摘要 ：本文從能源利用角度分析了中央空調(diào)系統(tǒng)的缺點(diǎn)以及冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)能耗大的根本原因，同時(shí)闡述了變頻調(diào)速技術(shù)在中央空調(diào)應(yīng)用中的節(jié)能原理及節(jié)能措施，最后介紹在PLC控制下變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)在中央空調(diào)水系統(tǒng)應(yīng)用中顯著的效果。

關(guān)鍵詞 ：中央空調(diào)系統(tǒng) 節(jié)能技術(shù) 變頻調(diào)速技術(shù) PLC控制

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、電力供應(yīng)日趨緊張。中央空調(diào)以電能為動(dòng)力，為人們提供了舒適的生活和工作環(huán)境，高層樓宇的中央空調(diào)是用電大戶，幾乎占了建筑物耗電量的60%；對(duì)于商場(chǎng)和綜合大樓則高達(dá)70%以上，日常開支費(fèi)用很大。在歐美等一些發(fā)達(dá)國(guó)家中，空調(diào)耗電量甚至占了其城市總用電量的30%以上。因此節(jié)能已成為各行業(yè)的重要議題。隨著空調(diào)的應(yīng)用和普及，中央空調(diào)節(jié)能已顯得越來越重要[1]。節(jié)能已成為中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)中亟待解決的問題。

1.現(xiàn)有中央空調(diào)系統(tǒng)的缺點(diǎn)

中央空調(diào)系統(tǒng)是由一連串的流體機(jī)械和熱交換器組合而成的。它主要由制冷系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和冷卻水塔系統(tǒng)五部分組成。

現(xiàn)有中央空調(diào)系統(tǒng)的缺點(diǎn)：

（1）空調(diào)負(fù)荷要求的不均勻性。在中央空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)為保證在大氣溫度最高的情況下能滿足使用要求，所以按滿負(fù)荷計(jì)算并有一定的富裕量，而日常使用時(shí)由于氣象條件、人員數(shù)量、工作時(shí)間、活動(dòng)內(nèi)容的變化所需負(fù)荷是不斷變化的，往往達(dá)不到最大值。冷卻水泵的配置是按夏季的最大流量配置，必然存在大馬拉小車的問題，水泵的流量不能隨制冷主機(jī)而調(diào)節(jié)，必然存在很大的能量浪費(fèi)。

（2）系統(tǒng)通過節(jié)流閥或調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)流量、壓力，存在較大節(jié)流損失和大流量小溫差的現(xiàn)象。不僅浪費(fèi)大量電能，而且還可能造成空調(diào)運(yùn)行大幅度偏離額定設(shè)計(jì)的情形，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備帶來不利的影響。

（3）冷凍水循環(huán)系統(tǒng)能耗過大根據(jù)泵的流量計(jì)算公式，冷凍水的流量與冷凍水泵的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)冷凍水泵轉(zhuǎn)速高時(shí)，冷凍水的流量大，流速快。當(dāng)冷凍水流過風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組時(shí)，還沒來得及將所帶的冷量全部釋放完，就已返回制冷機(jī)去了，造成冷凍水泵輸送和空調(diào)主機(jī)冷卻能量的過度損耗。

2.變頻節(jié)能技術(shù)的分析

目前，變頻調(diào)速技術(shù)是逐漸被人們重視并正在制冷空調(diào)系統(tǒng)中得到迅速發(fā)展和應(yīng)用的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，變頻調(diào)速技術(shù)可有效改良空調(diào)系統(tǒng)的不足，提高系統(tǒng)效率，降低設(shè)備能耗。通常，變頻調(diào)速技術(shù)主要是通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變?cè)O(shè)備工作狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n正比于電源的頻值；泵的水流量Q正比于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n的一次方；外界的溫度差△T反比于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n的一次方；泵的轉(zhuǎn)矩T正比于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n的二次方；電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸功率P正比于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n的三次方。水泵電機(jī)的容量是按照最大熱交換量的情況設(shè)計(jì)，一般冷凍水設(shè)計(jì)溫差為 5℃～7℃，冷卻水設(shè)計(jì)溫差為 4℃～6℃，在流量穩(wěn)定情況下，中央空調(diào)系統(tǒng)絕大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行的，在全年絕大部分運(yùn)行時(shí)間里一般中央空調(diào)水系統(tǒng)的供回水溫差僅為 1℃～3℃，實(shí)際熱交換量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值。而熱交換量的大小取決于水的流量，水的流量又取決于水泵的轉(zhuǎn)速。若水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速能根據(jù)熱負(fù)荷來調(diào)整，當(dāng)熱負(fù)荷減小時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)地降低，電機(jī)的耗電量就會(huì)大幅度下降，則電機(jī)的功耗將明顯減少，從而達(dá)到節(jié)電目的。

在中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)中，降低冷卻水溫度可以提高制冷系數(shù)，降低單位制冷量的能耗。冷卻水溫調(diào)控的目的是在滿足負(fù)荷的要求下，使冷卻水溫度盡可能低，同時(shí)不增加冷卻塔電機(jī)的功耗。而冷卻塔所提供的冷卻水除了與冷卻塔性能有關(guān)外，還與環(huán)境工況、風(fēng)扇電機(jī)及水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。因此，當(dāng)環(huán)境工況有利于降低冷卻水溫度時(shí)，可以通過對(duì)冷卻塔風(fēng)扇及水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制來達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)冷凍水的流速減慢后，單位時(shí)間內(nèi)在蒸發(fā)器中交換的熱量也會(huì)減小，為保證出口溫度不變，壓縮機(jī)必須卸載。在蒸發(fā)器壓力（溫度）確定之后，壓縮機(jī)功耗就與冷凝壓力（溫度）的高低成正比，增大冷卻水流量有利于降低壓縮機(jī)功耗，但冷卻水泵功耗也會(huì)上升，因而應(yīng)使冷卻水流量控制在總成本最低點(diǎn)上。采用交流變頻調(diào)速技術(shù)后，由于電機(jī)可在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，可將所有節(jié)流閥開至最大，使管道暢通，節(jié)流損失最小。通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變冷卻水、冷凍水的流速，使其在滿足制冷機(jī)正常工作以及達(dá)到平衡熱負(fù)荷所需冷量的要求下，使冷卻水、冷凍水在冷卻塔及風(fēng)機(jī)盤管中充分釋放與熱負(fù)荷大小相當(dāng)?shù)睦淞?，提高換熱效果。

在中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和冷卻水塔風(fēng)機(jī)分別采用變頻調(diào)速控制都可以取得顯著節(jié)能效果。在中央空調(diào)系統(tǒng)中，往往有多臺(tái)冷凍水泵和冷卻水泵分別構(gòu)成管路并聯(lián)的冷凍水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。在此類系統(tǒng)中，只需在冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)中分別采用1臺(tái)變頻調(diào)速器，分別使用1臺(tái)PLC控制器和切換控制器對(duì)一組冷凍泵電機(jī)和冷卻泵電機(jī)進(jìn)行切換控制，使兩個(gè)系統(tǒng)均有1臺(tái)泵處于可調(diào)節(jié)狀態(tài)，當(dāng)熱負(fù)荷較小時(shí)只需1臺(tái)電機(jī)工作在低于工頻狀態(tài)就能滿足要求，根據(jù)設(shè)計(jì)者的意愿，可通過 PLC 控制器和切換控制器使任1臺(tái)電機(jī)工作在變頻狀態(tài)，運(yùn)行頻率可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的大小由變頻器自行調(diào)定。當(dāng)熱負(fù)荷增大，開1臺(tái)電機(jī)不夠，而開兩臺(tái)電機(jī)又有余時(shí)，通過參數(shù)反饋控制給PLC 控制器發(fā)出起動(dòng)另1臺(tái)電機(jī)的指令，PLC控制器和切換控制器會(huì)自動(dòng)地將原來工作在變頻狀態(tài)的電機(jī)的頻率從運(yùn)行頻率提高至工頻50Hz，然后將它從變頻器上切除并直接掛接到工頻電源上，再將第二臺(tái)電機(jī)連接到變頻器上，使第二臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)平滑軟起動(dòng)，運(yùn)行頻率根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需要由變頻器調(diào)定。當(dāng)熱負(fù)荷進(jìn)一步增大，上述切換控制過程不斷重復(fù)，直至所有電機(jī)全部投入。水系統(tǒng)能提供的最大容量是全部電機(jī)均工作在工頻滿負(fù)荷狀態(tài)。利用PLC控制器對(duì)變頻器進(jìn)行切換控制，可取得最佳的節(jié)能效果，而且，減少了與傳統(tǒng)控制器相比的大量中間繼電器，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，達(dá)到最少投資和最大回報(bào)的效果。

3.結(jié)論

（1）從以上分析可知采用變頻技術(shù)的中央空調(diào)水系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)1）節(jié)約能源。采用先進(jìn)的控制技術(shù)、控制參數(shù)合理地反映系統(tǒng)負(fù)荷情況，使空調(diào)系統(tǒng)適應(yīng)負(fù)荷變化，節(jié)能率一般在 45% 左右，甚至更高。

（2）水泵具有軟啟動(dòng)和軟停止功能。切換平滑，沖擊電流小，提高了設(shè)備的使用壽命。

（3）較多臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多泵控制，減少水泵投入臺(tái)數(shù)，便于用戶系統(tǒng)擴(kuò)展；同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷機(jī)的自動(dòng)控制，水泵運(yùn)行、啟停均由程序控制，便于管理。

（4）變頻系統(tǒng)一般具備標(biāo)準(zhǔn)接口，可以與上位機(jī)連接，便于實(shí)現(xiàn)樓宇的集中控制。

（5）可實(shí)現(xiàn)快速冷暖，溫度控制精度高，具有較好的舒適感。

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作者簡(jiǎn)介：

王樂，男 1986.3 學(xué)士學(xué)位 助理工程師 暖通專業(yè).