鄒恩 霍慶 黃水鴻 王建國(guó) 張?jiān)龈?/p>

(1．華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 珠江學(xué)院，廣州 510642;2．華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642;3．廣州科創(chuàng)節(jié)能科技服務(wù)有限公司，廣州 510000)

目前中央空調(diào)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各種大型工業(yè)廠房和公共建筑中，一般情況下，耗能約占建筑總能耗的55%［1］。由于中央空調(diào)系統(tǒng)成本高、使用壽命長(zhǎng)，故障維護(hù)成本低，除新建筑外，目前大多中央空調(diào)還是老式控制系統(tǒng)。中央空調(diào)是高耗能設(shè)備，老式中央空調(diào)采用手動(dòng)操作模式，無(wú)論季節(jié)和用戶負(fù)荷怎樣變化，各類電機(jī)都長(zhǎng)期運(yùn)行在工頻狀態(tài)下，多臺(tái)主機(jī)不能根據(jù)實(shí)際負(fù)荷量自動(dòng)調(diào)節(jié)啟停，導(dǎo)致電能浪費(fèi)嚴(yán)重并產(chǎn)生噪聲污染［2－3］。因此，對(duì)老式中央空調(diào)的群控系統(tǒng)做智能節(jié)能改造，對(duì)節(jié)能減排具有重要意義。

本文以中國(guó)人民銀行某支行老式中央空調(diào)智能化節(jié)能改造為工程案例，設(shè)計(jì)了一套集智能管理和節(jié)能一體的中央空調(diào)群控系統(tǒng)，將變頻變壓技術(shù)嵌入到控制系統(tǒng)中，改造后的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在觸摸屏上一鍵開(kāi)啟風(fēng)機(jī)、水泵和主機(jī)，調(diào)整冷卻泵和冷凍泵的轉(zhuǎn)速，并根據(jù)實(shí)際負(fù)荷自動(dòng)啟停主機(jī)數(shù)量以滿足負(fù)荷要求。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和實(shí)際運(yùn)行分析，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，輸出參數(shù)滿足要求，實(shí)現(xiàn)了較理想的節(jié)能效益。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能原理

考慮到實(shí)際工程項(xiàng)目需求，中央空調(diào)系統(tǒng)變頻主要指對(duì)冷卻泵和冷凍泵實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制，達(dá)到空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷相匹配。因?yàn)樽冾l調(diào)速范圍寬、靜態(tài)穩(wěn)定性好、運(yùn)行頻率高而普遍成為控制電機(jī)的最佳方式［4－5］。系統(tǒng)基頻以下調(diào)速采用恒壓頻比 (恒磁通)控制方式，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載的調(diào)速方式一般采用這種。

風(fēng)機(jī)水泵類電機(jī)轉(zhuǎn)速n、流量Q、揚(yáng)程H及軸功率P的關(guān)系為:

式 (2)中:n1，n2為電機(jī)轉(zhuǎn)速;Q1，Q2為流量;H1，H2為揚(yáng)程;P1，P2為軸功率。

由式 (2)可知，軸功率正比于轉(zhuǎn)速的立方。因此，如果能夠根據(jù)負(fù)載情況實(shí)時(shí)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速就能達(dá)到節(jié)能目的［6］。本工程案例采用易能變頻器，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?yán)鋬霰妙l率與電流、電壓、轉(zhuǎn)速性能關(guān)系如表1所示。

表1 冷凍泵頻率與電流、電壓、轉(zhuǎn)速關(guān)系

從表中可見(jiàn)，冷凍泵的轉(zhuǎn)速?gòu)? 440降到1 123 rad/min，頻率剛好從工頻50 Hz降到基準(zhǔn)頻率39 Hz;轉(zhuǎn)速降到原來(lái)的78%，而軸功率下降到額定功率的 (0.78)3=0.475，即消耗電功率為7.11 kW，節(jié)電52.6%;理論計(jì)算當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

2 中央空調(diào)控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

由于中央空調(diào)能耗主要來(lái)自于冷凍水泵、冷卻水泵和各類風(fēng)機(jī)，原始系統(tǒng)工作頻率不會(huì)根據(jù)負(fù)荷變化而調(diào)節(jié)，造成了能源的浪費(fèi)，另外設(shè)備陳舊容易造成安全事故且噪音大影響工作人員上班。該工程主要針對(duì)冷凍水泵和冷卻水泵進(jìn)行變頻改造，在冷卻水和冷凍水回路中加入PT100熱電阻溫度傳感器，原來(lái)手動(dòng)的閥門(mén)更換成智能電動(dòng)閥。

該中央空調(diào)型號(hào)為RCU120SY2，功率為86.6 kW，日立制冷主機(jī)2臺(tái)，全年2臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行;18 kW的冷卻水泵3臺(tái)，2用1備;15kW的冷凍水泵3臺(tái)，2用1備;5.5 kW冷卻塔2臺(tái)，全年2臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行。若其中一臺(tái)水泵或者三相異步電機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，備用設(shè)備自動(dòng)投入使用，工作期間每臺(tái)水泵按一定頻率交替使用，保證各電機(jī)使用時(shí)間一致。系統(tǒng)改造總設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2.1 改造方案

原有系統(tǒng)的設(shè)備是1993年生產(chǎn)，設(shè)備老化嚴(yán)重且發(fā)出較大噪音，改造要求為:1)建立統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)管理空調(diào)系統(tǒng);2)節(jié)能率不低于30%;3)新系統(tǒng)與原系統(tǒng)可自由切換。技術(shù)改造思路為:系統(tǒng)具有單控和群控兩種功能，單控采用原有設(shè)備，群控為改造后的設(shè)備。兩套設(shè)備互不干擾，如果某控制柜設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，馬上切換到另外一臺(tái)控制柜，保證整套中央空調(diào)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。在原系統(tǒng)適當(dāng)位置增加溫度傳感器和智能電動(dòng)閥，把機(jī)械按鈕改為觸摸式屏幕，能夠?qū)崟r(shí)采集冷卻泵管和冷凍泵管的溫度，通過(guò)PLC控制器發(fā)出信號(hào)完成電動(dòng)閥的開(kāi)和關(guān)，并根據(jù)季節(jié)的變化，能夠自動(dòng)人性化調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。由于溫度傳感器采集的是負(fù)荷末端的溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，改變冷卻泵和冷凍泵的轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兯髁繉?shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)和用電量的減少，避免室內(nèi)人員有過(guò)冷或者過(guò)熱的感覺(jué)，進(jìn)而可推算出下述節(jié)能分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)的節(jié)電效應(yīng)。

2.2 控制策略

如圖2所示為改造后的中央空調(diào)系統(tǒng)控制圖，由CPU226、觸摸屏、變頻器、EM231溫度采集模塊、水泵機(jī)組、電動(dòng)閥組、接觸器、中間繼電器、保險(xiǎn)絲和鉑熱電阻等組成。主機(jī)冷卻進(jìn)回水處和冷凍進(jìn)回水處各放置2個(gè)溫度傳感器，兩臺(tái)主機(jī)總共放置8個(gè)溫度傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并且顯示到觸摸屏上。CPU226通過(guò)接收溫度采集模塊的信號(hào)，主要采集冷卻水出水溫度和冷凍水回水溫度，這兩處代表負(fù)荷實(shí)際情況，與變頻器進(jìn)行RS485通訊，調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整各管道水循環(huán)熱交換的速度，最終穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的溫度值上。

圖1 系統(tǒng)改造總設(shè)計(jì)圖

圖2 中央空調(diào)系統(tǒng)控制圖

CPU226通過(guò)接觸器對(duì)冷凍泵進(jìn)行邏輯切換，冷凍變頻一和冷凍變頻二都可以控制兩臺(tái)變頻器，其中水泵2是被公共控制。首日冷凍變頻一控制冷凍水泵1和冷凍水泵2，次日由冷凍變頻二控制冷凍水泵2和冷凍水泵3，后日由冷凍變頻一控制冷凍水泵1和冷凍變頻二控制冷凍水泵3，保證2用1備而且變頻器的使用頻率均勻。當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷較少或者在非炎熱季節(jié)，CPU發(fā)出信號(hào)使中間繼電器閉合，2號(hào)主機(jī)的冷卻回水電動(dòng)閥和冷凍回水電動(dòng)閥關(guān)閉，主機(jī)也隨之關(guān)閉。此時(shí)一臺(tái)主機(jī)運(yùn)行完全滿足負(fù)荷要求，節(jié)省電能。另外控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一鍵按鈕，利用中間繼電器將冷卻風(fēng)機(jī)、冷卻水泵、冷凍水泵、冷水機(jī)組的按鈕連接，可以一鍵啟動(dòng)和關(guān)閉，避免之前逐個(gè)逐個(gè)開(kāi)啟設(shè)備浪費(fèi)人力的局面。

冷卻水的出水溫度表明主機(jī)熱交換的情況，冷凍水的回水溫度表明房間帶走熱量的情況。一般把該處溫度作為控制依據(jù)．經(jīng)實(shí)地工程整定，設(shè)定冷卻水出水溫度為37℃和冷凍水回水溫度為15℃［7］，系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，冷卻變頻進(jìn)入工頻50 Hz運(yùn)行25 min，然后以40 Hz過(guò)渡運(yùn)行1 min后，進(jìn)入PID自動(dòng)調(diào)節(jié);冷凍變頻直接進(jìn)入PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，設(shè)定比例參數(shù)P=1，積分參數(shù)I=5，微分參數(shù)D=0。系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器、PLC、變頻器組成閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度使其達(dá)到最佳。同時(shí)為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，設(shè)定冷卻水泵電機(jī)基準(zhǔn)頻率35 Hz，冷凍水泵電機(jī)基準(zhǔn)頻率39 Hz，冷卻出水報(bào)警溫度39.5℃。整套系統(tǒng)開(kāi)啟半小時(shí)后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，冷卻水泵和冷凍水泵以36 Hz和39 Hz穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)變頻工作。

3 系統(tǒng)節(jié)能效果分析

系統(tǒng)冷卻泵和冷凍泵電機(jī)采用2用1備的模式，冷卻泵的三相異步電機(jī)功率18 kW，冷凍泵的異步電機(jī)功率15 kW。經(jīng)過(guò)實(shí)地考察，該中央空調(diào)日運(yùn)行的功率時(shí)間特性見(jiàn)表2和3所示．

基于該銀行建筑物有蓄熱，應(yīng)提前半小時(shí)開(kāi)機(jī)，同理提前半小時(shí)關(guān)機(jī)，此時(shí)間使用量經(jīng)實(shí)地考察和PLC控制策略大概計(jì)算得到?？紤]到季節(jié)性變化對(duì)時(shí)間使用量影響較大，以8月份實(shí)際運(yùn)行情況為例，正常上班時(shí)間為8:30～11:30，14:30～17:30，總共6 h，在原來(lái)工頻運(yùn)行下，用電量Q原=(15+18*2*6=396 kW*h。

1)根據(jù)表2，可計(jì)算一臺(tái)冷卻泵節(jié)能改造后一天的用電量:

Q冷卻泵=1.5*18+0.8*13.12+0.8*9.22+0.4*7.91+2.5*6.72=64.84 kW*h

2)根據(jù)表3，可計(jì)算一臺(tái)冷凍泵節(jié)能改造后一天的用電量:

Q冷凍泵=1.5*15+1.3*10.94+0.7*7.68+2.5*7.12=59.88 kW*h

3)變頻運(yùn)行后總耗電量為:

Q總=2* (Q冷卻泵+Q冷凍泵)=249.44 kW*h

4)日平均節(jié)電量為:

Q節(jié)電量=Q原－Q總=(15+18)*2*6－230.56=146.56 kW*h

5)日平均節(jié)電率為:

B=Q節(jié)電量/Q原*100%=37.01%

假如中央空調(diào)年實(shí)際制冷使用天數(shù) (廣東地區(qū)制冷周期為6個(gè)月)，按工作日5天計(jì)算，總數(shù)約為120天，則年節(jié)電量為146.56*120=17 587.2 kW*h，當(dāng)?shù)毓I(yè)用電為0.86元/每千瓦時(shí)，那么年節(jié)約用電為17 587.2元。

表2 冷卻泵功率－時(shí)間關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)一套老式中央空調(diào)群控系統(tǒng)進(jìn)行智能節(jié)能系統(tǒng)，采用溫度傳感器采集實(shí)時(shí)溫度，PLC自動(dòng)調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速和切換運(yùn)行水泵數(shù)目，另外系統(tǒng)具有一鍵式觸摸按鈕以及良好的人機(jī)交互界面。改造后，系統(tǒng)能根據(jù)季節(jié)變化，自動(dòng)改變冷卻泵和冷凍泵的轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兯髁繉?shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)和用電量的減少，并降低了噪音污染。目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，半年多的運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、節(jié)能效益良好。

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