论文部分内容阅读
摘要:循环水系统是中央空调系统的重要组成部分，其耗电量非常大，这也意味着循环水系统具有较大的节能潜力。本文结合工程实例，在介绍空调循环水系统节能改造方案的基础上，提出了具体的节能策略，为空调的节能作参考。
关键词:中央空调；循环水系统；节能改造；策略
中图分类号：TB494 文献标识码：A 文章编号：
随着我国城市经济建设的快速发展，中央空调系统已广泛应用于工业、高层建筑、政府办公楼和酒店等建筑当中，成为了大型建筑物不可缺少的配套设备之一。中央空调系统主要由制冷主机、循环水系统和冷却塔风机系统等设备组成，具有管理方便、满足客户个性化需要及节约空间等优点。但在中央空调系统中，循环水系统的能耗非常大，约占整个空调系统能耗的50%以上，不仅浪费了电能，而且对重要空调系统的运作质量也有巨大的影响。因此，如何有效地降低中央空调循环水系统的能耗就成为了技术人员亟待解决的问题。本文通过探讨重要空调循环水系统的节能改造设计工作，提出了一些合理的控制策略。结果表明，改造后的空调系统运行稳定，温度及適度满足要求，节能效果较为显著。
1 系统的节能改造方案
1.1 工程概况
某大楼的中央空调机房位于1楼，节能改造的主要对象是该机房的中央空调循环水系统，包括冷水主机、冷冻泵、冷却泵与冷却塔。中央空调为一次泵系统，采用4台(3台定频、1台变频)离心式水冷冷水机组，冷冻水泵5台(4用1备)，电动机功率为55kW，冷却水泵5台(4用1备)，电机功率为55kW，空调主机的控制基本依靠主机自带的变负载控制，以及空调运行管理人员根据空调负荷情况简单控制开机时间。空调水泵与冷却塔风机就地起停手动控制，工频运行。
1.2 改造步骤
系统的节能改造步骤为:
(1)建立该大楼中央空调系统能效管理中心，实时监控每一台中央空调能耗设备的运行状况及能耗状况，客户现场采集的数据通过网络或无线传输技术传送到技术中心仿真系统中，仿真系统通过分析现场传送的数据，对系统的运行及控制进行优化，从而实现管理节能；同时，采用水泵变频技术，提高水系统的输送效率，合理控制供/回水温差，从而提高冷水机组的效率，实现水泵及整个水系统的节能高效运行。
(2)建立主机群控系统，根据负荷需求自动调节主机开启数量及运行状态，使各主机最大程度地处于高效运行状态。此处，改造方需协调空调主机供应商提供主机的通信接口。
(3)在定频主机出水口加装电动阀，在冷却塔处加装电动阀，使各电动阀与主机的运行状态相联动，并实现自动控制。
(4)分别加装空调主机计量电表与辅机(水泵与风机)计量电表，完善系统的能耗记录。系统通过节能改造后，能够提高空调系统运行的自动化水平与管理水平，使空调系统的运行情况与负荷需求相匹配，提高水泵及主机的运行效率，从而使整个中央空调水系统高效运行，全面降低系统能耗。
2 中央空调系统具体节能策略
衡量空调主机运行经济节能的主要依据是能效比性能系数(Coefficient of Performance，COP)。COP是系统所能实现的制冷量与输入功率的比值，其大小主要受冷凝温度和蒸发温度影响。通过对冷冻水系统及冷却水系统的控制，使主机的冷凝温度、蒸发温度处于最优工况范围内，从而达到节能。在满负荷和部分负荷时段，合理控制主机的供回水温差，同时引入压差和流量作为控制量，这样可在满足空调区域舒适度的同时，适时地优化主机工况，提高主机COP值，降低主机能耗。
针对冷冻水控制系统，采用冷冻水流量、冷冻水供回水压差传感器、温度传感器、PLC控制器和变频器组成控制系统，其控制原理如图1所示。
图1 冷冻水控制原理图
在每台主机的冷冻水出口及冷冻水系统供回水总管安装温度传感器测量冷冻水的温度，测量到的温度通过数据传输系统传送到PLC控制器。PLC控制器通过温度模块，将冷冻水的回水温度和出水温度读入控制器内存，并计算出温差值，然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的频率，以控制电机转速，调节出水的流量，控制热交换的速度。温差大，说明室内温度高，系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度和流量，以加快热交换的速度；温差小，则说明室内温度低，系统负荷小，可降低冷冻水泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流量，减缓热交换的速度，以达到节能运行，降低能耗的目的。同时，为保证冷冻水系统的安全运行，在冷冻水供回水主管安装压差传感器，进行压差保护，以保证系统末端最不利环路能正常供冷。在调试时，根据空调系统的具体运行情况设定一个适宜的压力范围，用来保证系统安全节能运行。一般压差保护控制优先，温差调节时温差控制优先。
一般地，对于开式冷却水系统，因流量变化后压力不易控制冷却水泵变频，反而使系统复杂且不便于运行管理。但对于该项目中的闭式冷却水系统，冷却水泵变频就如同冷冻水泵变频，完全可以实现，运行管理也很方便。因此，只要把冷却水流量控制在适当范围内，使冷却水的流量随中央空调系统散热量的变化而变化，则可实现冷却水系统的最大节能。
当需要多台中央空调、冷水机组一起运行时，空调群控系统利用现代计算机控制通信技术，实现对制冷站内部的相关设备(主机、水泵、冷却塔、阀门)进行自动化实时监控，根据系统负荷的大小，准确控制空调设备(主机、水泵、冷却塔)的运行数量和每台主机的运行工况，使制冷站内的设备达到最高效率的运行状态，最大程度地降低运行能耗，从而实现节能并降低运行费用。空调群控系统完全通过控制器实时自动完成并合理分配需运行的机组、水泵、水塔，避免人工管理的盲目性和主观性，减少了人工无法连续管理的盲区。
3 系统集成
3.1 系统功能
基于节省人力、电能以及确保系统运行稳定、可靠的要求，添加的中央空调节能控制系统与原系统并联，便于保持原有系统的运行方式及测算节电率。反馈回路能够监测冷水主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔工作状态。通过各种传感器能监测和记录中央空调水系统温度、流量和压差等过程参数。其次，该系统还能手动和自动控制冷冻泵、冷却泵和冷却塔等设备，计量和记录水系统设备的能耗数据，及提供主机冷冻水出水低温保护、冷冻水供回水总管压差过高保护、主机冷却水出水高温保护和主机冷却水进水低温保护等功能。
3.2 网络介绍
PLC控制器主要采用盟利的SC-501和SC-200。SC-501系列PLC采用机架式结构，可灵活地配置控制点，同时SC-501系列既可作为上位机与计算机连接，又可作为下位机直接与传感器、控制器通信。下层通信主要是SC-200与SC-501、电表箱、冷却塔风机转换箱、蝶阀控制箱之间通过RS-485通信，SC-501通过Modbus协议与5台主机的通信。控制网络结构如图2所示。
图2 控制网络结构图
3.3 上位机功能
在计算机上安装组态软件，实现系统运行的监测和显示，其中有温度、频率、流量、压差、运行状态、电量等参数实时显示。另外，还包括主机及辅机的群控、设备运行记录、温度运行曲线，操作权限和电脑操作记录、能耗数据系列表格(包括历史记录)、系统参数设置、历史数据导出备份等。
4 结语
综上所述，通过采用可编程控制器、变频器对中央空调循环水系统进行改造。结果表明，改造后的中央空调系统运行稳定可靠，室内温湿度均满足要求，并且有利于系统设备使用寿命的延长，优化系统运行的质量。相信随着中央空调节能技术的不断发展，可编程控制器和变频调速技术将会有更为广阔的应用前景。
参考文献
[1] 石桂荣;洪国.中央空调冷水系统节能设计与运行管理[J].城市建设理论研究.2011年第07期
[2] 柯昌进.对中央空调水系统节能的问题分析[J].中国科技纵横.2012年第23期
关键词:中央空调；循环水系统；节能改造；策略
中图分类号：TB494 文献标识码：A 文章编号：
随着我国城市经济建设的快速发展，中央空调系统已广泛应用于工业、高层建筑、政府办公楼和酒店等建筑当中，成为了大型建筑物不可缺少的配套设备之一。中央空调系统主要由制冷主机、循环水系统和冷却塔风机系统等设备组成，具有管理方便、满足客户个性化需要及节约空间等优点。但在中央空调系统中，循环水系统的能耗非常大，约占整个空调系统能耗的50%以上，不仅浪费了电能，而且对重要空调系统的运作质量也有巨大的影响。因此，如何有效地降低中央空调循环水系统的能耗就成为了技术人员亟待解决的问题。本文通过探讨重要空调循环水系统的节能改造设计工作，提出了一些合理的控制策略。结果表明，改造后的空调系统运行稳定，温度及適度满足要求，节能效果较为显著。
1 系统的节能改造方案
1.1 工程概况
某大楼的中央空调机房位于1楼，节能改造的主要对象是该机房的中央空调循环水系统，包括冷水主机、冷冻泵、冷却泵与冷却塔。中央空调为一次泵系统，采用4台(3台定频、1台变频)离心式水冷冷水机组，冷冻水泵5台(4用1备)，电动机功率为55kW，冷却水泵5台(4用1备)，电机功率为55kW，空调主机的控制基本依靠主机自带的变负载控制，以及空调运行管理人员根据空调负荷情况简单控制开机时间。空调水泵与冷却塔风机就地起停手动控制，工频运行。
1.2 改造步骤
系统的节能改造步骤为:
(1)建立该大楼中央空调系统能效管理中心，实时监控每一台中央空调能耗设备的运行状况及能耗状况，客户现场采集的数据通过网络或无线传输技术传送到技术中心仿真系统中，仿真系统通过分析现场传送的数据，对系统的运行及控制进行优化，从而实现管理节能；同时，采用水泵变频技术，提高水系统的输送效率，合理控制供/回水温差，从而提高冷水机组的效率，实现水泵及整个水系统的节能高效运行。
(2)建立主机群控系统，根据负荷需求自动调节主机开启数量及运行状态，使各主机最大程度地处于高效运行状态。此处，改造方需协调空调主机供应商提供主机的通信接口。
(3)在定频主机出水口加装电动阀，在冷却塔处加装电动阀，使各电动阀与主机的运行状态相联动，并实现自动控制。
(4)分别加装空调主机计量电表与辅机(水泵与风机)计量电表，完善系统的能耗记录。系统通过节能改造后，能够提高空调系统运行的自动化水平与管理水平，使空调系统的运行情况与负荷需求相匹配，提高水泵及主机的运行效率，从而使整个中央空调水系统高效运行，全面降低系统能耗。
2 中央空调系统具体节能策略
衡量空调主机运行经济节能的主要依据是能效比性能系数(Coefficient of Performance，COP)。COP是系统所能实现的制冷量与输入功率的比值，其大小主要受冷凝温度和蒸发温度影响。通过对冷冻水系统及冷却水系统的控制，使主机的冷凝温度、蒸发温度处于最优工况范围内，从而达到节能。在满负荷和部分负荷时段，合理控制主机的供回水温差，同时引入压差和流量作为控制量，这样可在满足空调区域舒适度的同时，适时地优化主机工况，提高主机COP值，降低主机能耗。
针对冷冻水控制系统，采用冷冻水流量、冷冻水供回水压差传感器、温度传感器、PLC控制器和变频器组成控制系统，其控制原理如图1所示。
图1 冷冻水控制原理图
在每台主机的冷冻水出口及冷冻水系统供回水总管安装温度传感器测量冷冻水的温度，测量到的温度通过数据传输系统传送到PLC控制器。PLC控制器通过温度模块，将冷冻水的回水温度和出水温度读入控制器内存，并计算出温差值，然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的频率，以控制电机转速，调节出水的流量，控制热交换的速度。温差大，说明室内温度高，系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度和流量，以加快热交换的速度；温差小，则说明室内温度低，系统负荷小，可降低冷冻水泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流量，减缓热交换的速度，以达到节能运行，降低能耗的目的。同时，为保证冷冻水系统的安全运行，在冷冻水供回水主管安装压差传感器，进行压差保护，以保证系统末端最不利环路能正常供冷。在调试时，根据空调系统的具体运行情况设定一个适宜的压力范围，用来保证系统安全节能运行。一般压差保护控制优先，温差调节时温差控制优先。
一般地，对于开式冷却水系统，因流量变化后压力不易控制冷却水泵变频，反而使系统复杂且不便于运行管理。但对于该项目中的闭式冷却水系统，冷却水泵变频就如同冷冻水泵变频，完全可以实现，运行管理也很方便。因此，只要把冷却水流量控制在适当范围内，使冷却水的流量随中央空调系统散热量的变化而变化，则可实现冷却水系统的最大节能。
当需要多台中央空调、冷水机组一起运行时，空调群控系统利用现代计算机控制通信技术，实现对制冷站内部的相关设备(主机、水泵、冷却塔、阀门)进行自动化实时监控，根据系统负荷的大小，准确控制空调设备(主机、水泵、冷却塔)的运行数量和每台主机的运行工况，使制冷站内的设备达到最高效率的运行状态，最大程度地降低运行能耗，从而实现节能并降低运行费用。空调群控系统完全通过控制器实时自动完成并合理分配需运行的机组、水泵、水塔，避免人工管理的盲目性和主观性，减少了人工无法连续管理的盲区。
3 系统集成
3.1 系统功能
基于节省人力、电能以及确保系统运行稳定、可靠的要求，添加的中央空调节能控制系统与原系统并联，便于保持原有系统的运行方式及测算节电率。反馈回路能够监测冷水主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔工作状态。通过各种传感器能监测和记录中央空调水系统温度、流量和压差等过程参数。其次，该系统还能手动和自动控制冷冻泵、冷却泵和冷却塔等设备，计量和记录水系统设备的能耗数据，及提供主机冷冻水出水低温保护、冷冻水供回水总管压差过高保护、主机冷却水出水高温保护和主机冷却水进水低温保护等功能。
3.2 网络介绍
PLC控制器主要采用盟利的SC-501和SC-200。SC-501系列PLC采用机架式结构，可灵活地配置控制点，同时SC-501系列既可作为上位机与计算机连接，又可作为下位机直接与传感器、控制器通信。下层通信主要是SC-200与SC-501、电表箱、冷却塔风机转换箱、蝶阀控制箱之间通过RS-485通信，SC-501通过Modbus协议与5台主机的通信。控制网络结构如图2所示。
图2 控制网络结构图
3.3 上位机功能
在计算机上安装组态软件，实现系统运行的监测和显示，其中有温度、频率、流量、压差、运行状态、电量等参数实时显示。另外，还包括主机及辅机的群控、设备运行记录、温度运行曲线，操作权限和电脑操作记录、能耗数据系列表格(包括历史记录)、系统参数设置、历史数据导出备份等。
4 结语
综上所述，通过采用可编程控制器、变频器对中央空调循环水系统进行改造。结果表明，改造后的中央空调系统运行稳定可靠，室内温湿度均满足要求，并且有利于系统设备使用寿命的延长，优化系统运行的质量。相信随着中央空调节能技术的不断发展，可编程控制器和变频调速技术将会有更为广阔的应用前景。
参考文献
[1] 石桂荣;洪国.中央空调冷水系统节能设计与运行管理[J].城市建设理论研究.2011年第07期
[2] 柯昌进.对中央空调水系统节能的问题分析[J].中国科技纵横.2012年第23期