中央空调系统节能技术研究

徐莉君 张胜

摘 要：首先对中央空调用能现状进行说明，对系统用能部分进行了解，对影响系统制冷效率的因素进行分析；再采用计算机、PLC、触摸屏、变频器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等各种设备进行系统硬件设计，然后对可编程逻辑控制器进行系统编程，用组态软件对系统进行上位组态；最后给出实际案例节能情况分析。

关键词：中央空调；变频；节能；模糊控制；组态；节电率

目前全国电力供求矛盾突出，环境污染问题日益严重。为了保证中央空调系统有较高的运行效率和较好的运行状态，如何提高中央空调主机、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔、末端风机等设备的运行效率，降低其能耗是当务之急。

1 中央空调系统用能概况

1.1 中央空调系统用能现状及分析

现如今全国中央空调系统耗电量占社会总用电量20%左右，占建筑总能耗的30%～60%。

在我国南方，通过国家制冷学会的大量调查数据显示，每年空调制冷开机时间为10～12个月，其不同月份和每天不同时段的负荷情况也不一样，如图1和图2所示。

从图1和图2可以看出，40%以下负载量在1月、2月、3月、4月、11月和12月出现；70%～40%负载量在5月、10月出现；100%～70%负载量在6月、7月、8月、9月出现；由此可见一年中系统负载率在50%以下的时间占全部运行时间的50%以上，节能空间巨大，对中央空调系统实施节能控制，具有现实和长远的意义。

1.2 影响制冷效率的主要因素

影响中央空调系统制冷效率的主要因素有环境因素、机组因素、人为因素。

1.2.1 环境因素

环境因素是多变的，針对这种特性，可以采用中央空调自适应变频节能系统。

1.2.2 机组因素

冷凝器铜管结垢，蒸发器铜管结油，干燥过滤器堵塞，制冷剂太少，膨胀阀开启度不对等。当冷凝器换热不良时，冷凝压力就会升高，此时冷却效率会降低，为达到同样的冷却量，耗电量就会上升。针对这种因素的特征，可以采用中央空调冷凝器在线清洗装置。

2 节能系统设计

2.1 设计理论

2.1.1 节能系统优化控制

中央空调系统具有多干扰、多变量、大惯性、大时延等特点。针对这一特点，将空调设备采用的先进的计算机技术、模糊控制技术、系统集成技术和变频调速技术集成在一起，实现中央空调系统运行的智能模糊控制，在保障空调效果舒适性的前提下，使设备高效运行，以利于能源的综合利用，最大化地实现节能。

2.1.2 风机水泵变频节能

以水泵为例，水泵是传送流体的装置，其负载消耗的能量与流量成立方比的关系。如果采用改变设备转速的方式调节流量，流量下降时，电量消耗将以三次方的比例下降。在保证流量需求的前提下，采用变频调速的方式来调节流量，可以大大降低电力能量的消耗，以达到节能目的。

所以变频调速是中央空调主要的节能技术之一。

2.2 系统设计

2.2.1 风机水泵变频节能设计

为使循环水量与主机负荷变化同步调节，采用成熟的变频调速技术对水循环系统、冷却塔散热系统进行改造，是降低中央空调系统能耗的较好解决方案。

（1）冷冻循环水系统的控制方案：采用冷冻进出水温度、温差、压力等参数控制，将冷冻进出水温差控制在4.5℃～5℃，如图3所示。

（2）冷却水系统的控制方案：采用冷却进出水温度、温差及冷却塔环境温、湿度等参数控制（实时根据主机负载，调整变频器的输出频率来改变冷却水流量，从而稳定温差），将冷却水的进出水温差控制在4.5℃～5℃，如图4所示。

（3）冷却塔散热系统改造措施：主机冷却水进入冷却塔后，通过冷却塔风机的作用将冷却水的热量散发到大气，从而降低冷却水温度，再进入空调主机冷凝器吸收热量。冷却塔环境传感器检测冷却塔环境温度、湿度等，送入冷却塔控制柜的PLC计算出温差，与设定值相比较后，经模糊控制，自动调整冷却塔风机的运行台数，使冷却水出水温度达到设定值范围。冷却塔出水温度设定值通常为28℃，如图5所示。

2.2.2 中央空调节能优化控制措施

全局寻优节能必须采用在较短的时间内完成在线控制方式，由此分两步实施控制过程是较为合适的。

（1）对系统内的各耗能单元，如冷（热）循环水、冷却循环水等做作局部独立的闭环节能控制。局部优化控制是全局寻优控制的基础，局部优化控制的效果用水系统运行参数表征，这些水系统运行参数的取值应落在有利于全局优化节能的数值范围之内。

（2）进行全局节能寻优控制。全局寻优宜选择对系统综合能耗有重要影响的水系统运行参数作为控制对象，控制对象的数量不宜过多；优化节能的目标值宜适度；应避免系统控制过程波动过大不稳定。

全局寻优节能按最优化原理和方法进行，目标函数为全系统总功耗P（X），X是多维向量，其分量为各水系统运行参数，寻优目标是目标函数P（X）小于或等于某个设定值。

2.3 系统组态

通过使用工控组态软件对节能系统进行上位机组态，从而实现中央空调节能系统的“在线监视”“在线控制”“参数设置”“节能效果”“实时数据”“历史数据”，如图6和图7所示。

3 结束语

冷冻水泵降低流量、降低转速运行节能改造后虽然会使水泵供水压力降低，然而管道特性的压力损失也会随流量减少而减少，即需要的压力也会减少，供水压力与转速的二次方成比例降低，需要压力（管道损失）则与流量的二次方成比例减少，二者可以相互补偿。这一观点在工程实践中得到了证明。节能改造后会因为热负载的热量等于流量、温差、比热三者的乘积，在中央空调中，冷冻水泵和冷却水泵的目的是输送能量，在恒流量运行的系统里，流量不变，但温差却是随热负载减少而减少的。在变流量运行的系统里，降低流量增加温差只要使这个乘积保持不变，也就是使热负载相同就可以保证冷冻循环水（或冷却水）带走的热量相同，可以满足使用要求。由于乘积保持不变，对主机来说做的功是相同的，工控没有改变，主机当然不会增加耗能。

参考文献

[1]张承维.变频调速技术用于中央空调系统节能[D].贵州大学，2008.

[2]朱明杰.空调冷冻水系统的运行控制策略[D].同济大学，2007.