果继续降低转速到原转速的1/2，节省电量为87.5%，但是过于降低转速会造成冷却水系统扬程降低，使冷却塔布水器工作不正常，因此水泵的转速不能过于降低，必须满足冷却水系统的基本要求。
二、案例分析
武汉光明牛奶厂房空调系统由两台500KW制冷量，汉钟螺杆制冷主机RC 2620BZ并联运行，输入功率240KW。冷冻水泵和冷却水泵各有2台，型号均为GDX20024B，扬程16米，功率22KW，接管DN200无缝钢管。均采用星三角转换启动，一用一备的方式运行。横流式400吨冷却塔1台，风扇电机75KW。
奶制品发酵车间生产过程中产生较高温度，如不进行降温处理，不仅生产操作人员无法在厂房内工作，也会影响产品品质，所以只要生产在进行，必须实用中央空调给车间降温。
根据本系统具体情况，主、备水泵切换的交流接触器需要机械互锁，避免切换时接触器触点粘连等异常情况导致可能瞬间两个泵同时通电，而伤害变频器。（KM1与KM2互锁，KM3与KM4互锁）。
制冷主机是螺杆式双机头冷水机，主机控制系统根据出冷冻水出水温度自动加减载调节压缩机功率。水泵及冷却塔风机单独人工开启。水系统配置如图2所示。
三、中央空调节能控制的方法及原理说明
水泵变频节能改造需要用到PLC，因此还可以附带的增加做一些其他功能，比如整个系统主机和水泵、冷却塔联动，短信报警，远程控制等，让系统更智能化，自动化。
（一）利用PLC控制系统与主机控制联动，达到智能化或自动化
中央空调的制冷主机控制系统一般只能控制本机的开停，无法自动让水泵提前开启或滞后关闭，由于PLC控制变频器只需要模拟量端口及少量I/O端口。剩余的I/O口可以给控制主机控制信号，也可以接收主机反馈过来的信号，这样我们就可以实现联动。比如，Q0.0可以控制主机的开停（连接主机设备提供的外接控制端口，或通过中间继电器并联间接发出控制信号。同样I0.0可以接收主机反馈的信号），如此就可以实现联动和智能化控制。 另外，根据需求可以增加GPRS DTU模块，实现故障报警发送至指定手机以及实现手机或PC远程监视和控制开停机、存档温度数据等。
（二）冷冻水泵的变频控制
PLC控制器通过温度模块及温度传感器读取空调机组的冷冻水系统进出口温度，因水温变化是一个缓慢的过程，采样时间定为10秒一个周期。PLC计算出温差，然后根据编写的程序设定，当温差小于4.8℃时，说明系统负荷较低，变频器运行频率下降，PLC每次调整0.5赫兹，降低冷冻水的循环速度和流量；当温差大于5.2℃时，说明系统负荷大，应提高冷冻水泵的转速，PLC每次调整0.5赫兹，增加冷冻水的流量和流速；当温差在4.8～5.2℃时不调整变频器的运行频率，这样通过控制冷冻水的流速，达到控制系统热交换的速度，從而保证冷却泵进出水的温差恒定，实现节能运行。PLC控制器输出610V电压，控制冷冻泵变频器30～50赫兹变化。
（三）冷却水泵的变频控制
各制冷主机系统都有个制冷剂最大压缩比，当蒸发温度确定时就可以确定最佳冷能压力，恒定此压缩比，制冷主机最节能。所以通过压力，让变频器控制水泵运行，改变冷却水流速，恒定冷凝压力，达到冷凝系统节能，以及水泵节能。
为了确保主机的制冷效率最大，需要恒定压差比，所以冷却水泵变频控制不宜依靠冷却水进出口温差控制。
具体方案如下：
冷却水温一般7～12℃，考虑到壳管式冷凝器的结构特点可取冷凝器传热温差5～7℃，那么R22制冷系统蒸发温度在0℃左右，对应的蒸发压力5.0Bar，R22制冷系统最大功率时压缩比是2.9，那么对应冷凝压力14.5kg/cm3。当然，这是个理论估算值，由于冷凝器结垢，水流速变化等原因，该估值不一定精确。本系统配置了低压传感器，将系统稳定后的低压平均值，再乘以2.9就可以得到合理高压值了。
PLC+触摸屏配对控制是个趋势，不需要有机械按钮等输入部件。有了触摸屏即可以显示参数，还可以修改设定参数，图形化界面，通俗易懂。水温/压力/频率等参数实时显示出来。
四、结语
通过本次对空调系统的改造，系统节电的效率上升，虽然一次性投资较大，但从经济角度來看，按本地商业用电电价1.0元/KWH计算，每年可节约近5万元，平均节能在百分之三十左右，改造一年左右即可收回成本。对中央空调系统来说，改造后冷冻水泵、冷却水泵大部分的时间都在额定转速以下工作，水泵的机械磨损、电机的噪音和震动都大为减小，水泵的使用寿命大幅增加，空调末端的温度变化变得平稳，优化了空调系统的运行质量和环境。
参考文献：
[1]陈文璇.PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用[J].中小企业管理与科技旬刊，2009（2）：227228.
[2]江亿.我国建筑能耗趋势与节能重点[J].建设科技，2006（7）：1015.
[3]李明海.中央空调水系统的优化控制与节能技术研究[J].西安建筑科技大学，2011（5）.
[4]洪善祥.变频控制技术在中央空调系统中的应用[J].能源工程，2000（6）.
[5]胡雪梅，任艳艳.中央空调的变频控制设计及节能分析[J].电机与控制应用，2011（07）.
[6]徐凤平，严良文，李文，倪军.中央空调水系统变频节能改造分析与实践[J].自动化仪表，2011（09）.
项目来源：武汉商学院校级科研项目 《建筑中央空调系统节能方法研究》（编号：2016KY001）
作者简介：陈武（1977），男，汉族，本科，实验师，研究方向：建筑环境与能源技术应用。
关键词：中央空调系统；可编程序控制器；变频器
随着我国经济建设的飞速发展，能源问题己成为国民经济建设中的重要问题，实现可持续发展已经上升为国家的重要战略议题[1]。而建筑节能在需重点节能的行业中，仅次于工业节能而居第二位。我国大部分建筑由于设计、材料等各方面原因，对能源的利用率无法达到发达国家的标准，对建筑能耗的利用具有很大的可上升空间。据调查，国内各大城市中的新建建筑，大部分建筑能源利用率仅为33%左右。因此，努力发展建筑节能特别是大型公用建筑节能己经成为我国建设资源節约型、环境友好型社会的重要内容。将节约能源作为一项基本国策，大力发展建筑节能是实现我国可持续发展的重要举措。
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[2]。
随着科技不断发展，变频技术的使用方法和场所日益广泛，在中央空调系统中利用变频器、可编程序控制器、温度模块、温度传感器、数模转换模块等器件的结合，通过自动控制系统，自动调节冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的电机转数来调节输出流量，最终达到节能目的，在工程中具有实践意义。
一、制冷空调系统如何节能
中央空调系统在设计的时候，设计人员是按照每年最大负荷设计并留有10%左右的余量来设计中央调系统，然而实际每年最大负荷使用时间最多只有十天左右，这就造成中央空调的系统总负荷在一年九成左右的时间都在较低负载一下运行。虽然大部分中央空调系统的主机可以随着负载的变化自动调节能量，但与主机匹配的冷冻水泵系统、冷却水系统、冷却塔风机基本不能自动随负载变化调节，长期在满负荷情况下运行。还有冷却水泵、冷冻水泵的装机容量是取系统最大负荷在增大10%～20%的余量作为安全系数的，冷却水系统、冷冻水系统长期处在大流量小温差的工况下运行，这样就造成了大量电量的浪费，对空调主机而言样的运行环境也不是最佳状态。空调主机设备本身出厂时均带有控制系统，在没有配置统一的控制系统的情况下，这些设备独立开停，不能和外部设备协调统一开停，或者是靠人按照经验调整各个设备的开停顺序和时间间隔；例如根据冷热负荷自动选择应该开停的主机台数、水泵的台数、冷却塔开启时间等，所以中央空调系统中的空调主机部分通常需要配置额外的自控系统。空调系统主要由制冷主机、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔组成。通过PLC控制系统，可以方便的对以上的设备进行控制。据统计，在负荷较低的中央空调系统中，冷冻水泵、冷却水泵用电量就达到整个空调系统用电量的30%～40%。因此，对冷冻水、冷却水系统的节能控制可以大幅节省能源消耗。根据流体力学原理，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：
根据上面公式表明水泵的转速越高流量越大，水泵的扬程越高，需要的转速越大，水泵的功率与转速的立方成正比关系。
式中：n：转速；f：频率；p：电机磁极对数；s：转差率
由上式可知，要想改变水泵的转速n，有三种方法可以達到。首先是改变频率f，其次是改变电机磁极对数，最后是改变电机的转差率。然而电机的磁极对数出厂就已经是固定的值，一般为四对，转差率对同一台水泵来说也是相同的，最容易改变的就是电机的频率，我国的电源都是50赫兹工频，通过减少水泵的输入频率，可以降低水泵的转速，从而大幅减低水泵电机的功率。以水泵功率为35KW为例，水泵转速为1450转/分钟。当通过改变频率，将水泵的转速降低为转速的80%的情况下，其水泵功率为P=（11603/14503）×35KW=17.92kw，节省电量48.8%，如果继续降低转速到原转速的1/2，节省电量为87.5%，但是过于降低转速会造成冷却水系统扬程降低，使冷却塔布水器工作不正常，因此水泵的转速不能过于降低，必须满足冷却水系统的基本要求。
二、案例分析
武汉光明牛奶厂房空调系统由两台500KW制冷量，汉钟螺杆制冷主机RC 2620BZ并联运行，输入功率240KW。冷冻水泵和冷却水泵各有2台，型号均为GDX20024B，扬程16米，功率22KW，接管DN200无缝钢管。均采用星三角转换启动，一用一备的方式运行。横流式400吨冷却塔1台，风扇电机75KW。
奶制品发酵车间生产过程中产生较高温度，如不进行降温处理，不仅生产操作人员无法在厂房内工作，也会影响产品品质，所以只要生产在进行，必须实用中央空调给车间降温。
根据本系统具体情况，主、备水泵切换的交流接触器需要机械互锁，避免切换时接触器触点粘连等异常情况导致可能瞬间两个泵同时通电，而伤害变频器。（KM1与KM2互锁，KM3与KM4互锁）。
制冷主机是螺杆式双机头冷水机，主机控制系统根据出冷冻水出水温度自动加减载调节压缩机功率。水泵及冷却塔风机单独人工开启。水系统配置如图2所示。
三、中央空调节能控制的方法及原理说明
水泵变频节能改造需要用到PLC，因此还可以附带的增加做一些其他功能，比如整个系统主机和水泵、冷却塔联动，短信报警，远程控制等，让系统更智能化，自动化。
（一）利用PLC控制系统与主机控制联动，达到智能化或自动化
中央空调的制冷主机控制系统一般只能控制本机的开停，无法自动让水泵提前开启或滞后关闭，由于PLC控制变频器只需要模拟量端口及少量I/O端口。剩余的I/O口可以给控制主机控制信号，也可以接收主机反馈过来的信号，这样我们就可以实现联动。比如，Q0.0可以控制主机的开停（连接主机设备提供的外接控制端口，或通过中间继电器并联间接发出控制信号。同样I0.0可以接收主机反馈的信号），如此就可以实现联动和智能化控制。 另外，根据需求可以增加GPRS DTU模块，实现故障报警发送至指定手机以及实现手机或PC远程监视和控制开停机、存档温度数据等。
（二）冷冻水泵的变频控制
PLC控制器通过温度模块及温度传感器读取空调机组的冷冻水系统进出口温度，因水温变化是一个缓慢的过程，采样时间定为10秒一个周期。PLC计算出温差，然后根据编写的程序设定，当温差小于4.8℃时，说明系统负荷较低，变频器运行频率下降，PLC每次调整0.5赫兹，降低冷冻水的循环速度和流量；当温差大于5.2℃时，说明系统负荷大，应提高冷冻水泵的转速，PLC每次调整0.5赫兹，增加冷冻水的流量和流速；当温差在4.8～5.2℃时不调整变频器的运行频率，这样通过控制冷冻水的流速，达到控制系统热交换的速度，從而保证冷却泵进出水的温差恒定，实现节能运行。PLC控制器输出610V电压，控制冷冻泵变频器30～50赫兹变化。
（三）冷却水泵的变频控制
各制冷主机系统都有个制冷剂最大压缩比，当蒸发温度确定时就可以确定最佳冷能压力，恒定此压缩比，制冷主机最节能。所以通过压力，让变频器控制水泵运行，改变冷却水流速，恒定冷凝压力，达到冷凝系统节能，以及水泵节能。
为了确保主机的制冷效率最大，需要恒定压差比，所以冷却水泵变频控制不宜依靠冷却水进出口温差控制。
具体方案如下：
冷却水温一般7～12℃，考虑到壳管式冷凝器的结构特点可取冷凝器传热温差5～7℃，那么R22制冷系统蒸发温度在0℃左右，对应的蒸发压力5.0Bar，R22制冷系统最大功率时压缩比是2.9，那么对应冷凝压力14.5kg/cm3。当然，这是个理论估算值，由于冷凝器结垢，水流速变化等原因，该估值不一定精确。本系统配置了低压传感器，将系统稳定后的低压平均值，再乘以2.9就可以得到合理高压值了。
PLC+触摸屏配对控制是个趋势，不需要有机械按钮等输入部件。有了触摸屏即可以显示参数，还可以修改设定参数，图形化界面，通俗易懂。水温/压力/频率等参数实时显示出来。
四、结语
通过本次对空调系统的改造，系统节电的效率上升，虽然一次性投资较大，但从经济角度來看，按本地商业用电电价1.0元/KWH计算，每年可节约近5万元，平均节能在百分之三十左右，改造一年左右即可收回成本。对中央空调系统来说，改造后冷冻水泵、冷却水泵大部分的时间都在额定转速以下工作，水泵的机械磨损、电机的噪音和震动都大为减小，水泵的使用寿命大幅增加，空调末端的温度变化变得平稳，优化了空调系统的运行质量和环境。
参考文献：
[1]陈文璇.PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用[J].中小企业管理与科技旬刊，2009（2）：227228.
[2]江亿.我国建筑能耗趋势与节能重点[J].建设科技，2006（7）：1015.
[3]李明海.中央空调水系统的优化控制与节能技术研究[J].西安建筑科技大学，2011（5）.
[4]洪善祥.变频控制技术在中央空调系统中的应用[J].能源工程，2000（6）.
[5]胡雪梅，任艳艳.中央空调的变频控制设计及节能分析[J].电机与控制应用，2011（07）.
[6]徐凤平，严良文，李文，倪军.中央空调水系统变频节能改造分析与实践[J].自动化仪表，2011（09）.
项目来源：武汉商学院校级科研项目 《建筑中央空调系统节能方法研究》（编号：2016KY001）
作者简介：陈武（1977），男，汉族，本科，实验师，研究方向：建筑环境与能源技术应用。