PLC及变频器在中央空调节能改造中的应用

2015-07-19崔作庆肇庆市技师学院广东肇庆526020

中国新技术新产品 2015年7期

关键词：温度差水流量扬程

崔作庆（肇庆市技师学院，广东肇庆 526020）

崔作庆
（肇庆市技师学院，广东肇庆 526020）

本文主要针对PLC及变频器在中央空调节能改造中的应用展开了探讨，对中央空调系统的运行和节能原理作了详细的阐述，并通过结合具体的工程实例，给出了一系列PLC及变频器在中央空调节能改造的措施，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。

PLC；变频器；中央空调；节能改造

中央空调是现代建筑物中重要的电气设施之一，由于其耗能非常大，约占建筑物总电能消耗的60%。而在中央空调节能改造中应用PLC及变频器，不仅可以大幅度节约电能和提高中央空调的自动化程度，还能使系统具有运行可靠、结构简化、维护维修方便等优点。因此，中央空调的节能改造都普遍倾向于应用PLC及变频器。

1 中央空调系统概述

空调系统由水系统、空调机组、风系统、散热系统以及末端系统构成，制冷机经过压缩机把制冷剂压缩变为高压高温的气体，在传输到冷凝器中和冷却水实施热交换。冷却水变为高温水，水泵把高温水输送到散热系统再对其降温，和外界环节实行换热，把热量释放至空气中。制冷剂通过冷凝器转变为液态，经过节流阀降压后，在蒸发器中和冷冻水进行换热，冷冻水杯降温后，水泵再把冷水运输到空调末端，为用户提供制冷功能。制冷剂蒸发转变为气态后背吸入压缩机，达到一个良好的循环。

2 中央空调节能改造原理

2.1 水系统中的变水量调节原理

空调水系统中的变水量调整原理可以使用能量守恒的定理表示如下：

式中：

q-系统冷负荷；

C-水的比热容；

Q-冷水流量；

Δt-回水温差和送水温差，通常选择5℃。

从以上公式中可知，空调水系统可以按照实际负荷的多少对水流量、回水温差、供水温差进行调节。在实施水系统设置时，q、Δt、C的数据为确定值。因此，水流量Q也将作为确定值，水系统根据这个确定值数据开展设备选型。水系统运行时，q作为一组独立参数，和室外环境条件以及室内热源等多种因素有一定关系。水系统负荷q产生一定变化时，系统的温差Δt和水流量Q必定会同时发生改变。假设更改回水温度和供水温度差Δt，保证水流量Q不产生任何变化，则会变为定流量系统；假设保证回水温度和供水温度差Δt不产生任何变化，改变水流量Q，则有可能形成变流量系统。科学合理的改变流量系统，保证回水温度和供水温度差Δt处于恒定，负荷和水量将表现为线性相关关系，可考虑采取变频水泵。

2.2 水泵变频节能的原理

中央空调的水系统可以达到热量交换的循环，通常对水流量的调整是经过挡板和阀门的开度开实施控制。所以，多数电能可能会浪费在挡板和阀门的阻力上，假设将其转为变频系统，将损耗在阀门和挡板的电能节约下来，水泵节能效果就很显著。因此，使用变频技术监控水泵的正常运行，是中央空调节约电能改造的有效措施之一。

图1 水泵扬程—流量相关性图

图1表示的是变频调整和阀门调整两者控制时扬程与流量的相关性。图1中①表示泵在转速为n1扬程与流量的相关性曲线，②表示泵在转速为n2扬程与流量的相关性曲线，③曲线表示阀门正常是管路特性，④曲线表示阀门变小时的管路特性。水泵的有效功率表达方式如下：

式中：

Pe-泵的有效功率，单位为kW；

ρ表示流体的密度，单位为kg/m3；

g-重力加速度，使用单位为m/s2；

H-扬程，使用单位为m；

Q-体积流量，使用单位为m3/s。

假设泵的标准工作点是A，流量是Q1、扬程是H1，根据以上公式可以知道有效功率Pe1和Q1、H1的积表现为正比例关系。当流量从Q1转变为Q2时，假设使用阀门调整的方法，管路特性将由曲线③转变为曲线④，有效功率可以采取OQ2CH3表达；假设使用变频调节的方法，泵转速由n1转变为n2，扬程减少至H2，有效功率Pe2可采取面积BH2OQ2表达。从图1中可以知道，节约的能量ΔP（即面积CH3H2B ）是非常显著的。

表1 空调系统设备详细信息

图2 控制系统功能结构图

3 工程实例

3.1 工程描述

某商贸大厦的中央空调水泵为一次泵，泵电机定速工作，回供水温差约为3℃，使用继电器控制水泵。系统各个设备详细信息见表1。

该大厦空调机组选型运算是根据极端天气和最差状态下设置的，有较大程度的宽裕，系统实际运行很少会在这种极端的情况下运行，通常一年中只有5天左右处于最大负荷状态。大厦原本使用的空调系统除了消耗能源较大外，还将引起一系列的问题，具体如下。

（1）水流量过大会引起系统温度差减弱，换热效率减小，使得机组工作条件恶化，损耗额外电能。

（2）水泵使用自耦变压器开启，电机开启式电流增大，对于供电系统带来严重干扰。

（3）通常泵启、停不是软停、启，在泵停、启时，将会产生水锤现象，对于零件阀门、网管、管道等形成一定程度的损坏。

为保证负荷波动和循环水流量相负荷，运用变频控制对于空调水系统实施节能改造，能够减少系统的能力耗损。首先其可以控制水泵的转速，使得水量伴随着负荷的改变相适应，进而节约能量；其次由于变频器的开启方式是软启动，电机在开启式没有冲击电流，如此可以预防水锤现象的产生，延长零件阀门、电机、管道的使用期限。

3.2 节能措施

按照大厦原有的空调运行状态，拟定大楼空调水循环节约能源的改造措施，具体方法如下。

冷冻泵功率为55kW，冷却泵功率79kW，空调机组功率大约在35%，因此对冷却水系统应该实施改造，在保障稳定可靠运行的状况下，获得较为明显的节能效果。

冷却水系统、冷冻水系统的控制都采取定温度差控制方法，温差控制适合使用于泵的恒流量更改，把冷却水、冷冻水的温差度控制在4.8℃左右。使用温度传感器测量回水温度和供水温度，把结果通过数模转变为数字量传输到PLC进行计算，按照计算结果数据监控变频器，进而监控水泵转速来调整水流量。假设回水温度和供水温度差较大，应该增强水泵频率，提升循环水流量；同样的回水、供水温差较小是应该减少水泵频率，降低循环水流量。

经过PLC设置冷却塔水温控制在30℃左右，PLC使用的实际温度和设置数据对比，但温差值上升3℃左右时，启动两台风机，温差值减少3℃时，延长五分钟后暂停两台风机，经过PLC程序完成电气和仪表的连锁监控，完成节能的最初目标。

系统水泵的转速都使用变频控制措施，正常运行时，水泵在40Hz左右变频运动。当变频控制系统产生故障时，应该启动原有的控制电路，使水泵定频运作。

3.3 变频器控制水泵步骤

PLC控制器经过温度模块和温度传感器收集实际温度仪表数据，把压缩机器的出水温度和回水温度输入PLC控制器内存中，PLC的相关计算系统出进水温差值。按照压缩机的出水温度和回水温度差值监控变频器的频率，进而控制变频电机的转速，调整出水量，合理调整热交换速度。温度差表示室内温度较高，系统负荷较小，可以有效减少冷冻泵的转速，降低冷冻水的循环流量和速度，经过PLC和变频器间的协同作用完成节能的目标。冷却水出水进水温差较大，表示压缩机负荷较大，需要冷却水带走大量的热量，增强冷却泵的转速，增加冷却水的循环量。温度差较小，表示压缩机负荷较小，需要带走的热量可以减少冷却泵的转速，降低冷却水，以达到节能的目的。

3.4 节能改造系统设计

以下一冷冻水泵为例子详细介绍节能改造方案的设计接触器KM3是其旁通接触器，连接后可以开启原水泵的控制电路，保障水泵定频运行。接触器KM1作为M1的变频接触器。两台水泵的接触器经过PLC实施控制，旁路接触器经过继电器控制，变频接触器和旁路接触器间有相关的电器互锁。

控制系统的构造如图2所示，控制环节经过两个温度传感器测量出水温度和进水温度，检测结果经过A/D转变模板，把模拟量转变为数字量输送给PLC，PLC系统把数字量信息实行运算，计算结果经过调速D/A模板再次转变为模拟量，调整变频器的转速。进水出水温度差值较大，则应该提升水泵转速；温度差较小是，减少水泵转速，进而保障温度差维持在稳定状态，以达到节能的目标。

3.5 变频调整速率系统节约能源的评估

根据与离心泵定理可以表述如下，其中Q表示的是水泵流量P表示水泵功率；H表示水泵扬程；n表示为水泵转速。根据公式可知，频率和泵流量成正比关系，频率的平方和泵的扬程为正比关系，频率的三次方和水泵为正比关系。经过变频调速后，节能效果十分显著。所以，采取变频调速的方式来调整中央空调水系统流量有十分重要的意义。