下载文档原格式
中央空调智能节能控制系统设计与实现摘要：空调能耗正成为广大暖通设计者关注和研究的重要课题，本文分析了影响空调系统能源消耗的关键因素，并从系统的选择、设备的选配及系统的运行管理等方面提出了切实可行的空调节能方案，对空调系统的设计及运行管理中的节能具有一定参考价值。
关键词：中央空调；系统；设计；节能1.中央空调系统的构成1.1冷冻机组这是中央空调的“制冷源”，通往各个房间的循环水由冷冻机组进行“内部热交换”，降温为“冷冻水”。
1.2冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻水管道组成。
从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在各房间内进行热交换，带走房间热量，使房间内的温度下降。
从冷冻机组流出、进入房间的冷冻水简称为“出水”，流经所有的房间后回到冷冻机组的冷冻水简称为“回水”。
1.3冷却水循环系统由冷冻泵、冷却水管道及冷却塔组成。
冷冻机组进行热交换，使水温冷却的同时，必将释放大量的热量。
该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。
冷却泵将升了温的冷却水压人冷却塔，使之在冷却塔与大气进行热交换，然后在将降了温的冷却水，送回到冷却机组。
如此不断循环，带走了冷冻机组释放的热量。
流进冷冻机组的冷却水简称为“进水”，从冷冻机组流回冷却塔的冷却水简称为“回水”。
1.4冷却风机冷却塔风机用于降低冷却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。
可以看出，中央空调系统是工作过程室一个不断地进行热交换的能量转换过程。
在这里，冷冻水和冷却水循环系统是能量的主要传递者。
冷却水温度过高、过低都会影响冷冻机组使用寿命，因为温度过低影响机组润滑，但温度过高将导致制冷剂高压过高。
因此，对冷却风机的控制便是中央空调控制系统的重要组成部份。
变频控制冷却风机的转速使冷却水出水温度保持在28～30℃之间，既节能又延长冷冻机组使用寿命。
!中央空调系统的组成和控制思想中央空调与家用独立空调的温度传递方式不同：家用独立空调直接吹风到散热器上获得冷风或者热风。
中央空调水控制系统总体方案设计摘要：本文首先对中央空调制冷系统的结构和原理、中央空调冷冻水变水量调节的原理及特点进行分析；通过对比传统的中央空调水控制系统，设计了基于PLC的带有远程监控功能的分布式中央空调水控制系统。
1.中央空调制冷系统的结构及原理中央空调制冷系统主要由制冷机组、冷却水循环系统、冷冻水循环系统和冷却塔风机系统构成，系统原理如图1所示:图1中央空调制冷系统在中央空调制冷过程中，制冷剂通过蒸发器制冷，冷冻水与制冷剂在蒸发器中进行热交换之后带走冷量，此时制冷剂为常温低压气态，通过压缩机之后，制冷剂变成高温高压气态。
制冷剂进入冷凝器之后，在冷凝器的盘管中与冷却水完成热量交换，冷却水将带走热量，此时制冷剂由高温高压的气态冷凝为高压液体流出冷凝器。
高压液体制冷剂通过电子膨胀阀后压力降低，在降压过程中，液态制冷剂气化温度降低，在蒸发器中进行冷量交换，这个冷量交换的过程就是中央空调的制冷过程。
冷却水在冷凝器中完成热交换后，将制冷剂的热量带出，流经冷却塔时与大气充分接触，从而释放冷却水中的热量到大气中，经冷却水泵的作用后重新进入冷凝器。
冷却塔在冷却水循环的过程中有重要作用，它使冷却水与大气的接触面积增大，能够起到自然降温的目的，冷却塔的风扇也具有降温作用。
冷冻水循环是一个相对封闭的循环系统。
在冷冻水的循环过程中，冷冻水泵将冷冻水送入蒸发器，在蒸发器中，冷冻水与制冷剂完成热量交换后冷冻水温度降低，通过冷冻水泵将冷冻水输送到整个冷冻水循环系统中，之后在风机盘管中进行热交换，达到降低空气的温度的目的。
低温空气通过风机吹送到房间以达到降低房间的温度的目的，从而达到调节室内温度的效果。
2中央空调冷冻水变流量调节2.1变水量调节的特点在中央空调水系统控制中，与常用的定流量系统相比，变流量系统具有以下的特点：（1）中央空调系统冷量负荷发生变化时能够实时调节冷水量，实现冷水量根据负荷改变而变化，从而降低水泵的能耗，起到节能的作用。
中央空调水循环原理
中央空调的水循环原理是通过一系列的管道、泵和阀门来实现热量的传递和控制。
具体的水循环过程如下：
1. 冷却水循环：冷却水从中央空调机组中流出，经过冷冻水泵进入冷却塔。
2. 冷却塔：冷却塔是一个用于散热的设备，冷却水在塔内与空气进行热交换，使冷却水的温度降低。
3. 冷却水回流：冷却水从冷却塔排出后，经过冷却水回流泵，再次回到中央空调机组，继续循环使用。
4. 蒸发器：在中央空调机组内，冷却水经过蒸发器与蒸发器内的冷媒进行热交换，将空气中的热量吸收。
5. 冷媒回流：冷媒经过蒸发后变为气态，通过冷凝水泵进入冷凝器。
6. 冷凝器：冷凝器是一个热交换设备，冷媒在冷凝器内与冷却水进行热交换，将热量传递给冷却水。
7. 冷凝水回流：冷凝水从冷凝器排出后，通过冷凝水回流泵回流到中央空调机组，继续循环使用。
通过这样的水循环过程，中央空调系统能够循环利用冷却水，不断地吸收和释放热量，从而实现空调效果。
同时，通过控制冷却水的流量和温度，可以调节室内空气的温度和湿度，以满足不同的舒适需求。
中央空调水循环系统的节能设计摘要：随着人们生活水平的提高，中央空调已经逐渐普及到家庭以及其他大中型场所之中，其种类也各不相同，分为燃气型、冰蓄冷型以及地温型。
建筑行业的发展也越来越迅速，中央空调主要应用在建筑物室内，但是建筑物的高度不断提升，使得中央空调的设计面临着前所未有的难题。
本文主要针对中央空调水循环系统进行节能设计。
关键词：中央空调；水循环系统；节能设计引言：节能环保是我国一直以来秉承的理念，而建筑节能已经逐渐被人们关注。
建筑能耗作为高层建筑的主体之一，其中中央空调的消耗占百分之六十左右，因此，对空调节能改造需要受到重视。
文章主要归纳总结了中央空调水循环系统运行中经常出现的问题，并针对问题提出了相应的解决措施，以此达到节能降低损耗的目的。
1中央空调系统各部分1.1系统组成主机部分大部分建筑物的中央空调机房均安装在楼房的一层或者地下负一层，需要重点改造的是其中的中央空调水循环系统，主要分为三类，分别是中央空调水系统、氟系统以及风系统。
主机部分由压缩泵、蒸发、冷凝器、制冷剂等组成。
首先，制冷剂通过压缩机被压入冷凝器，瞬间形成高压液体，再次过程中会产生大量的热量，冷却塔吸收此部分热量，并释放到大气中，处于冷凝器内部的高压液态冷媒由于压力的改变而气化，变成气液混合物后，最终进入蒸发器中，此过程发生在高压液态冷媒流经蒸发器之前的节流降压装置中。
制冷剂不断气化的同时吸收热量降低冷冻水的温度，制冷剂又重新变为低压气体进入压缩机，此过程循环进行。
1.2冷却水循环部分冷却水循环部分主要由冷却泵、冷却水管道、冷却水塔和冷凝器四部分组成。
首先，冷却水进行室内热交换，将室内大量热量带走。
热量由主机内的制冷剂传到冷却水，升高其温度。
而后，冷却泵将其压缩入冷却塔内出水与大气交换，待温度降低后重新传输入主机冷凝器内回水。
1.3冷冻水循环系统将低温冷冻水传输入冷冻泵中进行加压，而后送入冷冻水管道中进行热交换，使室内的温度降低，再传回到主机蒸发器。
中央空调冷水系统设计与配置一．引言随着我国经济的持续高速发展，建筑事业也呈现出一片蓬勃繁荣的景象，中央空调系统在宾馆﹑办公大楼﹑商业中心﹑医院及其他建筑得到广泛的应用。
中央空调系统不但涉及到高额的资金初投入，同时也是建筑的耗能大户。
大多数工程设计中，最关心的是空调冷源方案的经济性以及运行耗能的比较。
但是我们知道，选择理想的冷源方案只是良好的中央空调系统的基础，对于空调冷水系统有效运行管理和节能降耗是远远不够的，中央空调系统运行节能降耗很大程度上取决于空调冷水系统有效的运行，设计对策合理﹑调试完善﹑管理技术措施到位的中央空调冷水系统才是其最有力的保障。
二．机房侧的设计配置2.1 冷水机组﹑冷冻水泵的容量合理配置冷水机组容量偏大的问题是目前中央空调系统存在比较普遍的问题，大容量的闲置无疑是最大的浪费，一方面很大程度上增加了工程建设初投资，另一方面又加剧了系统的运行能耗。
冷水机组的容量偏大又影响决定了冷冻﹑冷却水泵的容量，如果对空调水系统的水力同时又缺乏详细的计算，设计工程师心中无数，那么水泵选型扬程难免偏大，也进一步增加水泵的功耗（N与Q*H 成正比），这无疑是雪上加霜的事情。
造成这种现象是由于对空调冷负荷没有进行仔细的计算，取而代之为“拍脑袋”，这种现象是比较普遍的，一方面是设计工程师缺乏足够的时间去做这些繁琐的计算工作，另一方面是业界缺乏对空调系统效果好与坏的评判准则，我们知道空调系统的＂发挥能力＂取决于很多方面，除了设计的因素其中还包括施工质量的好坏﹑竣工调试水平的高低，这些往往由于缺乏有力的管理和监控，便能形成影响空调系统效能充分发挥决定性的因素。
特别是在设计总冷量配置不太富裕的情况下，如果系统缺乏仔细的调试，很容易造成客观上贫富不均，进而引起产生空调效果不好或总制冷量不足的误解。
基于这种的忧虑，设计工程师便加大保险系数，层层加码，便造成冷水机组容量偏大的后果，投资浪费﹑建筑耗能大便在所难免。
AB变频器PF400在中央空调系统中的设计和应用一、前言大部份建筑物在一年当中，只有几十天时间，中央空调处于最大负荷。
中央空调冷负荷，始终处于动态变化之中，如每天早晚、每季交替、每年轮回、环境及人文等因素都实时影响着中央空调冷负荷。
一般，冷负荷在5~60%范围内波动，大多数建筑物每年至少70%的时间是处于这种情况。
而大多数中央空调，因系统设计多数以最大冷负荷为最大功率驱动。
这样，就往往造成实际需要冷负荷与最大功率输出之间的矛盾，实际造成巨大能源浪费，给使用方造成巨额电费支出，增加经营者的成本，降低经营竞争力。
本文介绍了AB变频器PF400在中央空调系统的水循环、变频风机和冷却塔风机中的设计和应用。
二、PF400在中央空调水循环系统的设计中央空调系统的水循环系统主要分为冷冻水（或热水）循环系统、冷却水循环系统，智能变频柜主要控制的对象为冷冻水（热水）回路和冷却水回路。
如下图所示。
图一中央空调水循环控制原理1、冷冻水循环的控制由冷冻泵及冷冻水管道组成，从冷水机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在个房间内进行热交换，带走房间内热量，从而使房间内的温度下降。
冷冻水泵的控制方式为：最高层（或最不利端）压力控制在高层的中央空调系统中，由于各层的空调机想对应于热负载的变动开闭冷水进口阀，以此调节室温。
由于冷冻水的流量经常发生变化，引起最高层水压的较大变化，为了解决该问题，需要控制冷水泵的出水阀，以保持最高层水压大致恒定，但大多数应用场合，都是保持出水阀门开度一定，任随压力变化。
如果这样，会导致压力损失大，效率低。
此时若采用转速控制，以保持最佳压力，可防止压力损失并较大幅度提高效率并取得好的节能效果。
2、冷却水循环的控制由冷却泵及冷却水管道及冷却塔组成。
冷水机组进行热交换，是水温冷却的同时，必将释放大量的热量。
该热量被冷却水吸收，是冷却水温度升高。
冷却泵将升了温冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再降了温的冷却水，送回到冷水机组。
如此不断循环，带走冷水机组释放的热量。
冷却水泵的控制方式为：恒温差控制。
由于冷却塔的水温是随环境温度而变化的，其单侧水温不能准确地反映冷冻机组产生热量的多少。
所以，对于冷却水泵，以进水和回水的温差作为控制依据，实现进水和回水间的恒温差控制是比较合理的。
温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；反之则应该降低转速。
3、变频控制原理从以上的分析可以知道，对于中央空调水循环系统的变频控制一般都采用恒压力差或恒温差闭环控制，PF400变频器有一个内置的PID控制回路，用来使过程反馈的压力差或温度差与设定值保持一致。
具体示意如图二：图二水循环变频控制示意在PF400的PID控制中，比例运算是指输出控制量与偏差的比例关系。
积分运算的目的是消除静差，只要偏差存在，积分作用将控制量向使偏差消除的方向移动。
比例作用和积分作用是对控制结果的修正动作，响应较慢。
微分作用是为了消除其缺点而补充的。
微分作用根据偏差产生的速度对输出量进行修正，使控制过程尽快恢复到原来的控制状态，微分时间是表示微分作用强度的单位。
4、节能预估根据流体力学原理，流量Q与转速n的一次方成正比，管压H与转速n的二次方成正比，轴功率与转速n的三次方成正比。
即Q=K1*nH=K2*n2Ps=K3*n3当所需流量减少，离心泵转速降低时，其功率按转速的三次方下降。
如所需流量的80%，则转速也下降为额定转速的80%，而轴功率降51。
2%；当所需流量为而额定流量的50%时，而轴功率降12。
5%。
当然，转速降低时，效率也会有所下降，同时还应考虑控制装置的附加损耗等影响。
即使如此，这种节电效果也非常可观。
通过实际证明，水泵类，节能40%-50%。
综合实际运行效果，对冷冻泵拖动系统、冷却泵拖动系统实施变频控制后的基本节能效果为35%～55%左右。
三、PF400在中央空调变频风机控制的设计目前的中央空调系统中，变频风机正在在被广泛使用，其有如下突出的优点：节能潜力大，控制灵活，可避免冷冻水、冷凝水上顶棚的麻烦等。
然而变频风机系统需要精心设计，精心施工，精心调试和精心管理，否则有可能产生诸如新风不足、气流组织不好、房间负压或正压过大、噪声偏大、系统运行不稳定、节能效果不明显等一系列问题。
中央空调中变频风机的控制方式主要有以下几种：1、变频风机的静压PID控制方式送风机的空气处理装置是采用冷热水来调节空气温度的热交换器，冷、热水是通过冷、热源装置对水进行加温或冷却而得到的。
大型商场、人员较集中且面积较大的场所常使用此类装置。
图一所示给出了一个空气处理装置中送风机的静压控制系统。
在第一个空气末端装置的75%到100%处设置静压传感器，通过改变送风机入口的导叶或风机转速的办法来控制系统静压。
如果送风干管不只一条，则需设置多个静压传感器，通过比较，用静压要求最低的传感器控制风机。
风管静压的设定值（主送风管道末端最后一个支管前的静压）一般取250-375Pa之间。
若各通风口挡板开启数增加，则静压值比给定值低，控制风机转速增加，加大送风量；若各通风口挡板开启数减少，静压值上升，控制风机转速下降，送风量减少，静压又降低，从而形成了一个静压控制的PID闭环。
图三中央空调送风机的静压控制在静压PID控制算法中，通常采用两种方式，即定静压控制法和变静压控制法。
定静压控制法是系统控制器根据设于主风道2/3处的静压传感器检测值与设定值的偏差,变频调节送风机转速,以维持风道内静压一定。
变静压控制法即利用DDC数据通讯技术，系统控制器综合各末端的阀位信号，来判断系统送风量盈亏，并变频调节送风机转速，满足末端送风量需要。
由于变静压控制法在部分负荷下风机输出静压低，末端风阀开度大、噪声低，风机节能效果好，同时又能充分保证每个末端的风量需要。
控制管道静压的好处是有利于系统稳定运行并排除各末端装置在调节过程中的相互影响。
此种静压PID控制方式特别适合于上下楼或被隔开的各个房间内用一台空气处理装置和公用管道进行空气调节的场合，如商务大厦的标准办公层都得到了广泛的应用。
2、变频风机的恒温PID控制方式在室内空调要求有诸如舒适性等要求较高而空间又不是太过于大的空调区域内，可以使用恒温控制。
恒温控制中必须注意以下几个方面：（1）温控系统的热容量比较大，控制指令发出后，不是瞬间响应，响应速度慢；（2）外界条件如气温、日照等对温控系统的影响很大；（3）因为控制对象为气体，温度检测传感器的安装位置非常重要。
本控制方式也是利用了变频器PF400内置的PID算法进行温度控制，当通过传感器采集的被测温度偏离所希望的给定值时，PID程序可根据测量信号与给定值的偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，从而输出某个适当的控制信号给执行机构（即变频器），提高或降低转速，促使测量值室温恢复到给定值，达到自动控制的效果。
恒温控制中必须要注意PID的正作用和反作用，也就是说在夏季（使用冷气）和冬季（使用暖气）是不一样的。
在使用冷气中，如果检测到的温度高于设定温度时，变频器就必须加快输出频率；而在使用暖气中，如果检测到温度高于设定温度时，变频器就必须降低输出频率。
因此，必须在控制系统增设夏季/冬季切换开关以保证控制的准确性。
图四变频风机的恒温控制3、变频风机的多段速变风量控制方式在大型的空调大楼中，由于所需要的空气量是随着楼内人数及昼夜大气温度的变化而不同，所以相应地对风量进行调节可以减少输入风扇的电能并调整主机的热负载。
人少时，如周末、星期日、节假日，空气需求量少。
所以考虑这些具体情况来改变吸气扇转速，控制进风量，可减少吸气扇电机的能耗，同时还可以减轻输入暖气时锅炉的热负载和输入冷气时制冷机的热负载。
下图所示为某大楼在不同的工作时段内（平时、周六、周日或节假日）的风量需求量，该风量必须根据二氧化碳浓度等环境标准来确定最少必需量。
由于通常在设计中都留有一定的余量，因此可以按高速时86%、中速时67%、低速时57%的进风量来进行多段速控制。
该控制方式是基于对风量需求进行经验估算的基础上进行的程序控制，在PF400进行控制时可以选择通过端子功能切换多段速来实现。
图五变频风机的多段速控制四、PF400在冷却塔风机控制中的应用在中央空调水冷式机组中，使用循环冷却水是最常用的方法之一。
为了使机组中加热了的水再降温冷却，重新循环使用，常使用冷却塔。
风机为机械通风冷却塔的关键部件，通常都采用户外立式冷却塔专用电机。
水在冷却塔滴下时，冷却风机使之与空气较充分的接触，将热量传递给周围空气，将水温降下来。
由于冷却塔的设备容量是根据在夏天最大热负载的条件下选定的，也就是考虑到最恶劣的条件，然而在实际设备运行中，由于季节、气候、工作负载的等效热负载等诸多因素都决定了机组设备经常是处于在较低热负载的情况下运行，所以机组的耗电常常是不必要的和浪费的。
因此，使用变频调速控制冷却风机的转速，在夜间或在气温较低的季节气候条件下，通过调节冷却风机的转速和冷却风机的开启台数，节能效果就非常显著。
冷却水系统能耗是空调系统总能耗的重要组成部分之一。
采用截止阀对冷却水流量进行调节将导致能量无谓的浪费，在部分负荷时固定冷却水流量以及不对冷却塔风机电机进行控制也将浪费大量电能。
如采用微机控制技术和变频调速技术对冷却水系统进行控制节能效果约为30%，具有显著的节能效益。
特别对于宾馆、饭店、商场等工作期较长的集中空调系统以及南方地区空调运行期长的其他建筑物空调系统，采用空调冷却水系统的节能运行系统的投资回收期一般在1—2年，具有非常显著的经济效益。
在典型的冷却塔风机控制系统中，变频器可以利用内置PID功能，可以组成以温度为控制对象的闭环控制。
图六所示为典型的冷却塔变频控制原理，冷却塔风机的作用是将出水温度降到一定的值，其降温的效果可以通过变频器的速度调整来进行。
被控量（出水温度）与设定值的差值经过变频器内置的PID控制器后，送出速度命令并控制PWM输出，最终调节冷却塔风机的转速。
图六冷却塔风机变频控制原理对冷却塔风机采用变频调速控制，还应注意以下几点：（1）由于冷却塔风机拖动部分的转动惯量GD2一般都较大，所以给定加减速时间要长一些，如30－50S。
（2）在实际运转中经常出现由于外界风力作用下，冷却风机会自转，此时如果起动变频器，电动机会进入再生状态，就会出现故障跳，对于变频器应该将启动方式设为转速跟踪再启动。
这样一来，变频器在启动前，通过检测电机的转速和方向，实施对旋转中电机的平滑无冲击启动。
（3）由于采用普通电机，因此应该设置最低运转频率，以保持电机合适的温升，一般为频率下限为20Hz。
（4）为防止冷却风机在较宽的运转频率范围内（一般20Hz～50Hz）出现特定转速下的机械共振现象，应该在试运转中分析这种情况，并采取修改参数的方法件系统的固有频率列为跳跃频率。
