【文章內(nèi)容簡介】 機是溫度升高，這時用水將溫度降下來，這部分水稱為冷卻水，冷卻水通過冷冷卻水泵把制冷主機所產(chǎn)生的熱量帶走，再經(jīng)過冷卻塔把熱量 釋放到空氣中，然后回到冷水機組，這樣構(gòu)成一個冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)上的泵是冷卻水泵。要清楚，空調(diào)系統(tǒng)通過三個循環(huán)把室內(nèi)的熱量傳到室外：冷凍水循環(huán)，制冷劑循環(huán)，冷卻水循環(huán)。 冷卻塔： 冷卻塔是利用水和空氣的接觸，通過蒸發(fā)作用來散去制冷主機所產(chǎn)生的廢熱的一種設(shè)備。通過冷卻水泵將溫度較高的水送上冷卻塔，通過冷卻塔噴頭，讓水自上而下流動，一方面，通過自然空氣帶走水中熱量；另一方面，通過冷卻風機帶動空氣加速運動，通過空氣帶走熱量的同時加快蒸發(fā)，讓水溫降低。溫度降低后的冷卻水再次循環(huán)進入制冷主機，帶走制 冷主機產(chǎn)生的廢熱，如此循環(huán)。 風機盤管： 豐 機盤管空調(diào)系統(tǒng)是將由風機和盤管組成的機組直接放在房間內(nèi)，工作時盤管內(nèi)根據(jù)需要流動熱水或冷水，風機把室內(nèi)空氣吸進機組，經(jīng)過過濾后再經(jīng)盤管冷卻或加熱后送回室內(nèi)，如此循環(huán)以達到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度的目的。 （ 1）變頻器工作原理 簡介 變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。低壓變頻器主要采用交 — 直 — 交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供 給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制 4 個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。通過變頻器可以自由調(diào)節(jié)電機的速度。如圖 31為變頻器內(nèi)的控制電路框圖。 河北工程大學科信學院畢業(yè)設(shè)計說明書 5 圖 31 變頻器內(nèi)的控制電路框圖 （ 2）變頻節(jié)能分析 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（ 1s） /p，（式中 n、 f、 s、 p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差 率、電機磁極對數(shù)）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速 n與流量 Q，壓力 H以及軸功率P 具有如下關(guān)系： Q∝ n ， H∝ n2， P∝ n3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。如圖 32所 示為壓力 H流量 Q 曲線特性圖 :風機、泵類在管路特性曲線 R1 工作時，工況點為 A，其流量壓力分別為 Q H1，此時風機、泵類所需的功率正比于 H1 與 Q1的乘積，即正比于 AH1OQ1 的面積。由于工藝要求需減小流量到 Q2，實際上 通過增加管網(wǎng)管阻，使風機、泵類的工作點移到 R2上的 B點，壓力增大到 H2，這時風機、泵類所需的功率正比于 H2與 Q2的乘積，即正比于 BH2OQ2 的面積。顯然風機、泵類所需的功率增大了。這種調(diào)節(jié)方式控制雖然簡單、但功率消耗大，不利于節(jié)能，是以高運行成本換取簡單控制方式。 圖 32 壓力 H流量 Q曲線特性圖 河北工程大學科信學院畢業(yè)設(shè)計說明書 6 n1代表電機在額定轉(zhuǎn)速運行時的特性； n2代表電機降速運行在 n2轉(zhuǎn)速時的特性；R1代表風機、泵類管路阻力最小時的阻力特性； R2代表風機、泵類管路阻力增大到某一數(shù)組時的阻力特性。 若采用 變頻調(diào)速，風機轉(zhuǎn)速由 n1 下降到 n2，這時工作點由 A 點移到 C 點，流量仍是 Q2，壓力由 H1 降到 H3，這時變頻調(diào)速后風機所需的功率正比于 H3 與 Q2的乘積，即正比于 CH3OQ2的面積，由圖可見功率的減少是明顯的。對于風機、泵類設(shè)備采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果，通常采用以下兩種方式進行計算：若采用變頻調(diào)速，風機轉(zhuǎn)速由 n1下降到 n2，這時工作點由 A點移到 C 點，流量仍是 Q2，壓力由 H1 降到 H3，這時變頻調(diào)速后風機所需的功率正比于 H3 與 Q2的乘積，即正比于 CH3OQ2 的面積，由圖 32 可見功率的減少是明顯的。 中央空調(diào)系 統(tǒng)節(jié)能研究現(xiàn)狀 （ 1） 冷卻水系統(tǒng)的不足 從設(shè)計角度考慮，冷卻水泵電機的容量是按照最大換熱量 (即環(huán)境氣溫最高、且所有場所的空調(diào)都開足 )的情況下，再取一定的安全系數(shù)來確定的。而通常情況下，由于季節(jié)和晝夜氣溫的變化以及開機數(shù)目的不足，實際換熱量遠小于設(shè)計值，因此，電機容量遠大于實際負荷，出現(xiàn)了大馬拉小車的情況。 再從冷卻水流量考慮，冷卻水的作用是要及時將冷凝器中的熱量帶走，以保證制冷機能正常工作。從節(jié)能的角度看，只要能保證制冷機能正常工作，冷卻水流量越小，所做的無用功就越少，節(jié)能也就越明顯。根據(jù)流量公式 Q=SV，過去由于交流電機的轉(zhuǎn)速不可調(diào)，只能通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥、改變管道截面積 S的方式來調(diào)節(jié)流量 Q，節(jié)流閥的存在對水流產(chǎn)生阻力，從而產(chǎn)生節(jié)流損耗，并且會引起機械振動和產(chǎn)生噪音。 （ 2） 冷凍水系統(tǒng)的不足 冷凍水泵的作用是將經(jīng)制冷機降溫的冷凍水通過輸送管道送到中央空調(diào)的各出風口處的風機盤管組件中，對環(huán)境起降溫作用，冷凍水的流量與冷凍水泵的轉(zhuǎn)速成正比，當冷凍水泵轉(zhuǎn)速高時，冷凍水的流量大，流速也快。因此，當冷凍水流過風機盤管組件時，還沒有充分的時間將所攜冷量全部釋放完，就又返回到制冷機去了，因此冷凍水泵電機做了很多無用功，這些 都是不必要的能耗。若能夠調(diào)節(jié)冷凍水泵電機的轉(zhuǎn)速，根據(jù)實際熱負荷的大小來調(diào)節(jié)冷凍水的流量 (實際上是調(diào)節(jié)交換冷量的大小 )和流速，以便讓冷凍水在風機盤管組件中有充分的時間釋放與熱負荷大小相當?shù)睦淞?，冷凍水泵電機的功耗可大大降低。 中央空調(diào)雖然存在以上不足，但因其在保持大樓立面外觀、保證室內(nèi)空氣品質(zhì)和綜合空調(diào)效果等方面的優(yōu)越性而一直是空調(diào)方案的首選，廣泛采用中央空調(diào)系統(tǒng)的同時，節(jié)能問題不容忽視。不同的中央空調(diào)系統(tǒng)，分別有各自具體的節(jié)能措施，例如： 河北工程大學科信學院畢業(yè)設(shè)計說明書 7 對于辦公樓中央空調(diào)系統(tǒng)，它的使用特點是上班時人員集中、而下班后僅極少 部分人員加班。目前常用的辦公樓中央空調(diào)系統(tǒng)在一定程度上存在著使用不靈活、能耗較大的問題。對辦公樓中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造，除應能滿足大負荷時的用冷外，還應能高效微量供冷。 對于家用中央空調(diào)系統(tǒng)，其存在的問題包括： ①由于沒有住宅中央空調(diào)設(shè)計標準，很多工程都不能進行科學合理的計算，而是參照公共建筑的冷熱量指標進行估算，這樣勢必造成設(shè)備容量選擇偏大，從而造成初投資和能源的浪費； ②我國居民的消費習慣使得家用中央空調(diào)的同時使用系數(shù)低，這就要求機組具有良好的住宅負荷跟蹤特性，而現(xiàn)有產(chǎn)品很少可以滿足。對它的節(jié)能改造，可 以是在滿足住宅室內(nèi)熱環(huán)境舒適的前提下，降低采暖空調(diào)能耗。 對于旅游飯店中央空調(diào)系統(tǒng)，它的節(jié)能問題應從建筑設(shè)計、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計和運行管理等三方面綜合分析，采取相應的對策和措施，使之既提高能量利用效率又滿足合理要求。 現(xiàn)代大樓中央空調(diào)系統(tǒng)，它的節(jié)能途徑是：①合理匹配中央空調(diào)系統(tǒng)的裝機容量，系統(tǒng)在大部分時間里滿負荷或接近滿負荷工作將減小額外能耗。②空調(diào)系統(tǒng)額外能耗應包括顯性額外能耗和隱性能耗兩種?？照{(diào)系統(tǒng)最佳啟停時刻的控制和針對負荷的不同分別選擇主機功率，對水泵進行變頻調(diào)速和冷卻塔進行溫控等技術(shù)手段可有效地降低系統(tǒng)的顯性額外能耗。而采取有效措施減少冷卻塔的蒸發(fā)耗水和飛水，則能明顯地減少空調(diào)系統(tǒng)的隱性能耗。當系統(tǒng)配置固定后，主要從運行方式和加強管理方面尋求節(jié)能途徑。③利用微機整體優(yōu)化控制整個中央空調(diào)系統(tǒng)各個設(shè)備有利于系統(tǒng)的整體節(jié)能，新技術(shù)的應用也將極大地減小系統(tǒng)的能耗。 商住樓中央空調(diào)系統(tǒng)，它的主要目的是創(chuàng)造一個舒適的室內(nèi)空氣環(huán)境。我國商業(yè)建筑建設(shè)量大，商業(yè)建筑的能耗也較大。因此，商業(yè)建筑節(jié)能刻不容緩、且潛力很大。常用的節(jié)能措施有：①減少冷熱負荷；②充分利用自然冷源；③提高冷源效率；④減少水泵電耗；⑤減少管路阻力；⑥加 強管理、減少風機 (柜 )電耗。 2． 4 本課題的主要研究內(nèi)容 本課題是以中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制為基礎(chǔ)，經(jīng)過部分改進，采用變頻技術(shù)實現(xiàn)對冷凍水系統(tǒng)及冷卻水系統(tǒng)的控制，采用 RS一 485 總線通信技術(shù)，設(shè)計了中央空調(diào)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)。 研究工作的具體內(nèi)容如下 : （ 1）對變頻技術(shù)用于大型中央空調(diào)系統(tǒng)的可行性進行分析，以圖書館中央空調(diào)系河北工程大學科信學院畢業(yè)設(shè)計說明書 8 統(tǒng)為研究對象，確定空氣處理機及冷凍冷卻循環(huán)水泵采用變頻技術(shù)的具體方案； （ 2）確定實施變頻節(jié)能技術(shù)改造的具體措施，在確保不影響中央空調(diào)系統(tǒng)正常運行的前提下，完成技術(shù)改造，特別是要處理好工 頻和變頻之間的相互切換問題； （ 3）進行技術(shù)經(jīng)濟分析，核算技術(shù)改造的總投資和產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，對所進行的變頻節(jié)能技術(shù)改造的經(jīng)濟性作出評價。 節(jié)能的可行性分析 風機水泵類負載： P（負載） =Q（流量） H（揚程），當電機轉(zhuǎn)速從 N降至 N’時，流量 Q’，揚程 H’及軸功率 P’的關(guān)系如下： Q’ =Q（ N39。N N） H’ =H（ N39。N ） 2， P’ =P（ N39。N ） 3 根據(jù)上面公式可以看出，當電機轉(zhuǎn)速下降時，流量按線性關(guān)系 變化，而電功率按立方關(guān)系方式變化，例如，電機功率為 15KW，當其轉(zhuǎn)速為原來的 4/5時，耗電功率為 ，即耗電為原來的 %，節(jié)電 %，從而大大節(jié)約電能。那么根據(jù)上面的公式分析，如果我們能根據(jù)負載情況實時改變電機的轉(zhuǎn)速即可達到節(jié)能的目的。 根據(jù)異步電動機原理： n=60f/p(1s)，式中 n:轉(zhuǎn)速， f:頻率， p:電機磁極對數(shù)，s:轉(zhuǎn)差率。 由上式可見，調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速有 3種方法，改變電源頻率、改變電機磁極對數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率。在以上調(diào)速方法中，變頻調(diào)速性能最好，調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運行效 率高，也最容易控制，所以變頻調(diào)速也是目前應用最為成熟的。 3 中央空調(diào)系統(tǒng)主控制器 中央空調(diào)控制系統(tǒng)主控制器采用 PLC 控制，由于 PLC 編程簡單，擴展能力強，并且程序容易修改，所以越來越多的被應用在中央空調(diào)系統(tǒng)中，取代原來的 DDC 控制器，并且可通過 PLC 的通訊接口接入上位監(jiān)控系統(tǒng)，便于在主控室查看各節(jié)點運行狀態(tài)，并且很容易進行電能消耗、運行時間統(tǒng)計以及故障監(jiān)視及分析。下面對 PLC 的發(fā)展及功能特點進行闡述 河北工程大學科信學院畢業(yè)設(shè)計說明書 9 PLC 的發(fā)展 PLC（ Programmable Logic Controller） ,是一種電子裝 置，早期稱為順序控制器“ Sequence Controller” ,1978 年 NEMA(National Manufacture Association)美國國家電氣協(xié)會正式命名為 Programmable Logic Controller（可編過程控制器。簡稱 PLC） ,其定義為一種電子裝置，主要將外部的輸入裝置如：按鍵、感應器、開關(guān)及脈沖等的狀態(tài)讀取后，依據(jù)這些輸入信號的狀態(tài)或數(shù)值并根據(jù)內(nèi)部存儲預先編寫的程序，以微處理機執(zhí)行邏輯、順序、計時、計數(shù)及算式運算，產(chǎn)生相對應的輸出信號到輸出裝置如：繼電器（ Relay）的開關(guān)，電磁閥及馬達驅(qū)動，控制機械或程序的操作，達到機械控制自動化或加工程序的目的。并籍由其外圍的裝置（計算機 /程序書寫器）輕易地編輯 /修改程序及監(jiān)控裝置狀態(tài)，進行現(xiàn)場程序的維護及試機調(diào)整。 PLC 與繼電器控制系統(tǒng)的有很大的關(guān)系。由于在復雜的繼電器控制系統(tǒng)中，故障的查找很排除非常困難，若工藝發(fā)生變化，控制柜內(nèi)的組件與接線需作相應的變化，這種改造的工期長，費用高，以至于有的用戶寧愿扔掉舊的控制柜，另外做一臺新的控制柜。 1968 年，美國最大的汽車制造廠家 — 通用汽車公司 (GM)提出了研究 PLC 的基本思想，即： 編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序維護方便，采用插件式結(jié)構(gòu)可靠性高于繼電器控制柜體積小于繼電器控制柜成本可與繼電器控制柜競爭可將數(shù)據(jù)直接送入計算機可直接采用 115V 交流輸入電壓輸出采用 115V 交流電壓，能直接驅(qū)動電磁閥、交流接觸器等負載通用性強，擴展方便能存儲程序，存儲器容量可達 4KB， 1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）研制出了世界上第一臺 PLC。 70年代初期出現(xiàn)了微處理器，它的體積小，功能強，價格便宜，很快被用于 PLC，使它的功能增強，工作速度加快，體積減小，可靠性提高，成本下降。 PLC借鑒微型計算機的高級語 言，采用極易為工廠電氣人員掌握的梯形圖編程語言。現(xiàn)代可編程控制器不僅能實現(xiàn)對開關(guān)量的邏輯控制，還具有 數(shù)學 運算、數(shù)據(jù)處理、運動控制、模擬量 PID控制，通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。 PLC 已經(jīng)廣泛應用在各種工業(yè)部門，其應用范圍已擴展到樓宇自動化、家庭自動化、商業(yè)、公用事業(yè)、測試設(shè)備和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。 隨著電子技術(shù)和 計算機技術(shù) 的進步， PLC 的發(fā)展趨勢有：向高性能、高速度、大容量發(fā)展，大力發(fā)展微型 PLC，不斷增強微型 PLC 的功能， PLC 編程語言的標準化， PLC與其它工業(yè)控制產(chǎn)品相互融合， PLC 與個人計算機（ PC）的融合， PLC 與集散控制系統(tǒng)的融合， PLC 與 CNC 的融合，大力開發(fā)智能型 I/O 子系統(tǒng)， LC與現(xiàn)場總線相融合，強通訊聯(lián)網(wǎng)功能 河北工程大學科信學院畢業(yè)設(shè)計說明書 10 PLC 的特點 (1) 編程方法簡單易學，指令豐富 梯形圖是使用得最多的 PLC