◎吴廷鑫

PLC与变频器在中央空调系统节能改造中的应用

◎吴廷鑫

通常在现代建筑的耗电总量中，中央空调的耗电量要占其较大一部分的比重。因此，研究中央空调系统的相关节能改造技术，不管是对建筑的用电优化还是对社会节能来说，都有着长远而重要的意义。在本文中，笔者首先介绍了中央空调的原理以及其主要设备PLC与变频器的特性。然后通过具体的实例来说明，应用PLC与变频器，能够使中央空调在极大程度上降低能耗。希望通过本文能对我国节能减排相关研究事业有借鉴作用。

目前，我们国家有许多大型建筑在空调建设过程中，都会采用中央空调系统。但是由于该系统自身条件以及使用条件的限制，造成了空调能耗非常高的情况。这不管是对于企业降低建筑成本，还是国家节能损耗来说，都是有不利之处的。国内很多建筑中使用的中央空调系统的配置与其自身使用量和用户需求量相比较而言，往往过高，比如我们在一般天气中在使用空调的时候，往往耗费程度都比较低，而一年中只会有那么几天的极端情况才能让空调在最大负荷下使用，但是空调系统的机组和水泵等配置过高，如此就会造成水泵增大能耗还有恶化空调机组的情况产生。因此，对空调水循环进行改造，势必要通过降低中央空调机组的耗电量来进行。接下来我们将对其进行具体分析。

中央空调系统概述

空调系统，是指通过人为的方法，对室内空气湿度、温度、洁净程度以及气流速度进行处理的系统，它的主要组成部分包括了空调机组、水系统、风系统、末端系统以及散热系统。制冷机通过压缩机压缩制冷剂转变为高温高压的气体并传送到冷凝器中后，然后与冷却水之间完成热交换。冷却水经热交换被加热，通过水泵将高温水传送到散热系统中，再来通过散热系统对其进行降温处理，然后继续进行与外界环境的换热，最后将热量释放至环境中。制冷剂经过冷凝器被凝成液态状，被节流阀节流降压，然后再蒸发器中同冷冻水进行换热工作以使冷冻水降温。冷冻水降温后，水泵将冷水送至各个空调末端来为用户供冷。同时制冷剂又蒸发成为气态，然后吸入到压缩机当中。如此一来，空调系统就完成了一个循环。

中央空调系统的节能机制

中央空调系统中水泵、风机和转速之间的关系： 水泵和风机，其流量（或风量）随着转速的增加而增加；水泵和风机，其压力（或扬程）随着转速增加而增加，与转速的平方成正比；水泵和风机的轴功率，等于流量×压力；

由上述三点我们可以得出，水泵和风机的轴功率与其转速的三次方为一个正比例关系，即是指水泵和风机的轴功率与电源频率的三次方保持正比关系。由此可知，若是改变水泵和风机的转速，我们就可以改变其功率。

图1

在设计中央空调系统的时候，通常是按照其环境最大需冷量在进行考虑，同时冷却泵和冷冻泵又是依据单台设备的一个最大工况进行参照。在这种设计下，致使至少有90%的时间里面，冷冻泵和冷却泵都处在一个低承载的环境中进行其工作。在这种情况下，如果对于工作系统还使用自动阀门来调节，不仅不能减少损失，这种间歇性的空调系统调节方式，还会造成空调系统的不平稳，其工作始终会处在一个忽高忽低的波动状态。但是若使用变频器对风量进行控制，由图1我们就可以看出，它能节约大量的电能。通过变频器在冷却泵与冷冻泵上的使用，可以很大程度地减少节流损失，同时它还能通过自身具备的控制功能，非常科学的对空调系统进行调节和控制。除此之外，变频器的软性启动功能和平滑调速功能，还能使空调系统实现一定的自我稳定，并通过这种方式，保护空调机组，延长使用寿命。

PLC与变频器的优势

下面，我们了解一下变频器及其重要配合器件PLC（可编程控制器）的特性。接下来我们将作介绍。

变频器。变频器通过改变电源频率，进一步去改变电动机转速，其形成的改变通常都比较均匀平滑。一般情况下，变频下较多的被运用在异步电动机中，发挥其自身优势，起到对异步电动机进行调节转速的良好作用。同时变压器的软性启动功能，能使电流启动在一定程度上降低对供电设备所产生的冲击性，并减少振动和噪音。

PLC。PLC是一种新型的可编程控制器，它主要被应用在工业系统中。同传统的继电器技术使用相比较而言，PLC具备了通用性更好、接线更加方便简单、适配性强等硬件优势，同时其功能也更加丰富，可以通过编程的方式完成大多数的控制工作。不仅如此，PLC在使用过程中也占据很强的优势，其使用过程中很少出现接触不良或者电弧损坏等情况，如此一来，就能最大程度保证使用寿命的长度。最后是PLC的定时范围和功能、体积和耗能等，都优于继电器工作。

PLC与变频器在中央空调系统节能中的改造应用实例

实例描述。本例以某商贸大厦的空调系统为背景。该大厦的中央空调系统选用的是一次水泵，其泵电机定速工作，回供水温差在3℃左右，原使用继电器工作控制水泵。

该大厦选择空调机组型号运输是以极端天气和最差状态为参考而设置，能满足空调运行的最大需求。但是其实空调系统的运行通常处于普通水准，一年之中最多就一周时间才会用到系统设备的最高程度。大厦原来的空调系统常年在这种高配置低需求的情况下运转，造成了大量的能源浪费情况，同时，水泵原本的非软性开启模式，增大了电机开启时的电流，严重干扰到供电系统的工作，因而进一步的发生水锤的情况。日积月累的，不管是空调系统的机组，还是零件阀门等，都会在一定程度上受到损害威胁，不利于其后期的长期运转工作。

因此，我们在这里探讨和研究，如何通过变频来使空调水系统更加有效地进行节能运行，减少系统的不必要能源损耗。首先，变频器可以控制水泵转速，让水量随负荷改变而作出适应性的改变，从而节约能量；然后，变频的软性启动方式，阻挡了电机开启时被电流冲击的力量，保护电机的同时也防止了水锤，进一步的延长了空调系统相关器件的使用寿命。

表1 空调系统原有的设备相关信息

节能改造方案

首先要根据大厦原本的情况来改造其空调水循环，如图2所示为原空调系统设备的详细信息。

原冷冻水泵和冷却水泵的功率分别是57kW和79kW，与其空调机组配置情况相比，功率稍大。因此，为保证在系统稳定和安全运行，实现节能效果，我们需要改造其水系统的相关配置。

冷冻水和冷却水的系统控制，同时都应该应用定温度差的控制形式，这种方式适用于泵恒流量改造中，能平衡控制冷冻水和冷却水温度差，维持在4.5～5℃。使用温度传感器去测供和回水温度并得出结果，然后使用数模转化模块将该结果转化为数字量传送至PLC进行相关计算，再参考计算的结果以控制变频器，此时便能够根据控制水泵转速来进行水流量调节工作。供水和回水之间的温差能够较好的反应其负荷的具体情况，若温差大，就增加水泵频率和水流量循环量；反之，则应该降低水泵频率和循环水流量。

空调系统的所有水泵转速都需要通过变频器来控制。系统工作正常情况下，水泵就在30Hz至50Hz之间变频运行；若变频控制系统发生任何异常状况时，再来启动原本的控制电路，让水泵得以定频工作。变频状态时，有自动、手动两种调频方式，调节变化量均为0.5Hz。

节能改造系统设计

这里对冷冻水泵改造进行分析：M1的旁通接触器为接触器KM3，若KM3处于接通状态，则可启用原本水泵控制电路，保证水泵正常运行，M1的变频接触器为KM1。分别应用继电器电路和PLC去控制旁路接触器和两台水泵变频接触器，同时旁路接触器以及变频接触器之间有电路互锁。

图2 M1电气控制原理

图3 冷冻水泵控制系统功能结构

使用两个温度传感器去测量控制部分的进水和出水温度并得出结果，然后使用A/D转换模块将测量结果转换成数字量传送给PLC，PLC对这些数字量进行信息计算，随后将计算的结果通过调速D/A模块进行再次转换，最后通过转换的模拟量来对变频器的转速进行调节。若是进水和出水之间温差较大，就调大水泵转速，反之则调下转速。如此便可恒定温差，从而达到最终的节能目标。

节能效果评估。根据我们前面对中央空调系统节能原理中三条比例关系的分析，并结合水泵在不同频率时刻节能率，经过应用变频器调速，节能工作取得了十分显著的效果。

随着大型建筑项目的增加，中央空调系统也越来越被广泛应用。在享受它带来好处的同时，我们也思考其耗能方面的缺陷，试图用更好的方式改造节能系统。通过相关实验和分析，证明将PLC与变频器使用进中央空调系统的节能改造中，大有益处。希望未来这项技术能更多更广泛的被运用，为社会节约更多能源。

（作者单位：郑州轻工业学院电气信息工程学院；郑州市电子信息工程学校）