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    1 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(fù)荷設(shè)計，并且留10-20％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(fù)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(fù)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(fù)載增多間接造成冷水機(jī)組負(fù)荷變大）和造成中央空調(diào)最末端達(dá)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(jìn)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。

    2 項目介紹

     廣東某酒店改造項目節(jié)能改造點如下:

     1．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。

     2．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。

     3．東樓/西樓的中央空調(diào)之冷卻塔風(fēng)機(jī)控制，改造原因：一是頻繁啟動，沖擊電流大，接觸器和電機(jī)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。

     4．風(fēng)機(jī)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。

     5．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(jī)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(yán)重影響管件壽命和供水水質(zhì)。

    3　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(jī)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(jī)組

     一般冷凍機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計方式：在冷水機(jī)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(fù)荷Q=F*△T，根據(jù)冷機(jī)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(jìn)而自動選擇冷機(jī)的最佳組合。使系統(tǒng)的總能耗保持在最小值，以達(dá)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)的使用壽命將受到影響；起動時的機(jī)械沖及和停泵時水錘現(xiàn)象，容易對機(jī)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(jī)后，電機(jī)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(jī)使用壽命最主要的因素，同時采用變頻器控制電機(jī)后還可避免水垂現(xiàn)象，因此可大大延長電機(jī)、接觸器及機(jī)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(fù)載變化相應(yīng)調(diào)整冷凍水泵電機(jī)和冷卻水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足中央空調(diào)系統(tǒng)正常工作而達(dá)到節(jié)能目的。水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)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(jī)原轉(zhuǎn)速，P0為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下的電機(jī)軸功率消耗，Q0為原電機(jī)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），H-Q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3 阻管與功率P變化曲線圖 圖4 不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的阻管與功率P變化曲線圖

     系統(tǒng)改造方式如下：

     西樓和東樓冷凍冷卻泵控制圖分別如圖5和圖6所示：

                    

                                   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(jī)

     控制方式：控制送水/回水溫差為恒值為目標(biāo)，調(diào)整冷卻塔風(fēng)機(jī)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(jī)和全速運轉(zhuǎn)，由于n=60f(1-s)/p;-----p：電機(jī)極數(shù)根據(jù)流體力學(xué)知：風(fēng)壓H 正比于轉(zhuǎn)速n²;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n³），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-(0.8n)3]=0.438 K1K2n風(fēng)量減小50℅，即轉(zhuǎn)速降低50℅，節(jié)省功率ΔP=K[n3-(0.5n)3]=0.875 K1K2n可見，大部分情況冷卻塔風(fēng)機(jī)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(jī)和風(fēng)機(jī)效率降低這一因素，采用變頻器調(diào)速，風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)組和空調(diào)機(jī)組外，還大量使用風(fēng)機(jī)盤管。它只有盤管、三速風(fēng)機(jī)、電動調(diào)節(jié)閥，感溫組件、控制器等組成。一般三速風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行監(jiān)測，通過室環(huán)境溫/濕度檢測，實時調(diào)整空調(diào)機(jī)和新風(fēng)機(jī)的新風(fēng)量，進(jìn)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(jī)的新/回風(fēng)混合比，提供長期舒適的活動環(huán)境，同時可達(dá)到節(jié)能效果。

     （5）供水

     以設(shè)定供水壓力為目標(biāo)，根據(jù)實際用水量，利用VFD-F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

    3 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(qiáng)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。

    摘自《自動化博覽》2010年第四期