PLC及变频器在中央空调节能改造中的应用

王琦

摘 要：本文主要针对PLC变频器在中央空调节能改造中的应用展开了探讨，对中央空调系统的运行和节能原理作了概述，并通过结合具体的实例，对中央空调的节能改造作了系统的分析，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。

关键词：PLC；中央空调；节能改造

0 引言

安装中央空调已经成为现代工厂企业、办公大楼、商厦、酒店等常用设备，尤其是在高层建筑中是必不可少的。但是由于中央空调的耗能大，在如今倡导节能降耗主题的社会，对中央空调进行节能改造已是不可避免。而在中央空调中应用PLC系统不仅可以大幅度节约电能和提高系统的自动化程度，还能使系统具有运行可靠、结构简化、维护维修方便等优点，因此，在中央空调的节能改造中都普遍倾向于采用PLC系统进行处理。

1 中央空调系统的运行和节能原理

1.1 中央空调系统概述

空调系统主要由空调机组、水系统、风系统、末端系统和散热系统组成。制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成高温高压的气体后送到冷凝器中与冷却水进行热交换，冷却水被加热，水泵将高温水送到散热系统，由散热系统对其降温，与外界环境进行换热，将热量释放到环境中去。制冷剂经冷凝器被冷凝成液态，通过节流阀节流降压后，在蒸发器中与冷冻水换热，冷冻水被降温，水泵将冷水送到各空调末端，为用户供冷。制冷剂蒸发成气态后被吸入压缩机，完成一个循环。

1.2 空调水系统变水量调节原理

空调水系统变水量调节的原理可以用能量守恒定理表述为：

q=C·Q·Δt （1）

式中：q为系统冷负荷；

C为水的比热容；

Q为冷水流量；

Δt为送、回水温差，一般取5℃。

由式（1）可以看出，在空调水系统中，可根据实际负荷的大小来调整水流量或供、回水温差。在进行水系统设计时，q、C、Δt为确定值，所以，水流量Q也被确定，水系统就是按这些值进行设备选型。当系统实际运行时，q成为一独立参数，与室外气象条件和室内热源等许多因素有关。当系统负荷q发生变化时，系统的水流量Q或温差Δt必然发生变化。如果改变供、回水温度差Δt，维持流量Q不发生变化，则形成定流量系统。如果维持供、回水温度差Δt不发生变化，而变动水流量Q，则成为变流量系统。合理变流量系统，供、回水温差恒定，水量与负荷呈线性相关关系，此时可以考虑使用变频水泵。

1.3 水泵变频节能原理

中央空调的水系统主要是完成热量交换的循环水系统。一般对水流量的调节是通过阀门和挡板的开度开控制的，因此，许多的电能会浪费在阀门与挡板的阻力上；若换成变频系统，把消耗在阀和隔板的电能省下来，泵节能效果就很明显。所以，采用变频技术来控制水泵的运行，是中央空调节能改造的有效途径之一。

图1给出了变频调节和阀门调节两种控制下的扬程—流量（H-Q）关系。图1中，①为泵在转速n1时的扬程—流量曲线，②为泵在转速n2下的扬程—流量曲线，曲线③为阀门正常时的管路特性曲线，曲线④为阀门调小时的管路特性曲线。

图1 水泵扬程—流量关系曲线

水泵的有效功率可以由式（2）表示为：

Pe=ρgQH/1000（2）

式中：Pe为泵的有效功率，kW；

ρ为流体的密度，kg/m3；

g为重力加速度，m/s2；

H为扬程，m；

Q为体积流量，m3/s。

若泵的标准工作点为A，此时流量为Q1、扬程为H1，由式（2）可知有效功率Pe1与Q1、H1的积（即OQ1AH1）成正比例。当流量从Q1变化到Q2时，如果采用阀门调节方式，管路特性从曲线③变化到曲线④，有效功Pe3可以用OQ2CH3表示；如果采用变频调节，泵转速由n1变化到n2，在水量为Q2的情况下，水泵扬程降低到H2，有效功率Pe2可以用面积BH2OQ2表示。节省的能量ΔP（即面积CH3H2B）是十分明显的。

2 中央空调节能改造示例

2.1 某大樓原中央空调系统概况

某商贸大楼中央空调水泵为一次泵，该大楼泵电机常年定速工作，供回水温差约为2.5，用继电器控制。该空调系统各设备详细信息如表1。

表1 空调系统设备信息

该大楼空调机组选型计算是按极端天气、最差条件下设计的，有较大的宽裕，系统实际运行极少在这种极端条件下，一年中只有几天处于最大负荷。大楼原有的空调系统除了能耗大外，还会导致一系列问题：

（1）水流量过大系统温度差降低，换热效率下降，恶化了空调机组工作条件，造成额外的电能损耗。

（2）水泵采用自耦变压器启动，电机启动电流大，对供电系统带来冲击。

（3）一般泵启、停不是软启、停，在泵启、停时，会出现水锤现象，对管网、零件阀门、管道等造成破坏。

为使循环水流量与负荷波动相配合，应用变频控制对空调水系统进行节能改造，可以降低系统的能耗。一方面能够控制水泵的转速，使水量随负荷波动相适应，从而节约能源；另一方面，因为变频器的启动方式是软启动，电机在启停时无冲击电流，这样能够防止水锤的发生，延长电机、零件阀门、管道等的寿命。

2.2 节能改造措施

根据大厦原有的空调运行情况，规定大楼空调水循环节能改造方法。

（1）系统中冷冻泵功率57kW，冷却泵功率78kW，相对于空调机组功率接近30%较大，所以对冷冻水和冷却水系统都要进行改造，在保证安全稳定运行的条件下，取得最显著的节能效果。

（2）冷冻水、冷却水系统的控制都应用定温度差控制方案，温差控制适用于泵的恒流量改造，将冷冻水、冷却水温度差控制在4.5～5℃。

用温度传感器测供、回水温度，将结果通过数模转换模块转化成数字量送入PLC计算，根据计算结果来控制变频器，从而控制水泵转速来调节水流量。若供、回水温差大，负荷较大，应提高水泵频率，增大循环水流量；相反温差小，说明负荷较小，应降低水泵频率，减小循环水流量。

3 结论

综上所述，中央空调是对楼宇及建筑内空气进行调节的系统，也是现代建筑中不可缺少的重要设施，但其耗电量大，因此，需要对此进行一定的节能改造以降低能耗的损耗。而PLC系统以其具有先进、可靠、经济、灵活等显著特点，在中央空调节能改造的应用发挥出了巨大的节能、环保等社会效益，得到了极大的认可，相信PLC系统将会有着更加广泛的应用前景。

参考文献

[1]赵春平、李冰.PLC自动控制技术在中央空调系统中的应用[J].经济技术协作信息.2010（01）.

[2]韩俊青、王洪华.基于PLC控制的中央空调节能改造[J].中国教育技术装备.2009（06）.