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浅谈中央空调系统节能改造

中达电通股份有限公司
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摘 要: 中央空调的节能改造有很大的降耗空间,本文论述利用变频器和PLC的逻辑控制功能及通讯功能,对重要空调各个系统分析后,提出了系统控制方案及实现方法,完成了整套节能改造的方案,对中央空调减少能耗、提高效率具有重要意义。
关键词:中央空调 变频技术 PLC 逻辑控制 通讯能力
Introduction of the Reformation of Central Air Conditioning System Energy-saving
WU Mu-Rong
Delta Greentech (China) Co., Ltd.(GuangZhou 510500
Abstract: The reformation of Central air conditioning energy-saving has great potential for reducing loss. This paper discusses the use of inverters and PLC logic control and communications functions, with the analysis of all important systems of air conditioning, proposes a system control scheme and its implementation. The the full energy saving scheme is achieved. and has significant meaning for reducing the energy consumption of central air conditioning and improving the efficiency.
 
Keywords: central air conditioning, inverter technology, PLC, logic control, communication capability
 
1 前言
    中央空调是大厦里的耗电大户,正常供暖或供冷季节每年的电费中空调耗电占60%左右,因此中央空调的节能改造显得尤为重要。由于中央空调系统按最大负荷设计,并且留10-20%设计余量,而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下,存在较大的冗余,所以节能的潜力很大。另外冷冻水泵和冷却水泵不能随负载变化作出相应调节运行速度和合理数量,只能靠门和旁通来调节系统的流量与压差,因此不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象,从而致使大量电能浪费(冷冻水泵额外负载增多间接造成冷水机组负荷变大)和造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。
本文针对某酒店改造项目的自身特点,利用变频器和PLC的控制系统对原项目的中央空调系统进行节能改造,使其更加合理利用能量,对于减少能耗、提高效率具有重要意义。
2 项目介绍
广东某酒店改造项目节能改造点如下:
1.东楼/西楼的中央空调之冷冻水泵控制,改造原因:人工通过调整管阻调整供应冷量,虽然满足使用但造成巨大的能量浪费。
2.东楼/西楼中央空调之冷却水泵控制,改造原因:人工通过调整管阻调整冷却水流量(热交换量),虽然满足使用但造成巨大的能量浪费。
3.东楼/西楼的中央空调之冷却塔风机控制,改造原因:一是频繁启动,冲击电流大,接触器和电机寿命受影响;二是风量不能根据送回水温度自动调整而造成能量浪费。
4.风机盘管冷量交换控制,主要分布点为东楼5号会议厅、天波府和大堂及西楼的保龄球馆、宴会厅、西餐厅、一楼大堂、天堂吧、潮洲城、二楼大堂、东大堂和会议室等地方,改造原因:目前热交换和新风供给不能根据人流的多寡作快速调整,并且温控不精确(采样点在回风口,冬天供暖,热气上升,人员活动区温度较设定温度低;反之,夏天供冷气,冷气下降,人员活动区温度较设定温度低。
5.东楼/西楼的供水系统,改造原因:目前采用人工大幅容调,由于供水电机功率较大(分别为55KW和30KW),大幅容调除了造成大的功率冗余和能量浪费,同时将会造成供水不稳定、水锤和启动电流冲击,严重影响管件寿命和供水水质。
3 控制方案及实现方法
    酒店中央空调结构分为供暖和供冷两部分,其中供冷包含冷却塔,冷水机组,冷冻水泵,冷却水泵和末端,供暖部分包含热水泵和加热器。该中央空调的系统结构如图1 所示:

图1  中央空调的系统结构图
该中央空调的西楼配置图和东楼配置图分别如图2和图3所示:

图2  西楼配置图
图3  东楼配置图
(1)冷冻机组
    一般冷冻机组控制系统设计方式:在冷水机组的供/回水总管上分别设一个温度传感器(T),在冷冻回水管上设一个流量计(F),同时将此三种信号输入到控制器,经运算可得出大楼的冷负荷Q=F*△T,根据冷机组的效率曲线,经过计算比较,取各种组合中的能耗最小者,并根据设备累计运行时间,进而自动选择冷机的最佳组合。使系统的总能耗保持在最小值,以达到最佳节能的效果。
    虽然大容调会产生大的功率冗余大的能量浪费,但从冷水机组的运行特性考虑,在没有生产厂家配合处理的情况下不适宜进行变频改造,故本方案暂不考虑。
(2)冷冻泵组/冷却泵组
    控制方式:依据所送水/回水温差、流量和供回水压差,计算决定启动机组台数和变频运行泵的运行频率,自动调整到最佳热交换量状态;
    由于水泵采用的是Y—△起动方式,电机的起动电流均为其额定电流的3~4倍,在如此大的电流冲击下,接触器、电机的使用寿命将受到影响;起动时的机械冲及和停泵时水锤现象,容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏而增加维修工作量和备品、备件费用,另外,仅因启动需要将不得不使整栋大楼的配电容量增大若干倍、投入成本增加若干倍。变频器是软启动方式,采用变频器控制电机后,电机在起动时及运转过程中均无冲击电流,而冲击电流是影响接触器、电机使用寿命最主要的因素,同时采用变频器控制电机后还可避免水垂现象,因此可大大延长电机、接触器及机械散件,轴承、阀门、管道的使用寿命。
    在无旁通阀作用的情况下,变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化相应调整冷冻水泵电机和冷却水泵电机的转速,满足中央空调系统正常工作而达到节能目的。水泵电机转速下降,电机从电网吸收的电能就会大大减少。
    减少的功耗△P=PO(1—(Nl/N0)^3);减少的流量△Q=Q0(1-(N1/N0))    
-------N1为改变后的转速,N0为电机原转速,P0为原电机转速下的电机轴功率消耗,Q0为原电机转速下所产生的水泵流量。
    由上式可以看出流量Q与转速N一次方成正比,功耗P与转速N三次方成正比。假设原流量为100个单位,耗能也为100个单位,如果转速降低10个单位,由△Q=Q0〔1-(N1/N0)〕=100*〔1—(90/100)〕=10可得出流量改变了10个单位,△P=P0[1-(Nl/N0)^3]=100×(1—(90/100)^3)=27.1,可以得出,功率将减少27.1个单位,即流量减少10%能耗减少了27.1%。 
    当用蝶阀的开度来控制冷冻、冷却水流量大小时,蝶阀阻管与功率P变化(如图3所示)由曲线1到曲线2,流量减小,但功率却没有减小多少。若通过调整转速(如图4所示),H-Q曲线由曲线1到曲线2,蝶阀开度100%时,蝶阀阻力为零,管道阻不变,功率省很多。

图3 阻管与功率P变化曲线图       图4 不同转速对应的阻管与功率P变化曲线图           
系统改造方式如下:
西楼和东楼冷冻冷却泵控制图分别如图5和图6所示:

图5  东楼冷冻冷却泵控制原理图
图6  西楼冷冻冷却泵控制原理图
(3)冷却塔风机
    控制方式:控制送水/回水温差为恒值为目标,调整冷却塔风机风量;外界气温的变化或者使用场合热交换量的变化,大部分时间并不要求冷却塔风机和全速运转,由于
n=60f(1-s)/p;-----p:电机极数
    根据流体力学知:风压H 正比于转速n²;所消耗的功率P等于风量Q与风压H之积(即输出功率P正比于转速n³),即Q=K1n;H=K2n2;P=Q*H=K1K2n3
风量减小20℅,即转速降低20℅,节省功率ΔP=K[n3-(0.8n)3]=0.438 K1K2n
风量减小50℅,即转速降低50℅,节省功率ΔP=K[n3-(0.5n)3]=0.875 K1K2n
    可见,大部分情况冷却塔风机处于做无用功状态,并且浪费的能量较大。因而,在保证系统正常散热风量的前提下调速,即使扣除实际上由于转速下降可能引起的电机和风机效率降低这一因素,采用变频器调速,风机的节能效果还是非常显着的。
改造方式如图7所示:

图7  冷却塔风机系统改造图
 
控制结果:大幅降低能耗;无启动电流冲击。
(4)风机盘管冷/热量交换控制
    在中央空调系统中,各种用房冷暖设备除新风机组和空调机组外,还大量使用风机盘管。它只有盘管、三速风机、电动调节阀,感温组件、控制器等组成。一般三速风机开关,感温组件、控制器等制成一个整件设备,目前,市场上有两种,一种是盘管控制器为DDC控制,并具备与主机通讯功能。这种控制器可通过计算原则中心控制,西楼使用这种方式。另一种是不具备通讯功能的盘管控制器,可以按照水系统的连接情况的将风机盘管分为若干组,每组的支路入口处安装流量计、供回水压差变送器及供回水温度传感器。从而可计算出风机盘管水阀的开度,并给电动调节阀一个指令,从而将电动阀调节至相应的开启度,使盘管中流过所需要的水流量,东楼使用这种方式。为解决面临的问题,可以通过对采样到的回风温度及其二氧化碳焓量控制调整加热盘管及表冷盘管二通电动调节阀开度和送风风量(风机转速),实现对送风温度(设定点可调整)的控制。方式如图8所示:

图8  风机盘管冷/热量交换控制改造图
 
    另外,要提供一个舒适的环境,除控制室温外,还需对室外温/湿度进行监测,通过室环境温/湿度检测,实时调整空调机和新风机的新风量,进行过渡季节的全新风和空调季节的小新风控制。根据监测环境的CO2浓度自动调节空调机的新/回风混合比,提供长期舒适的活动环境,同时可达到节能效果。
(5)供水
    以设定供水压力为目标,根据实际用水量,利用VFD-F的自动加减泵功能和调频功能,合理利用能量,维持供水压力的恒定,同时能实现无冲击启动和避免水锤效应。
其改造图如图9所示:

图9  供水系统改造图
3 结语
    本文基于客户设备的实际特点,利用变频技术和PLC的强大的逻辑控制功能及通讯功能,为客户提供了一套完整的控制系统改造方案,使中央空调系统能更合理利用能量,避免了能量的不必要浪费。运行实践表明,系统性能稳定,安全可靠,性价比高,值得业界同行借鉴和推广。
 
【参考文献】
[1] 可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术. 郭宗仁等.  人民邮电出版社,2002
[2] 变频器在工业中的选择与应用 刘继党等 科技信息    2009年第23期
[3] 变频器应用中的干扰及其抑制 翟章志   中国科技博览2009年 第02期
 
作者简介
吴木荣,男,中达电通机电事业部华南大区自动化主任工程师,在印刷、机床、纺织、暖通等领域具有丰富的应用经验,现从事台达自动化产品技术整合应用与研究,是资深技术专家。

 
 
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