1、自动化技术在中央空调节能系统中的应用【摘要】节能是工业生产和人们生活中的一个热点词，本文通过论述中央空调的结构、工作机理，提出、设计了基于 PLC 的中央空调自动节能措施。 【关键词】PLC；中央空调；节能；构成 中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号： 一、引言 随着经济的发展、科学水平的提升，人们生活质量越来越高，对工作、生活的舒适要求也越来越高。中央空调是大型建筑必需的配套设施，其给人们带来舒适的同时，也因耗能过大而不符合现代环保理念，因此，节能技术的开发和应用一直是中央空调发展的热点和重点。 二、中央空调系统构成 中央空调是由一台主机通过风道过风和冷热水管接多个末端的方式来控制
2、不同的房间以达到室内空气调节目的的空调。中央空调系统主要包括风机子系统、冷却水子系统、冷冻水子系统、制冷主机子系统等多个子系统。其中,制冷主机系统是整个中央空调控制系统中最为关键的一部分,它制造出的冷量是调节室内温度的最终来源,其功率的大小直接影响到中央空调的能耗等级。风机系统和水系统虽然能耗不如空调主机这么大,但是作为大能耗电器的重要组成部分,其工作状态的好坏将直接影响到空调主机是否能正常运行。制冷机组制造出低温冷冻水后,通过冷冻水泵的作用,送到风机盘管中,与高温的湿空气进行热量交换。当风机盘管中的空气温度达到室内所需的温度时,则送入室内,以便达到室内的冷量需求。同时,低温冷冻水经过热量交换
3、后变为高温冷冻水,再次通过冷冻水泵送到制冷机组,和制冷机组内的低温制冷液进行热量交换,重新成为低温冷冻水,如此循环往复,达到向室内送入冷风的目的。根据热量守衡定律,得到多少冷量,就要产生多少热量。因此,在制冷主机的热量交换过程中会产生高温冷却水。该冷却水通过冷却水泵的作用,输送到冷却塔中降低温度,然后再次通过冷却水泵,送到制冷主机。如此,中央空调的两大水循环系统相互协调,配合风机系统和制冷主机系统共同完成了整个制冷过程。 三、节能分析 由于中央空调系统设计时必须按天气最热、负荷最大时设计，且留有 10%-20% 左右的设计余量。其中冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，而冷冻水泵和冷却水泵却
4、不能随负载变化做出相应的调节。这就使冷冻水、冷却水系统几乎长期在大流量、小温差的状态下运行，造成了能量的极大浪费。另外冷冻、冷却水泵采用的都是 Y ?启动方式，这样的启动方式使电机的启动电流均为其额定电流的 3-4 倍，在如此大的电流冲击下，接触器的使用寿命大大下降。大家知道:中央空调系统中的冷冻水系统、冷却水系统是完成外部热交换的两个循环水系统。对水流量的控制是通过挡板和阀门来调节的，许多电能白白地浪费在挡板和阀门上。所以采用交流变频技术控制水泵的运行，把浪费在挡板和阀门上的能量节省下来，是目前中央空调水系统节能改造的有效途径。而对于变频调速来说，转速与电源频率 f 成正比，而对于水泵来说，
5、根据相似定律可知：水泵流量与频率成正比，水泵扬程与频率的平方成正比，水泵消耗的功率与频率的三次方成正比。欲将流量减少为 QB，主要的调节方法有两种： （1）转速不变，将阀门关小 （2）阀门开度不变，降低转速。实践表明：采用调节转速的方法调节流量，电动机所用的功率将大为减小，电能消耗也大大降低，这是一种能够显著节约能源的有效方法：根据异步电动机原理 n=60f/p（1-s）式中：n 转速，f 频率，p 电机磁极对数，s 转差率可见，调节转速有 3 种方法，改变频率、改变电机磁极对数、改变转差率。以上调速方法中，变频调速性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。因此改变频率而改变转速的方法最
6、方便有效。即利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等组成温差闭环自动控制，对中央空调水循环系统进行节能改造是切实可行，较完善的高效节能方案。变频器的工作原理就是把工频电源（50或 60）的频率进行平滑转换，以实现设备中电机的变速运行，主电路总体通过控制电路进行控制，先通过整流电路将交流电变换成直流电，再通过直流滤波电路保障整流电路输出为平滑稳定的直流电，最后通过逆变电路将直流电转化成不同频率的交流电。变频调速技术通过逐渐提升电机的输入频率来使电机的工作电流从零逐渐提高到额定工作电流，避免了电机直接启动对电网的冲击，减少了设备损耗，在不同工况下通过变频器对设备进行无级调速减少能源
7、损耗。 四、节能系统实现 1.循环水泵 循环水系统有 2 台冷却水泵和 2 台冷冻水泵，改变水流量通过变频器改变水泵电机的转速实现，而变频器控制运算通过 PLC 程序电路实现。普通的空调系统冷冻水、冷却水系统几乎长期在大流量、小温差的状态下运行，造成了能源的极大浪费，为了解决此问题，利用变频器、PLC 等电控设备构成自动闭环控制系统。 2.冷却塔的控制 通过 PLC 设定冷却塔水温大约在 29左右，PLC 采集的现场温度数据与此参数比较运算，当差值上升 2左右时，开启 2 台风机，当差值下降 2左右时，延时 5 分钟后关闭 2 台风机，通过 PLC 程序实现仪表与电气的联锁控制，达到了节能的目
8、的。变频器及 PLC 节能控制说明 （一）变频器控制水泵说明。PLC 控制器通过温度模块及温度传感器采集现场温度仪表数据，将压缩机的回水和出水温度读入 PLC 控制器内存，PLC 的处理器计算出温差值；然后根据压缩机的回水与出水的温差值来控制变频器的频率，以控制变频电机的转速，调节出水流量，控制热交换速度。温差大，说明室内温度高系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，系统负荷小，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流量，通过 PLC 及变频器之间的协同控制达到节能的目的。冷却水进水出水温差大，说明压缩机负荷大，需冷却水，需冷却水带走的热量大，应提高
9、冷却泵的转速，加大冷却水的循环量；温差小，则说明压缩机负荷小，需带走的热量小，可降低冷却泵的转速，减小冷却水，与冷冻水一样通过 PLC 及变频器之间的协同控制达到节能的目的。 （二）PLC 控制说明。采用型号为 K7M-DR3U 的 PLC，这是三星电子的一款自动化产品，性价比高，适合控制显示规模小的压缩机式系统。模块组成主要有电源模块、数字量输入/输出模块、热电阻专用模块、4-20mA 信号模拟量输入/输出模块、通讯模块、扩展 I/O 模块等。通讯模块与变频器、机组主控制板通讯采用 RS-485 通讯方式。8 台机组 16 个系统的运行开关量信号、及管道温度信号、压力流量等信号经各机组的子控
10、制板处理后到主控制板，主控制板再把各机组运行信号送给 PLC 运算，运算结果再送往变频器控制回路，根据压缩机开机组数决定变频器运行的频率大小 3.工作流程 开机：自动运行时将转换开关打在自动档上，在系统各个环节良好的状况下，系统便会自动的按照程序执行，故障时，空调控制器的操作液晶屏会给出提示，按照提示维护便可。但注意在开机之前，将楼层风机开几台，减少刚运行时的压力冲击。手动运行时将转换开关打在手动档上，为了减少刚启动时压力冲击先开两台压缩机组，然后再开启冷冻水泵和冷却水泵。其他操作与自动相同。关机：在控制器面板上操作关闭就可。 五、结束语 中央空调节能技术经过这么多年的发展已经比较成熟，本文初步探讨其节能原理及提出基本的节能方法，希望能为相关工作的实施提供参考。 参考文献： 1曹秋声. 新型中央空调节能控制系统研究J. 节能,2005,06:31-33+2. 2李忠意. 基于能量的中央空调节能控制系统开发D.山东大学,2009. 3李令言. 中央空调节能控制系统的研究与开发D.中国科学技术大学,2011.
