中央空调系统节能降耗改造中PLC与变频器的应用实践探讨

林信贤

摘 要：中央空调的耗电量占了建筑耗电量相当大的一部分，对其进行有效的节能降耗改造有利于建筑高效益地运行。阐述了中央空调系统的运行和节能原理，结合某大厦的节能改造实例分析，给出了科学合理的改造方案，并对该方案进行节能评价，实践结果证明，在中央空调系统中应用PLC与变频器可以有效降低系统能耗，对建筑的节能减排具有重要意义。

关键词：PLC；变频调速；中央空调；节能改造

中图分类号：TB657.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.076

文章编号：2095-6835（2015）15-0076-02

随着我国经济的不断增长和科学技术水平的提高，大型建筑建设项目越来越多，中央空调应用广泛。但是由于运行设计不合理等原因，中央空调系统的能耗一直居高不下，影响了建筑性能的发挥。因此，如何对其进行节能改造是工作人员需要解决的问题。下面就此进行讨论分析。

1 中央空调系统的运行和节能原理

1.1 中央空调系统概述

空调系统主要由空调机组、水系统、风系统、末端系统和散热系统组成。制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成高温高压的气体后送到冷凝器中与冷却水进行热交换，冷却水被加热，水泵将高温水送到散热系统，由散热系统对其降温，与外界环境进行换热，将热量释放到环境中去。制冷剂经冷凝器被冷凝成液态，通过节流阀节流降压后，在蒸发器中与冷冻水换热，冷冻水被降温，水泵将冷水送到各空调末端，为用户供冷。制冷剂蒸发成气态后被吸入压缩机，完成一个循环。

1.2 空调水系统变水量调节原理

空调水系统变水量调节的原理可以用能量守恒定理表述为：

式（1）中：q为系统冷负荷；C为水的比热容；Q为冷水流量；Δt为送、回水温差，一般取5 ℃。

由式（1）可以看出，在空调水系统中，可根据实际负荷的大小来调整水流量或供、回水温差。在设计水系统时，q、C、Δt为确定值，所以，水流量Q也被确定，水系统就是按这些值进行设备选型。当系统实际运行时，q成为一独立参数，与室外气象条件和室内热源等许多因素有关。当系统负荷q发生变化时，系统的水流量Q或温差Δt必然发生变化。如果改变供、回水温度差Δt，维持流量Q不发生变化，则形成定流量系统。如果维持供、回水温度差Δt不发生变化，而变动水流量Q，则成为变流量系统。变流量系统合理，供、回水温差恒定，水量与负荷呈线性相关关系，此时可以考虑使用变频水泵。

1.3 水泵变频节能原理

中央空调的水系统主要

是完成热量交换的循环水系

统。一般对水流量的调节是通

过阀门和挡板的开度开控制的，

因此，许多的电能会浪费在阀

门与挡板的阻力上。如果换成

变频系统，把消耗在阀门和隔

板的电能省下来，泵节能效果

就很明显。所以，采用变频技

术来控制水泵的运行，是中央空调节能改造的有效途径之一。

图1给出了变频调节和阀门调节两种控制下的扬程—流量（H-Q）关系。图1中，①为泵在转速n1时的扬程—流量曲线，②为泵在转速n2下的扬程—流量曲线，曲线③为阀门正常时的管路特性曲线，曲线④为阀门调小时的管路特性曲线。

水泵的有效功率可以表示为：

式（2）中：Pe为泵的有效功率，kW；ρ为流体的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；H为扬程，m；Q为体积流量，m3/s。

如果泵的标准工作点为A，此时流量为Q1、扬程为H1，由式（2）可知有效功率Pe1与Q1，H1的积（即OQ1AH1）成正比例。当流量从Q1变化到Q2时，如果采用阀门调节方式，管路特性从曲线③变化到曲线④，有效功Pe3可以用OQ2CH3表示；如果采用变频调节，泵转速由n1变化到n2，在水量为Q2的情况下，水泵扬程降低到H2，有效功率Pe2可以用面积BH2OQ2表示。节省的能量ΔP（即面积CH3H2B）是十分明显的。

2 中央空调节能改造示例

2.1 某大楼原中央空调系统概况

某商贸大楼中央空调水泵为一次泵，该大楼泵电机常年定速工作，供回水温差约为2.5，用继电器控制。该空调系统各设备的详细信息如表1所示。

表1 空调系统设备信息

该大楼空调机组选型计算是按极端天气、最差条件下设计的，宽裕度较大，系统极少在这种极端条件下运行，一年中只有几天处于最大负荷。大楼原有的空调系统除了能耗大外，还会导致一系列问题，例如水流量过大，系统温度差降低，换热效率下降，恶化了空调机组工作条件，造成额外的电能损耗；水泵采用自耦变压器启动，电机启动电流大，对供电系统带来冲击；一般泵启停不是软启停，在泵启停时，会出现水锤现象，对管网、零件阀门、管道等造成破坏。

为使循环水流量与负荷波动相配合，应用变频控制对空调水系统进行节能改造，降低系统的能耗。一方面，能够控制水泵的转速，使水量与负荷波动相适应，从而节约能源；另一方面，因为变频器的启动方式是软启动，电机在启停时无冲击电流，这样能够防止水锤的发生，延长电机、零件阀门、管道等的寿命。

2.2 节能改造措施

根据大厦原有的空调运行情况，规定大楼空调水循环节能改造方法，即：①系统中冷冻泵功率为57 kW，冷却泵功率为78 kW，相对于空调机组功率较大，所以要对冷冻水和冷却水系统进行改造，在保证安全、稳定运行的条件下，取得最显著的节能效果。②冷冻水、冷却水系统的控制都应用定温度差控制方案，温差控制适用于泵的恒流量改造，将冷冻水、冷却水温度差控制在4.5～5 ℃。用温度传感器测供、回水温度，将结果通过数模转换模块转化成数字量送入PLC计算，根据计算结果来控制变频器，从而通过控制水泵转速来调节水流量。如果供、回水温差大，负荷较大，应提高水泵频率，增大循环水流量；相反，如果温差小，则说明负荷较小，应降低水泵频率，减小循环水流量。③系统所有水泵的转速都采用变频控制的方法。系统在正常工作时，水泵在30～50 Hz之间变频运行；当变频控制系统出现错误时，再启动原控制电路，使水泵定频工作。在变频状态下有两种调频方案，即自动调频和手动调频，调节变化量均为0.5 Hz。

2.3 节能改造控制系统设计

下面以冷冻水泵为例介绍节能改造控制系统的设计。接触器KM3为M1的旁通接触器，当KM3接通后，可启用原水泵的控制电路，使水泵定频工作，接触器KM1为M1的变频接触器。2台水泵的变频接触器通过PLC进行控制，旁路接触器通过继电器电路控制，变频接触器和旁路接触器之间有电器互锁。

控制部分通过两个温度传感器（PT100）测量进、出水温度，测量结果通过A/D转换模块，将模拟量转变成数字量传给PLC，然后PLC将数字量信息进行计算，计算结果通过调速D/A模块再次转换成模拟量（0～10 VDC）来调节变频器的转速。进出水温差大，则增大水泵转速；温差小，则调小水泵转速，从而使温差保持稳定，达到节能的目的。

2.4 变频调速系统节能评价

由离心泵的相似定律可表示为：

式（3）（4）（5）中：Q为水泵流量；H为水泵扬程；P为水泵功率；n为水泵转速。

根据上述公式可知，泵流量与频率成正比，泵的扬程与频率的二次方成正比，水泵功率与频率的三次方成正比。表2为水泵在不同频率时流量、功率、节能率的百分比。

由表2可以看出，通过变频调速后，节能效果是非常明显的。因此，用变频调速的方法来调节中央空调水系统流量是有必要的。

3 结束语

综上所述，将PLC与变频器应用于中央空调水系统的节能改造工作中，不仅可以使空调主机的工作环境得到优化，而且减少了电流过大对电网造成的冲击和损害。变频调速泵可以在延长设备寿命的同时，减少后期维护的成本，所以，我们应该大力推广PLC与变频控制在空调系统节能改造中的应用。

参考文献

[1]陈孜虎.中央空调末端盘管及水系统变频节能运行控制研究和实现[D].重庆：重庆大学动力工程学院，2010.

[2]郭杰.中央空调水系统的变频改造[J].化工装备技术，2013，34（1）：55-56.

〔编辑：王霞〕