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谈中央空调系统节能改造和运行【摘要】：中央空调的应用是十分广泛的，同时中央空调能耗在建筑能耗中所占的比重也是相当大的，且普遍存在能源浪费现象，因而空调的节能意义巨大。
本文介绍了中央空调系统的运行流程和节能优点, 重点介绍了中央空调系统的节能改造与运行管理，以供读者参考。
【关键字】：运行流程；节能改造；中央空调；优点中图分类号：tu831.3+5文献标识码： a 文章编号：引言中央空调能建立有效的局部气候调节体系，通过制冷体系建立相关建筑之间稳定的温度和湿度。
由于中央空调的功率较大，将消耗较多的电能，相关企业、单位中央空调将造成较大的运行费用开支[1]。
由于季节以及昼夜的调整变化，工作建筑或区域之间的负荷变化，传统的中央空调难以建立检测环境变化和自身的调整模式，中央空调系统在设计之时将具有相当大的富裕量，也就是水泵流量和扬程将大于中央空调系统的实际需要，从而中央空调系统长期处于超出实际需要的负荷运行，电机功率的设计长期处于富余状态，从而为中央空调系统的节能改造和设计带来了较大的空间。
一、中央空调系统的运行流程中央空调系统主要由制冷机、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、风机盘管系统、冷却水塔构成。
中央空调系统中的制冷机压缩制冷剂压缩成液态通过将制冷剂输送到蒸发器和冷冻水进行热交换，实现了冷冻水的制冷，而中央空调系统中的冷冻水泵将制冷机输出的冷冻水送至风机盘管中，再由风机吹送冷风实现对室内相关区域的降温。
制冷剂蒸发后在冷凝器中释放热量，同时冷凝器制冷剂与冷却水进行热交换，通过冷却循环水泵将冷却水输送至冷却水塔上，与外界进行热交换的冷却水通过冷却水塔风扇对有热量的冷却水喷淋冷却，实现热量与外界的交换[2]。
中央空调系统中的冷冻水循环系统。
中央空调中的冷冻水系统由冷冻水泵、冷冻水管道、全程处理器、风机盘管构成。
从制冷机输出的冷冻水进入分水器由冷冻水泵加压通过冷冻水管道输入到末端的风机盘管，冷冻水经各房间的风机盘管完成室内温度和冷冻水系统的热交换。
一、中央空调系统概述∙中央空调系统主要由冷冻机组、冷却水塔、房间风机盘管及循环水系统（包括冷却水和冷冻水系统）、新风机等组成。
∙在冷冻水循环系统中，冷冻水在冷机组中进行热交换，在冷冻泵的作用下，将温度降低了的冷冻水加压后送入末端设备，使房间的温度下降，然后流回冷冻机组，如此反复循环。
∙在冷却水循环系统中，冷却水吸收冷冻机组释放的热量，在冷却泵的作用下，将温度升高了的冷却水压入冷却塔，在冷却塔中与大气进行热交换，然后温度降低了的冷却水又流进冷冻机组，如此不断循环。
二、中央空调水系统的节能分析∙1、目前状况∙（1）目前国内仍有许多大型建筑中央空调水系统为定流量系统,水系统的能耗一般约占空调系统总能耗的15%~20%。
∙（2）现行定水量系统都是按设计工况进行设计的，它以最不利工况为设计标准，因此冷水机组和水泵容量往往过大。
但几乎所有空调系统，最大负荷出现的时间很少。
∙2、水泵变频调速节能原理∙中央空调系统中的冷冻水系统、冷却水系统是完成外部热交换的两个循环水系统。
以前，对水流量的控制是通过挡板和阀门来调节的，许多电能被白白浪费在此上面。
∙如果换成交流调速系统，可把这部分能量节省下来。
每台冷冻水泵、冷却水泵平均节能效果就很乐观。
∙故用交流变频技术控制水泵的运行，是目前中央空调水系统节能改造的有效途径。
三、中央空调节能改造实例∙1、大厦原中央空调系统概况∙某大厦中央空调为一次泵系统，该大厦冷冻水泵和冷却泵电机全年运行，冷冻水和冷却水温差约为2度，采用继电接触器控制。
∙●冷水机组：采用两台（一用一备），电机功率为300KW 。
∙●冷冻水泵：两台（一用一备），电机功率为55KW ，电机启动方式为自耦变频器降压启动。
∙●冷却水泵：两台（一用一备），电机功率为75KW，电机启动方式为自耦变频器降压启动。
∙●冷却塔风机：三座，每座风机台数为一台，风机功率为5.5KW,电机启动方式为直接启动。
∙系统存在的问题：∙（1）水流量过大使循环水系统的温差降低，恶化了主机的工作条件，引起主机热交换效率下降，造成额外的电能损失。
PLC、变频器在中央空调节能改造应用PLC、变频器在中央空调节能改造中的应用10-9-18已打印摘要：中央空调是现代建筑中耗能巨大的必备配套设备，本文从PLC、变频器技术入手，合理利用原有中央空调机电设备系统，尝试对中央空调进行节能改造，由此探究变频器技术和PLC在中央空调节能效果上的显著性和可行性。
关键词：变频器中央空调节能改造前言：中央空调在高层建筑中耗电量约占总耗电量的60%，且与决定水泵流量和压力的最大设计负载(负载率100%)相比，一年中负载率在50%以下的运行时间将近一半，水泵的全功率运行，同时又增加了管道能量损失，浪费了水泵运行的输送能量，造成了能量的极大浪费，也恶化了中央空调的运行环境和运行质量，亟待进行有效的节能改造。
PLC和变频调速技术的不断发展、,广泛利用，为改造中央空调供水控制系统，达到降低系统能耗,提高水泵运行效率和系统运行可靠性提供了条件，本文以实践中央空调改造为例进行分析，供同行参考。
1、节能改造的可行性分析原有中央空调设备配置：制冷量1400KW中央空调主机系统，水泵系统有：冷却水泵3台，电机容量：18.5KW；电机负荷率：90%；进出水温差：4~7℃;开机方式：二开一备；进出管并联形式；冷冻水泵3台，电机容量：22KW；电机负荷率：90%；进出水温差：4~7℃；开机方式：二开一备；进出管并联形式。
1.1中央空调系统冷冻、冷却流程工作原理：补给水箱冷却泵组冷却塔7℃12℃各风机盘管冷冻泵组37℃32℃蒸发器冷凝器中央空调机组图一中央空调系统流程示意图中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换以及热交换的过程其理想运行状态是：在冷冻水循环系统中,在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷冻主机，在蒸发器进行热交换，被吸热降温后（7℃）被送到终端盘管风机或空调风机，经表冷器吸收空调室内空气的热量升温后（12℃），再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环在冷却水循环系统中,在冷却泵的作用下冷却水流经冷冻机，在冷凝器吸热升温后（37℃）被送到冷却塔，经风扇散热后（32℃）再由冷却泵送到主机，形成循环。
深圳市碳战军团投资技术有限公司开平威尔逊酒店中央空调节能改造方案草稿完成日期：二〇一〇年六月十七日文档编号：开平威尔逊酒店中央空调节能改造方案1作者：卓毅目录第1章中央空调系统概况 (3)第2章威尔逊酒店中央空调原系统分析 (3)第3章中央空调系统节能改造的具体方案 (4)3.1中央空调系统的运行参数 (4)3.2空调水泵变频改造方案 (4)3.2.1控制原理..................................................................................................................................................43.2.2变频系统组成 (5)3.3空调冷却塔散热风机节能改造方案 (5)3.3.1控制原理..................................................................................................................................................53.3.2散热风机节能系统组成 (5)3.4改造清单................................................................................................................................................................63.4.1水泵部分改造清单 (6)3.4.2冷却塔散热风机部分改造清单.............................................................................................................. 6第4章变频系统投资回报估算 (6)4.1空调水泵部分 (6)4.1.1估算参数设定（以下数据来源于调查登记表） (6)4.1.2水泵部分节电分析 (7)4.2冷却塔散热风机部分 (7)4.2.1冷却塔散热风机部分节电分析.............................................................................................................. 7第5章合同能源管理、计费标准与节能效益分配方案 (8)5.1合同能源管理 (8)5.2计费标准................................................................................................................................................................95.2.1计费依据..................................................................................................................................................95.2.2计费标准..................................................................................................................................................95.3节能效益分配方案 (9)第1章中央空调系统概况空调系统随着社会生产力的发展以及人民生活水平的提高已经被广泛应用于工业及民用建筑中。
设计论文题目：利用PLC、变频器设计中央空调节能改造系统设计时间：~系别：电子电气工程系设计班级小组：电气083班（第一组）指导教师：设计学生：摘要作为现代使人生活舒适的家用电器，空调可以说与人们的生活紧密相关。
在现代社会中，它已像冰箱、电视一样，成为人类不可缺少的生活电器。
①经济节能：每个区间末端风机盘管可自行调节温度，区间无人时可关闭，系统根据实际负荷做自动化运行，开机计费，不开机不计费，有效节约能源和运行费用。
②环保：主机采用水源热泵型机组，电制冷，没有燃烧过程，避免了排污；整个系统为密闭式管路系统，可避免霉菌灰尘等杂质对系统的污染，使环境清新优美，特别适于高档别墅、高级公寓与写字楼的使用。
③节约空间：主机体积小巧，不设机房，无需占用设备层，减少公用设施和土建投资，室内末端暗藏在吊顶内，极易配合屋内装修。
④个性化：中央空调系统以区间为单元，满足用户不同区间需求，室内末端安装采用暗藏方式，不影响室内的审美观，不占据室内空间，适应用户的个性化需求。
⑤简化管理：于采用不同区间单独控制系统为用户所有，产权关系明确，可简化空调设施管理。
⑥提升档次：中央空调主机可以避免破坏楼体的整体外观，使用户充分享受高档综合环境的同时，提升产品质量及量贩档次。
⑦投资方便：可根据量贩发展情况，分期分批投资添置空调系统，同时量贩档次提升，因此资金周转快，有效地利用资金更进一步开发。
而可编程控制器PLC是根据顺序逻辑控制的需要发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它具有可靠性高，操作灵活，拓展型号等优点，不仅能满足设计系统的精度，还可以降低能耗，节约能源，减小运行费用。
再加上变频器的使用，把380V的交流变成直流再变成频率可调的交流电，实现电机的无级调速，比较省电，比直流调速维护方便。
本论文就是在己有的通用变频器的基础上，采用PLC对电机进行控制，通过合理的选择和设计，对中央空调系统进行变频调速，通过调速来改变耗能大小，提高了资源的利用率，达到理想的控制效果。
基于PLC和变频技术的中央空调控制系统改造设计摘要：中央空调是现代化建设建筑使用不可缺少的配套设施之一，目前它的使用在建筑用电中占比非常大，约占建筑总电能消耗的50%。
通常中央空调系统中冷冻主机的负荷是可以自动调节负载的，但冷冻泵、冷却泵却无法实现这个功能，因此该部件常出于过度负载运行状态，这很大程度上影响了其本身的寿命，也对整个中央空调的使用造成了影响，甚至浪费电力资源。
本文笔者将据目前存在的一些问题进行简单阐述，并在PLC和变频技术的基础上对中央空调控制系统改造设计提出建议。
关键词：PLC；变频技术；中央空调；控制系统；改造设计中央空调控制系统是中央空调的基本运行系统，深入了解把握中央空调的软硬件运作原理是进行改造的基础。
同时，随着PLC和变频技术的推广，鉴于中央空调系统的运行现状，基于节能减排的目的，笔者认为在中央空调控制系统改造设计上也可以进行尝试，逐渐通过采用变频调速实现中央空调控制系统的重新设计。
1.中央空调控制系统的设计原理1.1变频器的原理作为空调主要硬件组件的变频器，其主要功能是给不同电动机提供调压调频电源，实现内部电力的交换。
目前我们在中央空调中使用的变频器的主电路主要为两类：一是将电压源的直流变换为交流的变频器。
另一类是将直流变换为交流的变频器的电流型。
对中央空调控制系统进行调整设计，我们必须将两种类型较好区分，对于复杂部分，可以适当考虑两种方式的结合。
另外，选择合适的变频器也非常重要。
1.1.1西门子MM440变频器的性能西门子MM440是现代变频器的典型代表，它的参数设置非常广，能够对应用对象进行广泛配置；同时其拥有多个输出继电器，满足多方输出的需求。
加上其本身在模块设计上分配比较清晰，运行灵活，能够多方收集信息，并将状态信息和完整信息呈现，是比较先进的变频器，目前已经在逐渐广泛推广开来。
从实用性能来看，这种变频器是目前我们在设计上可以采用的一种比较好的硬件。
当然实际操作中，我们也需要考虑到成本以及使用寿命的问题。
随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域，在宾馆、酒店、写字楼、商场、住院部大楼、工业厂房的中央空调系统，其制冷压缩机组、冷媒循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量大多是按照建筑物最大制冷溴冷机、制热负荷或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。
在没有使用具备负载随动调节特性的控制系统中，无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，尽管有的系统采用了闸阀档板节流方式，但其能量的浪费仍是显而易见的。
近年来由于电价的不断上涨，造成中央空调系统运行费用急剧上升，致使它在整个大厦营运电费成本中占据越来越大的比例，因此，电能费用的控制显然已经成为经营管理者所关注的问题所在。
据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的60%以上，其中，中央空调溴冷机水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20~40%，故节约低负荷时主压缩机系统和水泵、风机系统的电能消耗，具有极其重要的经济意义。
所以，随着负荷变化而自动调节变化的变流量变频中央空调水泵、风机系统和自适应智能负荷调节的主压缩机系统应运而生，并逐渐显示其巨大的性能优越性和经济性，得到了广泛的推广与应用。
采用变频调速技术不仅能提高系统自动化控制水平，使中央空调系统达到更加理想的工作状态，而且，更重要的是能给用户带来良好的投资回报。
作者曾先后成功地完成了联合国工业发展组织全额投资的上海新亚制药厂中央空调机组冷却循环水系统、上海东方航空宾馆中央空调系统冷媒循环水和冷却循环水系统、上海市中医院住院部大楼中央空调系统冷却循环水和冷媒循环水系统等多项中央空调系统变频节能改造项目，并曾为众多用户进行中央空调系统节能改造做前期工况调研、可行性方案论证及系统规划设计。
在业已实施的项目中，各项目的节电率均高达30%以上，有的系统节电率高达60%。
下面就以具有典型结构特征的中央空调系统为例，来表述变频节能改造控制技术在中央空调系统中的节能指标预测方法与自动化控制过程实现方法，以期供用户在实施中央空调变频节能改造时作为对比参考。
2中央空调系统的工作原理与一般组成结构中央空调技术实际上是人工制冷技术的一种典型系统性应用，当前，人工制冷技术按其补偿过程的不同可主要分为蒸汽压缩式、吸收式、蒸汽喷射式、吸附式四种方法，其中，被广泛应用在中央空调系统的制冷方法主要有两种：（1）蒸汽压缩式制冷循环通过对制冷剂的压缩、冷凝、节流、蒸发、吸收等过程来利用制冷剂的液相与气相之间的相变所产生的热交换实现制冷目的，如上海合众-开利空调设备公司的19XL（HCFC22制冷剂）或19XR （HFC134a制冷剂）系列封闭型离心式冷水机组、约克国际北亚有限公司的YK/YT系列离心式或YS/YCWS系列螺杆式冷水机组；（2）吸收式制冷循环通过使用两种沸腾点差距较大的物质组成的二元溶液（也称工质对，其低沸腾点组份为制冷剂，高沸腾点组份为吸收剂），利用溶液在一定条件下能析出低沸点组份的蒸汽，而在另一条件下又能吸收低沸点组份的蒸汽这一特性由制冷机系统采用热能驱动，通过发生、冷凝、蒸发、吸收4个过程来完成制冷循环，如江苏双良空调设备有限公司的SLAA060AS/SLAA060AT溴化锂-水溶液吸收式制冷机组、重庆通用工业公司的KF140X—10氨-水溶液吸收式制冷机组。
目前，在中央空调系统中的制冷压缩机以溴冷机速度型的离心式压缩机和以容积型的螺杆式或活塞式压缩机的应用最为普遍。
，这些高温、高压气体在冷凝器中通过与冷却循环水进行热交换（冷却循环水带走介质排放的热量）变为高温、高压液体(一般为25～32℃)流向节流膨胀阀，再通过膨胀阀的节流、降压来实现高温、高压液体向低温、低压液体状态转变，由于压力突然降低，有一部分制冷剂瞬间蒸发为气体，即用膨胀阀的节流作用来实现类绝热膨胀过程，低温、低压液体在蒸发器中通过与冷冻循环水的充分热交换（吸收冷冻循环水的热量）后达到蒸发汽化目的，此时制冷剂又回到低温、低压气体状态为制冷剂的再循环过程做准备。
同时也应看到当压缩机抽取制冷剂气体的同时,也降低了蒸发器的压力,使蒸发器内其余的制冷剂在相当低的温度下大量蒸发汽化。
在图1b中，A-B-C-D分别表示了无温差传热的逆卡诺循环的绝热压缩、等温压缩、绝热膨胀、等温膨胀四个理想过程，而实际上制冷压缩循环是如图1c所示的具有温差传热现象的逆卡诺循环，图中的阴影部分表示与环境介质（如冷却水、冷冻水等）进行热交换时所存在的温差效应现象。
我们知道在三种热传递方式：传导、对流和辐射中，无论压缩机采用哪种形式的制冷循环技术，其所有冷热流体之间的热传递方式均主要是通过金属管壁与流体之间对流换热及壁的导热来完成传热过程的。
根据换热量计算方程：Q=KAθm(1)其中：Q为换热量（W），K为换热系数（W/m2.K），A为换热体面积（m2），θm为冷热流体间的相对流向密切相关的平均换热温差（℃）。
由公式（1）可知，对于特定的中央空调系统而言，其中的参数K和A是固定的，我们在不改变其物理结构状态和特征的情况下，可通过有效地控制冷热流体间的换热温差来达到获取最大换热量的目的，即按需求变化供应环境介质量，而不是过分地满足，这也就是我们对系统进行变频控制的基本可行性依据条件之一。
随着人工制冷技术和机械加工技术的发展，目前，制冷压缩机技术得到了充分发展，大多数制冷压缩机生产厂家均不同程度地对压缩机控制采用了负荷随动的功率输出调节技术，如：上海合众-开利公司的19XR系列离心式冷水机组所采用的线性浮阀节流装置，使制冷量与负荷变化动态匹配适合极低系统负荷下运行工况，避免了不必要的热气旁通带来的能效比下降现象；甚至有的厂家还采用了变频调速控制技术，如：约克国际北亚的YT/YK系列离心式冷水机组所配置的自适应容量控制变频驱动装置（VSD），使非额定工况下机组能效比高达0.2kW/USRt，年节能可达30%以上。
因此，本文将主要研究重点放在对中央空调系统的水系统与风系统的节能空间，以期进一步获得最大化的投入与产出比收益。
以蒸汽压缩式制冷循环机组为例，中央空调系统其组成结构一般主要由制冷主压缩机系统、冷媒（冷冻和冷热）循环水系统、冷却循环水系统、盘管风机系统、冷却塔风机系统等部分组成，其工艺流程组成结构图如图2所示。
其中，压缩机系统通常至少包括主压缩电机、蒸发器、冷凝器、节流阀四个基本部分和为提高运行的经济性、安全性而设立的油分离器、气液分离器、贮液器、中间冷却器和浮子调节阀等辅助设备装置。
由于从控制角度看新风系统与中央空调系统的其他部分具有相对独立性，因此在图2未表示出新风系统的工艺流程结构。
在图2中低温冷冻水被送到各楼层的盘管风机系统的盘管（冷或热交换器）中吸收盘管周围的空气热量，产生的低温空气由盘管风机吹送到各楼层冷/热送风母管中,溴冷机，再由各房间的风幕风机的调速实现各房间的控温目的。
冷却循环水系统将常温水通过溴冷机冷却水泵泵入冷凝器热交换盘管后，再将这已变热的冷却水送到冷却塔上，由冷却塔对其进行自然冷却或通过冷却塔风机对其进行喷淋逆流式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水变回常温，以便再循环使用。
在冬季需要制热时，中央空调系统仅需要通过冷热水泵（在夏季称为冷冻水泵）将常温水泵入蒸汽热交换器的盘管，通过与蒸汽的充分热交换后再将热水送到各楼层的风机盘管中，即可实现向用户提供供暖热风。
热水泵向各个房间供给的热水总流量是根据安装热水供水总管于回水总管上的温度差来决定的。
热交换器的PID温控器通过电动调节阀VA1来控制进入热交换器的蒸汽流量来实现对热交换器热水出水温度的恒定控制从而达到供热目的。
正确理解中央空调系统各个部分的作用与工艺流程结构，对于实现变频节能改造至关重要，从因果关系角度上看，冷媒循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统均是制冷压缩机系统的从动系统。
当制冷主压缩机系统的实际需求负荷发生变化时，对冷媒循环水、冷却循环水的需求量和盘管风机的鼓风量及冷却塔的冷却风量也发生相应的变化，正因如此，我们才有实现节能改造目标的可能和必要的依据条件，才能从真正意义上实现动态的“按需分配”控制目标的可能。
3中央空调系统的各部分节能调节原理中央空调系统按负载类型可将其分为两大类:(1)恒转矩负载如螺杆式或离心式制冷主压缩机系统的压缩机负载，它不仅对轴输出转矩具有最小值限定的需求，而且其转速与功率的关系也近似表现为线形特征；(2)变转矩负载如冷却循环水系统、冷媒循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的风机、水泵类负载，它们对轴转矩没有严格的需求，其轴功率与转速具有显著的立方关系特征。
不同的负载类型具有不同的转矩、功率关系特性，应区别对待加以应用技术研究。
3.1制冷压缩机的节能调节原理压缩机本身是一套复杂的机电一体化系统设备，对于带导叶片组的定速运转状态下的离心式压缩机而言，其容量的调节是通过导叶执行电机带动导叶片组的角度变化来实现制冷剂流量变化而带来的制冷能力的变化，从而达到调节制冷量的目的，当导叶片组处于关闭变化时，压缩机吸入的制冷剂的量在减少，压缩机处于卸载过程状态，相反，当导叶片组处于开启过程变化时，则压缩机处于加载过程状态。
导叶控制装置不断驱动导叶组电机调节导叶片组的开度变化，直到压缩机的制冷量促使冷冻水的实际温度约等于设定温度。
对于离心式这种速度型机组，通常采用限定导叶片组的开度变化范围与降低压缩机的转速相结合的方法，通过对当前运行工作点的自动测定，来选择容量调节模式，实现在低负荷状态下的最佳运行效率控制，该容量调节模式的选择利用不仅可以实现电能节约，而且也可以在全容量调节范围（15%～100%）内精确地预测出喘振区，避免离心式机组常见故障—喘振现象的发生。
喘振曲线函数的获得一般由机组厂家提供，也可以通过对机组在不同负载点的压头试验取得一组离散坐标点，利用最小二乘法算法进行数据拟合，便可以近似求出该机组的喘振曲线函数。
需要指出的是通常转速调节对离心式制冷机功率节约的贡献一般小于10%，这也是在当前条件下变频调速技术在制冷压缩机上未能得以广泛应用的主要原因。
而对于螺杆式压缩机其轴功率与排气量存在以下关系：Ptot→60×（m1×n1×V1+m2×n2×V2）×CΦ(2)其中，V1、V2为阳螺杆与阴螺杆之间一个齿槽的齿间容积；m1、m2为阳螺杆与阴螺杆之间的齿数；n1、n2为阳螺杆与阴螺杆之间的转速；CΦ为扭角系数。
转子扭转角对吸气容积的影响程度，由公式（2）可见螺杆压缩机的功率调节可以通过减少螺杆的有效长度—常用滑阀调节方式和降低螺杆的转速—常用变频调节方式来实现。
