【正文】 淺談中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造作者：中達電通股份有限公司 吳木榮摘要: 利用變頻器和PLC的邏輯控制功能及通訊功能，對重要空調(diào)各個系統(tǒng)分析后做出節(jié)能改造的方案。關(guān)鍵詞：中央空調(diào) 變頻技術(shù) PLC 邏輯控制 通訊能力一、前言中央空調(diào)是大廈里的耗電大戶，正常供暖或供冷季節(jié)每年的電費中空調(diào)耗電占60％左右，因此中央空調(diào)的節(jié)能改造顯得尤為重要。由于中央空調(diào)系統(tǒng)按最大負荷設(shè)計，并且留1020％設(shè)計余量，而實際上絕大部分時間空調(diào)是不會運行在滿負荷狀態(tài)下，存在較大的冗余，所以節(jié)能的潛力很大。另外冷凍水泵和冷卻水泵不能隨負載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié)運行速度和合理數(shù)量，只能靠門和旁通來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量與壓差，因此不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，從而致使大量電能浪費（冷凍水泵額外負載增多間接造成冷水機組負荷變大）和造成中央空調(diào)最末端達不到合理效果的情況。本文針對某酒店改造項目的自身特點，利用變頻器和PLC的控制系統(tǒng)對原項目的中央空調(diào)系統(tǒng)進行節(jié)能改造，使其更加合理利用能量，對于減少能耗、提高效率具有重要意義。二、項目介紹廣東某酒店改造項目節(jié)能改造點如下: 東樓/西樓的中央空調(diào)之冷凍水泵控制，改造原因：人工通過調(diào)整管阻調(diào)整供應(yīng)冷量，雖然滿足使用但造成巨大的能量浪費。東樓/西樓中央空調(diào)之冷卻水泵控制，改造原因：人工通過調(diào)整管阻調(diào)整冷卻水流量（熱交換量），雖然滿足使用但造成巨大的能量浪費。東樓/西樓的中央空調(diào)之冷卻塔風(fēng)機控制，改造原因：一是頻繁啟動，沖擊電流大，接觸器和電機壽命受影響；二是風(fēng)量不能根據(jù)送回水溫度自動調(diào)整而造成能量浪費。風(fēng)機盤管冷量交換控制，主要分布點為東樓5號會議廳、天波府和大堂及西樓的保齡球館、宴會廳、西餐廳、一樓大堂、天堂吧、潮洲城、二樓大堂、東大堂和會議室等地方，改造原因：目前熱交換和新風(fēng)供給不能根據(jù)人流的多寡作快速調(diào)整，并且溫控不精確（采樣點在回風(fēng)口，冬天供暖，熱氣上升，人員活動區(qū)溫度較設(shè)定溫度低；反之，夏天供冷氣，冷氣下降，人員活動區(qū)溫度較設(shè)定溫度低。東樓/西樓的供水系統(tǒng)，改造原因：目前采用人工大幅容調(diào)，由于供水電機功率較大（分別為55KW和30KW），大幅容調(diào)除了造成大的功率冗余和能量浪費，同時將會造成供水不穩(wěn)定、水錘和啟動電流沖擊，嚴重影響管件壽命和供水水質(zhì)。三、控制方案及實現(xiàn)方法酒店中央空調(diào)結(jié)構(gòu)分為供暖和供冷兩部分，其中供冷包含冷卻塔，冷水機組，冷凍水泵，冷卻水泵和末端，供暖部分包含熱水泵和加熱器。該中央空調(diào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示：圖1 中央空調(diào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該中央空調(diào)的西樓配置圖和東樓配置圖分別如圖2和圖3所示：圖2 西樓配置圖圖3 東樓配置圖（1）冷凍機組一般冷凍機組控制系統(tǒng)設(shè)計方式：在冷水機組的供/回水總管上分別設(shè)一個溫度傳感器（T），在冷凍回水管上設(shè)一個流量計（F），同時將此三種信號輸入到控制器，經(jīng)運算可得出大樓的冷負荷Q=F*△T，根據(jù)冷機組的效率曲線，經(jīng)過計算比較，取各種組合中的能耗最小者，并根據(jù)設(shè)備累計運行時間，進而自動選擇冷機的最佳組合。使系統(tǒng)的總能耗保持在最小值，以達到最佳節(jié)能的效果。雖然大容調(diào)會產(chǎn)生大的功率冗余大的能量浪費，但從冷水機組的運行特性考慮，在沒有生產(chǎn)廠家配合處理的情況下不適宜進行變頻改造，故本方案暫不考慮。（2）冷凍泵組/冷卻泵組控制方式：依據(jù)所送水/回水溫差、流量和供回水壓差，計算決定啟動機組臺數(shù)和變頻運行泵的運行頻率，自動調(diào)整到最佳熱交換量狀態(tài)；由于水泵采用的是Y—△起動方式，電機的起動電流均為其額定電流的3～4倍，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機的使用壽命將受到影響；起動時的機械沖及和停泵時水錘現(xiàn)象，容易對機械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞而增加維修工作量和備品、備件費用，另外，僅因啟動需要將不得不使整棟大樓的配電容量增大若干倍、投入成本增加若干倍。變頻器是軟啟動方式，采用變頻器控制電機后，電機在起動時及運轉(zhuǎn)過程中均無沖擊電流，而沖擊電流是影響接觸器、電機使用壽命最主要的因素，同時采用變頻器控制電機后還可避免水垂現(xiàn)象，因此可大大延長電機、接觸器及機械散件，軸承、閥門、管道的使用壽命。 在無旁通閥作用的情況下，變頻器能根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵負載變化相應(yīng)調(diào)整冷凍水泵電機和冷卻水泵電機的轉(zhuǎn)速，滿足中央空調(diào)系統(tǒng)正常工作而達到節(jié)能目的。水泵電機轉(zhuǎn)速下降，電機從電網(wǎng)吸收的電能就會大大減少。減少的功耗△P=PO(1—(Nl／N0)^3)；減少的流量△Q＝Q0(1－(N1／N0)) N1為改變后的轉(zhuǎn)速，N0為電機原轉(zhuǎn)速，P0為原電機轉(zhuǎn)速下的電機軸功率消耗，Q0為原電機轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的水泵流量。 由上式可以看出流量Q與轉(zhuǎn)速N一次方成正比，功耗P與轉(zhuǎn)速N三次方成正比。假設(shè)原流量為100個單位，耗能也為100個單位，如果轉(zhuǎn)速降低10個單位，由△Q＝Q0〔1（N1/N0）〕＝100*〔1—（90／100）〕＝10可得出流量改變了10個單位，△P＝P0[1－（Nl／N0）^3]＝100(1—(90／100)^3)＝27．1，可以得出，功率將減少27．1個單位，即流量減少10%能耗減少了27．1％。當(dāng)用蝶閥的開度來控制冷凍、冷卻水流量大小時，蝶閥阻管與功率P變化（如圖3所示）由曲線1到曲線2，流量減小，但功率卻沒有減小多少。若通過調(diào)整轉(zhuǎn)速（如圖4所示），HQ曲線由曲線1到曲線2，蝶閥開度100%時，蝶閥阻力為零，管道阻不變，功率省很多。圖5 東樓冷凍冷卻泵控制原理圖圖6 西樓冷凍冷卻泵控制原理圖（3）冷卻塔風(fēng)機控制方式：控制送水/回水溫差為恒值為目標，調(diào)整冷卻塔風(fēng)機風(fēng)量；外界氣溫的變化或者使用場合熱交換量的變化，大部分時間并不要求冷卻塔風(fēng)機和全速運轉(zhuǎn)，由于 n=60f(1s)/p。p：電機極數(shù)根據(jù)流體力學(xué)知：風(fēng)壓H 正比于轉(zhuǎn)速n178。所消耗的功率P等于風(fēng)量Q與風(fēng)壓H之積（即輸出功率P正比于轉(zhuǎn)速n179。），即Q=K1n。H=K2n2。P=Q*H=K1K2n3風(fēng)量減小20℅，即轉(zhuǎn)速降低20℅，節(jié)省功率ΔP=K[n3()3]= K1K2n風(fēng)量減小50℅，即轉(zhuǎn)速降低50℅，節(jié)省功率ΔP=K[n3()3]= K1K2n可見，大部分情況冷卻塔風(fēng)機處于做無用功狀態(tài)，并且浪費的能量較大。因而，在保證系統(tǒng)正常散熱風(fēng)量的前提下調(diào)速，即使扣除實際上由于轉(zhuǎn)速下降可能引起的電機和風(fēng)機效率降低這一因素，采用變頻器調(diào)速，風(fēng)機的節(jié)能效果還是非常顯著的。改造方式如圖7所示：圖7 冷卻塔風(fēng)機系統(tǒng)改造圖控制結(jié)果：大幅降低能耗；無啟動電流沖擊。（4）風(fēng)機盤管冷/熱量交換控制在中央空調(diào)系統(tǒng)中，各種用房冷暖設(shè)備除新風(fēng)機組和空調(diào)機組外，還大量使用風(fēng)機盤管。它只有盤管、三速風(fēng)機、電動調(diào)節(jié)閥，感溫組件、控制器等組成。一般三速風(fēng)機開關(guān)，感溫組件、控制器等制成一個整件設(shè)備，目前，市場上有兩種，一種是盤管控制器為DDC控制，并具備與主機通訊功能。這種控制器可通過計算原則中心控制，西樓使用這種方式。另一種是不具備通訊功能的盤管控制器，可以按照水系統(tǒng)的連接情況的將風(fēng)機盤管分為若干組，每組的支路入口處安裝流量計、供回水壓差變送器及供回水溫度傳感器。從而可計算出風(fēng)機盤管水閥的開度，并給電動調(diào)節(jié)閥一個指令，從而將電動閥調(diào)節(jié)至相應(yīng)的開啟度，使盤管中流過所需要的水流量，東樓使用這種方式。為解決面臨的問題，可以通過對采樣到的回風(fēng)溫度及其二氧化碳焓量控制調(diào)整加熱盤管及表冷盤管二通電動調(diào)節(jié)閥開度和送風(fēng)風(fēng)量（風(fēng)機轉(zhuǎn)速），實現(xiàn)對送風(fēng)溫度（設(shè)定點可調(diào)整）的控制。方式如圖8所示：圖8 風(fēng)機盤管冷/熱量交換控制改造圖另外，要提供一個舒適的環(huán)境，除控制室溫外，還需對室外溫/濕度進行監(jiān)測，通過室環(huán)境溫/濕度檢測，實時調(diào)整空調(diào)機和新風(fēng)機的新風(fēng)量，進行過渡季節(jié)的全新風(fēng)和空調(diào)季節(jié)的小新風(fēng)控制。根據(jù)監(jiān)測環(huán)境的CO2濃度自動調(diào)節(jié)空調(diào)機的新/回風(fēng)混合比，提供長期舒適的活動環(huán)境，同時可達到節(jié)能效果。（5）供水以設(shè)定供水壓力為目標，根據(jù)實際用水量，利用VFDF的自動加減泵功能和調(diào)頻功能，合理利用能量，維持供水壓力的恒定，同時能實現(xiàn)無沖擊啟動和避免水錘效應(yīng)。其改造圖如圖9所示：圖9 供水系統(tǒng)改造圖四、 結(jié)語本文基于客戶設(shè)備的實際特點，利用變頻技術(shù)和PLC的強大的邏輯控制功能及通訊功能，為客戶提供了一套完整的控制系統(tǒng)改造方案，使中央空調(diào)系統(tǒng)能更合理利用能量，避免了能量的不必要浪費。運行實踐表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安全可靠，性價比高，值得業(yè)界同行借鑒和推廣?！緟⒖嘉墨I】 [1] 可編程序控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù). 郭宗仁等. 人民郵電出版社，2002 [2] 變頻器在工業(yè)中的選擇與應(yīng)用 劉繼黨等 科技信息2009年第23期[3] 變頻器應(yīng)用中的干擾及其抑制 翟章志 中國科技博覽2009年 第02期暖通空調(diào)中的傳感器應(yīng)用作者：李方園暖通空調(diào)的概念包括采暖（Heating）、通風(fēng)（Ventilation）、空調(diào)（Air Condition），因此與中央空調(diào)相比具有更廣義的概念。從圖1可以看出，暖通空調(diào)是人與環(huán)境這對矛盾對立統(tǒng)一關(guān)系歷經(jīng)漫長歲月發(fā)展所凝聚而成的一種重要的環(huán)境與保障技術(shù)。經(jīng)過多年的發(fā)展，暖通空調(diào)的應(yīng)用已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟的各個部門，對促進經(jīng)濟發(fā)展、提高人民生活水平起到重要的保證作用，有時甚至是關(guān)鍵性的保證作用。供暖系統(tǒng)組成包括熱源、散熱設(shè)備、輸熱管道、調(diào)控構(gòu)件等，它的技術(shù)職能是輸入熱能至空間，補償其熱損失，到達室內(nèi)溫度要求。而通風(fēng)系統(tǒng)組成則由通風(fēng)機、進排或送回口、凈化裝置、風(fēng)道與調(diào)控構(gòu)件等組成，其技術(shù)職能是通風(fēng)換氣、防暑降溫、改善室內(nèi)環(huán)境、防止內(nèi)外環(huán)境污染。至于空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成是由冷熱源、空氣出來設(shè)備與末端裝置、風(fēng)機、水泵、管道、風(fēng)口、調(diào)控構(gòu)件等組成，依靠經(jīng)過全面處理并且適宜參數(shù)與良好品質(zhì)的空調(diào)介質(zhì)與受控環(huán)境空間進行能量、質(zhì)量的傳遞與交換，實現(xiàn)對室內(nèi)空氣溫度、濕度、潔凈度和其它參數(shù)的按需調(diào)控。在暖通空調(diào)中，越來越多的新興傳感器得到了開發(fā)與應(yīng)用，本文將主要介紹濕度傳感器及CO2傳感器在暖通空調(diào)中的應(yīng)用。濕度傳感器的應(yīng)用方興未艾濕度測量從原理上劃分有2030種之多，但濕度測量始終是世界計量領(lǐng)域中的難題之一。一個看似簡單的量值，深究起來，涉及相當(dāng)復(fù)雜的物理化學(xué)理論分析和計算，初涉者可能會忽略濕度測量中必需注意的許多因素，因而影響傳感器的合理使用。常見的濕度測量方法有：動態(tài)法（雙壓法、雙溫法、分流法），靜態(tài)法（飽和鹽法、硫酸法），露點法，干濕球法和電子式傳感器法。但是對于在暖通空調(diào)控制中需要精確感應(yīng)、實時控制的要求來說，電子式濕度傳感器法是一種發(fā)展趨勢。電子式濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測量屬于90年代興起的行業(yè), 近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。這種元件具有較高的精度，同時結(jié)構(gòu)簡單、價廉，適用于常溫常濕的測控等一系列優(yōu)點。氯化鋰元件的測量范圍與濕敏層的氯化鋰濃度及其它成分有關(guān)。單個元件的有效感濕范圍一般在20％RH 以內(nèi)。％的濃度對應(yīng)的感濕范圍約為（80～100）％RH ，％的濃度對應(yīng)范圍是（60～80）％RH 等。由此可見，要測量較寬的濕度范圍時，必須把不同濃度的元件組合在一起使用?？捎糜谌砍虦y量的濕度計組合的元件數(shù)一般為5個，采用元件組合法的氯化鋰濕度計可測范圍通常為（15～100）％RH，國外有些產(chǎn)品聲稱其測量范圍可達（2 ～100）%RH 。HS1101濕度傳感器采用專利設(shè)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，具有響應(yīng)時間快、高可靠性和長期穩(wěn)定性特點，不需要校準的完全互換性。HS1101濕度傳感器在電路中等效于一個電容器Cx，其電容隨所測空氣的濕度增大而增大，在相對濕度為0%100%RH的范圍內(nèi)，電容的容量由160pF變化到200pF，其誤差不大于177。2%RH，響應(yīng)時間小于5s，℃。圖暖通空調(diào)的定義CO2傳感器在暖通控制中越來越重要二氧化碳（CO2）在空氣中的含量越高，對人體的影響就越大，％時，人體就會感到不舒服，當(dāng)超過10％時，人體就會出現(xiàn)昏迷和死亡。達到20％，人就會在幾秒內(nèi)死亡。因此在人群比較密集的地方，二氧化碳含量是一個非常重要的參數(shù)，直接關(guān)系到人體舒適度和安全。而對于控制二氧化碳，必不可少的是進行檢測和計算的二氧化碳傳感器。對于一座大樓的暖通空調(diào)系統(tǒng)來說，使用二氧化碳傳感器所能體現(xiàn)出的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下三點：● 改善居住環(huán)境，使人感到更為舒適?！?降低能源消耗。像通過在每個點上控制濕度，實際需求的來照明一樣，通過二氧化碳含量來控制新風(fēng)的換送，使環(huán)境保持最佳舒適度時，而運行費用被減到最小。● 更低的維修費用。在暖通空調(diào)的管理中，通過監(jiān)控整個系統(tǒng)組件，大樓管理者可以更有效地設(shè)計并且執(zhí)行維修。這里TGS4160型CO2傳感器是一種電化學(xué)型氣體的敏感元件，當(dāng)該元件暴露在CO2氣體環(huán)境中時，就會產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。為了使該傳感器保持在最敏感的溫度上，一般需要給加熱器提供加熱電壓進行加熱，但加熱電壓的變化將直接影響傳感器的穩(wěn)定性，因此加熱電壓必須穩(wěn)定，177。 VDC之內(nèi)。為了保證CO2的準確測量，除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對環(huán)境溫度的變化進行溫度補償外，更主要的是要測量兩電極之間變化的電勢值ΔＥＭＦ，而不是絕對電勢值ＥＭＦ，因為ΔＥＭＦ與CO2濃度變化之間有一個較好的線性關(guān)系。雖然ＥＭＦ絕對值隨環(huán)境溫度的上升而上升，ΔＥＭＦ卻保持常量，而且它在10℃～+50℃溫度范圍內(nèi)，基本不受溫度的影響。ΔＥＭＦ值可由下式求得：ΔＥＭＦ＝ＥＭＦ１－ＥＭＦ2其中，ＥＭＦ１為350 ppm的CO2中的ＥＭＦ值；ＥＭＦ2為所測量的CO2的ＥＭＦ值。在溫度為20℃177。2℃、濕度為65177。5％ＲＨ、177。 VDC、預(yù)熱時間為7天或大于7天的條件下，測得傳感器在濃度為350 ppm中的ＥＭＦ值是220～490 mV，而ΔＥＭＦ在350～3500 ppm的CO2濃度中的值是44～72 mV，因此在實際測量應(yīng)用電路中，要根據(jù)傳感器的特點要求，除使用高輸入阻抗（≥100ＧΩ）、低偏置電流（≤1 pA）的運算放大器外，還要對測得的信