PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用

中央空調系統是現代大型建筑物不可缺少的配套設施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調系統都是按最大負載并增加一定余量設計，而實際上在一年中，滿負載下運行最多只有十多天，甚至十多個小時，幾乎絕大部分時間負載都在70%以下運行……
關鍵詞：PLC 變頻器 中央空調 節能改造

一、前言

中央空調系統是現代大型建筑物不可缺少的配套設施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調系統都是按最大負載并增加一定余量設計，而實際上在一年中，滿負載下運行最多只有十多天，甚至十多個小時，幾乎絕大部分時間負載都在70%以下運行。通常中央空調系統中冷凍主機的負荷能隨季節氣溫變化自動調節負載，而與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動調節負載，幾乎長期在100%負載下運行，造成了能量的極大浪費，也惡化了中央空調的運行環境和運行質量。

隨著變頻技術的日益成熟，利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結合，構成溫差閉環自動控制系統，自動調節水泵的輸出流量，達到節能目的提供了可靠的技術條件。

二、問題的提出

1、原系統簡介

我酒店的中央空調系統的主要設備和控制方式：100冷噸冷氣主機2臺，型號為三洋溴化鋰蒸汽機組，平時一備一用,高峰時兩臺并聯運行；冷卻水泵2臺,揚程28米,配用功率45 KW,冷水泵有3臺，由于經過幾次調整，型號較亂,一臺為揚程32米，配用功率37KW, 一臺為揚程32米，配用功率55KW, 一臺為揚程50米，配用功率45KW。冷卻塔6臺，風扇電機5.5KW，并聯運行。

2、原系統的運行及存在問題

我酒店是一間三星級酒店。因酒店是一個比較特殊的場所，對客人的舒適度要求比較高，且酒店大部分空間自然通風效果不好，所以對夏季冷氣質量的要求較高。

由于中央空調系統設計時必須按天氣最熱、負荷最大時設計，且留有10%-20%左右的設計余量。其中冷凍主機可以根據負載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負載變化作出相應的調節。這樣，冷凍水、冷卻水系統幾乎長期在大流量、小溫差的狀態下運行，造成了能量的極大浪費。

為了解決以上問題，我們打算利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等構成的溫差閉環自動調速系統。對冷凍、冷卻水泵、冷卻塔進行改造，以節約電能。

三、節能改造的可行性分析

改造方案是通過變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度模塊和溫度傳感器等構成溫差閉環自動控制，根據負載輕重自動調整水泵的運行頻率，同時根據冷卻水溫度的高低，自動切投冷卻塔散熱風機，以達到節能效果。以下是分析過程：

1、 中央空調系統簡介

中央空調系統結構圖

在中央空調系統設計中，冷凍泵、冷卻泵的裝機容量是取系統最大負荷再增加10%—20%余量作為設計系數。根據計算中央空調系統中，冷凍水、冷卻水循環用電約占夏季酒店總用電的25%—30%，冷卻塔的用電占8%—10%。因此，實施對冷凍水和冷卻水循環系統以及冷卻塔的能量自動控制是中央空調系統節能改造及自動控制的重要組成部分。

2、泵的轉速調節

根據異步電動機原理

n=60f/p(1-s)

式中：n:轉速 f:頻率p:電機磁極對數 s:轉差率

由上式可見，調節轉速有3種方法，改變頻率、改變電機磁極對數、改變轉差率。在以上調速方法中，變頻調速性能最好，調速范圍大，靜態穩定性好，運行效率高。因此改變頻率而改變轉速的方法最方便有效。

3、冷卻塔的控制

以前的冷卻塔是人為的根據冷卻水溫度選擇冷卻塔開啟的臺數，非常容易造成能源的浪費現象，現在根據冷卻水的溫度，由溫度傳感器傳送信號至PLC，由PLC經計算后對冷卻塔風機依次開啟，以28℃為基數，溫度每上升2℃，開啟兩臺散熱風機，每下降2℃，延時5分鐘后停止2臺風機，以達到節能效果。

四、節能改造的具體方案

1、主電路的控制設計

根據具體情況，同時考慮到成本控制，原有的電器設備盡可能的利用。冷凍水泵及冷卻水泵均采用一用一備的方式運行，使用一臺變頻器控制拖動兩臺水泵交替運行。將一臺揚程較高的冷水泵作為備用。

以下為冷凍水泵與冷卻水泵一次接線圖：

2、功能控制方式

工作流程：

開機：開啟冷水及冷卻水泵，由PLC控制冷水及冷卻水泵的啟停，由冷水及冷卻水泵的接觸器向制冷機發出聯鎖信號，開啟制冷機，由變頻器、溫度傳感器、溫度模塊組成的溫差閉環控制電路對水泵進行調速以控制工作流量，同時PLC控制冷卻塔根據溫度傳感器信號自動選擇開啟臺數。

停機：關閉制冷機，冷水及冷卻水泵以及冷卻塔延時十分鐘后自動關閉。
保護：由壓力傳感器控制冷水及冷卻水的缺水保護，壓力偏低時自動開啟補水泵補水。

五、變頻節能技術框圖及改造原理分析

下圖為變頻節能系統示意圖

1、對冷凍泵進行變頻改造

控制原理說明如下：PLC控制器通過溫度模塊及溫度傳感器將冷凍機的回水溫度和出水溫度讀入控制器內存，并計算出溫差值；然后根據冷凍機的回水與出水的溫差值來控制變頻器的頻率，以控制電機轉速，調節出水的流量，控制熱交換的速度；溫差大，說明室內溫度高系統負荷大，應提高冷凍泵的轉速，加快冷凍水的循環速度和流量，加快熱交換的速度；反之溫差小，則說明室內溫度低，系統負荷小，可降低冷凍泵的轉速，減緩冷凍水的循環速度和流量，減緩熱交換的速度以節約電能；

2、對冷卻泵進行變頻改造

由于冷凍機組運行時，其冷凝器的熱交換量是由冷卻水帶到冷卻塔散熱降溫，再由冷卻泵送到冷凝器進行不斷循環的。冷卻水進水出水溫差大，說明冷凍機負荷大，需冷卻水帶走的熱量大，應提高冷卻泵的轉速，加大冷卻水的循環量；溫差小，則說明，冷凍機負荷小，需帶走的熱量小，可降低冷卻泵的轉速，減小冷卻水的循環量，以節約電能。

六、實際調試注意事項

1、整改設備安裝完畢后，先將編好的程序寫入PLC，設定變頻器參數，檢查電器部分并逐級通電調試。

2、投入試運行時，人為地減少負荷，觀察流量是否因頻率的降低而減小，并找到制冷機報警時的最低變頻器頻率，以及流量降低后管道末端的循環情況，使變頻器工作在一個最低的穩定工作點。

3、用溫度計及時檢測各點溫度，以便檢驗溫度傳感器的精確度及校驗各工況狀態。

七、技術改造后的運行效果比較

1、節能效果及投資回報

進行技術改造后，系統的實際節電率與負荷狀態、天氣溫度變化等因素有一定關系。根據以往運行參數的統計與改造后的節能預測，平均節能應在20－30%以上。經濟效益十分顯著。改造后投入運行一年即可收回成本，以后每年可為酒店節約用電約12萬元。

2、對系統的正面影響

由于冷凍泵、冷卻泵采用了變頻器軟啟停，消除了原來啟動時大電流對電網的沖擊，用電環境得到了改善；消除了啟停水泵產生的水錘現象對管道、閥門、壓力表等的損害;消除了原來直接啟停水泵造成的機械沖擊，電機及水泵的軸承、軸封等機械磨擦大大減少，機械部件的使用壽命得到延長 ；由于水泵大多數時間運行在額定轉速以下，電機的噪聲、溫升及震動都大大減少，電氣故障也比原來降低，電機使用壽命也相應延長。

由于采用了溫差閉環變頻調速，提高了冷凍機組的工作效率，提高了自動化水平。減少了人為因數的影響，大大優化了系統的運行環境、運行質量。

八、結論

雖然一次性投資較大，但從長遠的經濟利益來看是值得的。這里我們也借鑒了其它一些酒店改造的經驗和實際效果，進一步驗正了利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等組成的溫差閉環自動控制系統，對中央空調系統的節能改造是可行的。可以達到我們當初設計的預期效果。

九、結束語

在科技日新月異的今天，積極推廣高新技術的應用，使其轉化為生產力，是我們工程技術人員應盡的社會責任。對落后的設備生產工藝進行技術革新，不僅可以提高生產質量、生產效率，創造可觀的經濟效益。對節能、環保等社會效益同樣有著重要的意義