中央空调系统节能改造初探

2013-08-27詹庆祥

机电信息 2013年9期

关键词：制冷机中央空调空调

詹庆祥

（广州大学城能源发展有限公司，广东广州510000）

0 引言

随着我国经济建设的发展以及人们生活水平的不断提高，中央空调系统也得到了广泛应用。但中央空调系统的运行能耗也是十分惊人的，空调能耗约占建筑总能耗的30%～40%，并且存在能源浪费严重的现象，降低空调能耗刻不容缓。

1 系统运行现状

1.1 水系统设计流程

中央空调系统主要由冷却塔、制冷机以及风机盘管、冷冻水循环、冷却水循环等系统组成。该系统还包括了1台冷水箱、2个冷却塔、3台1次冷冻泵、2台2次冷冻泵、2台热水泵、2台制冷机、3台冷却水泵、2台空调机组、1套电子除垢仪、1个定压膨胀水灌，以及少数自动排气阀、电动阀、板式换热器、电磁阀和空调末端装置。

中央空调系统中的制冷剂，通过制冷机利用压缩机将其压缩为液态后，传送至蒸发器内，使其冷冻水实行热交换，从而致冷冷冻水，而后冷冻水通过冷冻泵到达各个风机风口的冷却盘管当中，当风机开启时，即可将其吹送出去，从而实现降温。当制冷剂蒸发之后，其通过冷凝器产生的热量转化为气态，之后再由冷却泵将冷却水送至冷却塔，冷却水在与大气开始热交换前，先经水塔风机的喷淋以达到降温目的，而后再与大气接触，将热量散发出去。

1.2 系统在维护和使用中的主要问题

（1）运行成本高。当冷水箱温度较高时，制冷主机将需要更长的工作时间才可发挥作用，而制冷主机的工作时间越长，其所耗费的电力也就越多，进而提高系统的运行成本。其原因主要为系统冷水箱通常被安置于空调机组室内，而在气候炎热时，室内温度可达到30℃以上，温度较高，继而对冷水箱的温度造成影响。（2）系统开放性低。在未对旧系统进行升级改进前，其控制器为2台SIEMENSMEC单片机，不但不能满足信息化应用的需求，对系统数据进行收集、记录、共享等操作，而且其通信性能极差，无法与自动化系统进行远程通信，某些数值的收集以及参数的设置工作必须到现场进行手工操作才可完成。（3）维护成本高。某些系统在使用多年后，其性能已无法充分满足生产需求，必须通过升级与改进才可继续投入使用，然而，系统的升级与改进工作需要应用到原有备件，因系统较旧，市场上极难找到其备件，不仅需要消耗较长的时间进行采购工作，且价格往往高于新备件。随着时间的流逝，系统的维护成本将越来越高。

2 系统节能改造

由于该中央空调系统为旧有系统，无法进行过大的改动工作，据此，在保证正常供给的基础上，对该系统作出下列改进。

2.1 控制系统升级改造

就系统中存在的缺陷，以SIEMENS PLC控制替代系统原本的SIEMENSMEC单片机，同时，为使中央空调系统能够进行自动化集中控制，将整个系统与自动化系统连接起来，取消原有的SIEMENSMEC，并在自动化系统当中增加2个ET200M作为从站，该从站地址分为15模块与16模块。

其中，从站15模块如下：（1）接口模块：6ES7153－1AA02－0XB0 1个。（2）模拟量I模块：6ES7331－7NF00－0AB0 2 个。（3）模拟量 O模块：6ES7332－5HD01－0AB0 1个。（4）数字量I模块：6ES7321－1BH01－0AA0 3 个。（5）数字量O模块：6ES7322－1BH01－0AA0 1个。从站16模块如下：（1）接口模块：6ES7153－1AA02－0XB0 1个。（2）模拟量I模块：6ES7331－7NF00－0AB0 1个。（3）模拟量O模块：6ES7332－5HD01－0AB0 1个。（4）数字量I模块：6ES7321－1BH01－0AA0 3个。（5）数字量O模块：6ES7322－1BH01－0AA0 2个。

系统网络结构如图1所示。择Intouch9.0应用于上位机监控软件，下位机则由STEP7V5.4编写梯形图并应用于下位机PLC组态。上位机监控画面分为2个部分：（1）操作员站，操作人员可根据预定的工艺流程，使用操作员界面进行生产任务；（2）工程师站，对于程序而言，工程师站是其主要部分，不但向程序提供运行以及存储的服务，而且通过工程师站可进行更改用户权限、管理用户权限、设置工艺参数及新增用户等操作。运用原本存在于系统中的CPU414－3DP与S7－400两个自动化系统，利用PROFIBUS－DP与从站15模块及从站16模块实现通信。原系统DP从站总数14，地址为1至14。上位机通过交换机与CPU414－3DP共同实现工业以太网通信。

图1 系统网络结构图

为了使产品的质量得到保障，温度与湿度传感器应尽量选择精度高的产品，精度以常温下±1.5%RH为准。若选择了精度较差的传感器，当温度与湿度达到设定时，可能导致传感器测出结果存在较大偏差。由德国ROTRONIC公司生产的控制仪表HYGROLOGNT3-D与温度和湿度传感器HYGROCLIP不只节能效果非常好，远远高于其采购成本，且应用以太网通信方式，非常适用于该系统。由图1可看出，ROTRONIC仪表包括Meter1与Meter2，其各个温度与湿度仪表均拥有独立的IP地址，并可经由以太网与自动化网络进行连接。仪表软件使用ROTRONICHW4-OPC，其利用OPCSERVER实现与上位机软件INTOUCH的连接。

为控制泵频率，使用变频控制作为热水泵与二次冷冻水泵的控制器，运用恒压供水原理，使泵频率可在管道压力传感器压力信号的作用下实现控制。将半封闭螺杆冷冻机组应用于冷水机组。冷水机组在制冷当中，首先蒸发器将散布低压力的工质蒸汽，并由压缩机将其吸入，当工质蒸汽的压力在压缩机内提高后即送至冷凝器，工质蒸汽在冷凝作用下转变为具有较高压力的液体，在通过节流阀节流并转变为低压力的液体之后，再次回到蒸发器，液体于蒸发器中经过吸热与蒸发的过程后变回低压力蒸汽，如此完成一次制冷循环。将系统中的除湿机改为热蒸汽除湿机，同时按照其在除湿工作中对于温度的要求，对温度传感器所测温度值（PV值）与设置温度值（SV值）间的偏差ΔT（ΔT＝SV－PV）实行控制。利用PLC程序进行PID运算，若ΔT＜0，为使实际温度移向设置温度值，应减小阀门开度，以达到降低气流量的目的；若ΔT＞0，则为使实际温度移向设置温度值，应增加阀门开度，以达到提升气流量的目的；若ΔT＝0，则实际温度与设置温度值一致，为保证恒定温度，此时阀门开度应保持原状。

一般而言，加湿器所产生的蒸汽来源于自来水，通常情况下，加湿桶中盛放自来水，水中插入电极，其利用水可导电的特点，将电极通电，使电流导入水中，进而产生热量，加热自来水，当水温升至沸点时即会产生水蒸汽。加湿器运用微机控制器，在其控制下，加湿器具有自动调整排水与供水功能。将模拟信号控制替代加湿器原本的开关量控制方式，该控制器具有较好的准确性与稳定性，加湿器还可根据控制信号对蒸汽输出进行调节，进一步省去手工操作，控制信号使用0～10 V信号，加湿量经由PLC所输出0～10 V信号的程度进行控制，若输出信号为10 V，则加湿量可达到30 kg／h，为最大值。

制冷机组控制分为2个部分：（1）自动控制，其由PLC通过数字量输出（DO）信号进行控制，冷水箱出口的温度直接影响冷水机组的启动与停止，根据冷水箱出口温度，PLC自动进行2台冷水机组的启动工作，同时自动进行能级转换，当设置水箱温度为9℃以上，1＃制冷机启动，直至温度达到8℃以下时停止，若设置水箱温度为9.5℃以上，则2＃制冷机启动，直至温度达到9℃以下时停止，系统温度设定通常分为2个模式，即冬季模式与夏季模式，2种模式可应需求随时更改设定值。（2）手动控制，系统分为4个能级，分别为25%、50%、75%和100%，需至本地控制箱液晶显示屏进行能级手动控制。通过3个电磁阀开闭组合实现能级控制，以实现能量调节，电磁阀工作状态如表1所示。

表1 电磁阀工作状态表

2.2 冷水箱系统改造

基于水箱温度易受外界因素影响，进而提高运行成本，因而将其从原本的空调机组室移至地下室，并增加其容积，提升其蓄水能力。试验表明，通过转移位置及增加容积可有效将水箱温度维持在低温状态，即使夏季也可将温度维持在15℃以下，大大缩短制冷机工作时间，节能效果较好，运行成本降低。

2.3 除湿系统改造

除湿机通过利用转轮吸收水分，再由系统电加热将水分蒸发并排出室外，继而实现除湿目的。然而利用系统电加热的方法对电量的消耗极大，占除湿机总体电量的85%左右。为降低耗电量，通过管道，将车间焚烧炉热气导入除湿机，充当其主要除湿热源。安设电动执行机构、压力、温度传感器于管道上，电动执行机构在温度信号控制下更改开度，从而达到调节管道温度的目的。此外，焚烧炉热气状态还可通过压力信号得知。在经过升级与改进后，除湿机电量消耗大幅降低，且使废气得到再次利用，节能效果显著。