中央空调节能控制设计.doc

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绪论

1.1前言

各类建筑物中，大量采用先进设备和相应配套设备而成的中央空调系统已成为现代化建筑技术的重要标志之一，是现代建筑创造舒适高效的工作和生活环境所不可缺少的重要基础设施。

对这些设备的设计、安装和运行管理不仅直接关系到业主和用户的根本利益，而且也关系到对部环境的保护。

1.2改进中央空调节能控制的重要性

随着我国经济建设的发展，中央空调更加普度，对中央空调能耗问题的研究就日益重要。

在智能建筑中，集中空调系统的监控点数量常常占全楼监控点总数的50％以上，其能耗常常占全楼总能耗量的5o％以上。

由此可见，中央空调系统在现代建筑中是极其重要性

1.3改进中央空调节能控制的目标

对空调系统能耗的研究要实现的目标是，如何在创造良好室内小环境的前提下利用能源，达到对外部大环境的最小破坏.以实现可持续发展的长远目标。

该研究是一个非常广泛的课题.涉及许多学科。

本文从工程“寿命周期（circlelife）”的观点，从工程现状、工程设计，工程施工和运行管理等方面探讨了中央空调系统节能的措施和方法。

2中央空调系统简介

2．1中央空调的组成：

1．蒸发器

2．冷凝器

3．风机盘管

4．膨胀水箱

5．冷却水塔

如图1所示

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：

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，再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环。

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被送到冷却塔，经风扇散热后再由冷却泵送到主机，形成循环。

在这个过程里，冷冻水、冷却水作为能量传递的载体，在冷冻泵、冷却泵得作用下不停地循环在各自的管道系统里，不断地将室内的热量经冷冻机由冷却塔排出。

（如图1.1所示）

在中央空调系统设计中，冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加10%—20%余量作为设计安全系数。

据统计，在传统的中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的12%—24%，而在冷冻主机低负荷运行时，冷却水、冷冻水循环用电就达30%—40%。

因此，实施对冷冻水和冷却水循环系统的能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制的重要组成部分。

图1.1中央空调系统结构图

3.建立系统节能观念.选择合理的设计方案

实现空调节能的根本途径，就在于巧妙地利用室内外条件、维护结构及空调设备的相互作用关系，选择满足建筑节能要求的方案，既电造出舒适、高效的室内环境，而同时又实现大幅度节能的目的。

3.1空调室内温度的确定。

经重庆、上海、广州等地区的实践证明，夏季室内温度低1℃或冬季高1℃，工程投资将增加6％能耗增加8％，并且加大室内外温差也不符台卫生学要求。

舒适性空调夏季比较理想的室内温度是比室外环境温度低5—8℃为好。

3.2围护结构。

空调冷（热）负荷可分为围护结构冷（热）负荷和室内冷（热）负荷。

下面从门窗的节能方面.进行阐述。

控制窗墙比：

通过外窗的耗热量占建筑物总耗热量的35％～45％，在保证室内采光良好的前提下，合理确定窗墙比十分重要。

一般规定各朝向的窗墙比不得大于下列数字：

北向25％；东、西向30％；南向％。

提高门窗气密性：

房间换气次数由0.9次／h降到0.6次／h，建筑物的能耗可降低8％左右，因此设计中应采用密闭性良好的门窗，而加设密封条是提高门窗气密性的重要手段，密封条应采用弹性良好、镶接牢固严密、经久耐用的产品，根据门窗的具体情况，分别采用不同的密封条，如橡胶条、塑料条或橡塑结合的密封条其形状可为条形或冲形。

固定方法可用粘贴、挤紧或钉结。

3.3空调冷热源

中央空调能耗一般包括三部分。

（1）空调冷热源；

（2）空调机组末端设备；

（3）水或空气输送系统。

这三部分能耗中，玲热源能耗约占总能耗的50％左右.是空调节能的重要内容。

如果均把各自消耗的能量折算成一次能源，则备类机组均可用单位时间内一次能源消耗能量所制取的玲量或热量进行比较。

本文使用“一次能源效率OEER（W／W）来表示.从单位能耗角度考虑.夏季制冷：

离心式、螺杆式冷水机组O旺R值最高.吸收式冷水机组OEER最小；冬季供热：

螺杆式、活塞式热泵冷热水机组OEER最高电热水机组最低.即能耗最高。

3.4空调水系统。

一般空调水系统的输配用电，在冬季供暖期问约占整个建筑动力用电的2o％～25％，夏季供冷期间占12％～24％.因此水系统节能具有重要意义目前，空调水系统在设计上存在着一些问题：

（1）选择水泵是按设计值查找水泵样本铭牌参数确定，而不是按水泵的特性曲线选定水泵型号；

（2）未对每个水环路进行水力平衡计算，对压差相差悬殊的回路也未采取有效措施，因此水力、热力失调现象严重；

（3）大流量、小温差现象普遍存在，设计中供、回水温差一般取5cC，但经实测，夏季冷冻水回水温差较好的为35，较差的只有1.5～2℃，造成实际水流比设计水量大1.5倍以上，使水泵电耗大大增加。

因此，空调水系统节能应从如下方面着手考虑：

（3.1）设计人员应重视水系统设计，认真进行水系统各环路的计算，并采取相应措施保证各环路水力平衡；

（3.2）认真校对和计算空调水系统相关系数，切实落实节能设计标准的要求值，积极推广变频诃速水泵，冬、夏两用双速水泵等节能措施；（3）制冷系统冷却水进水温度的高{氐对主机耗电量有着重要影响，一般推算，在水量一定情况下，进水温度高1℃，溴化锂冷水机组能耗高6％。

4.中央空调水泵系统变频改造模型介绍

4.1泵的特性分析与节能原理

泵类的特性和参数

　　纯粹用于抽水的功率叫有效功率

　　有效功率=（1000qh）/（75×60/0.736）=qh/6.11（kw）

　　式中，q为流量（m3/min）；h为总扬程（m）。

　　设在扬程内1m3的水的重量为1000kg，因此：

　　泵的轴功率=（有效功率）/泵的效率（kw）

　　电动机输出功率=（1.05～1.2）×轴功率（kw）

泵是一种平方转矩负载，其转速n与流量Q,扬程H及泵的轴功率N的关系如下式所示：

Q1=Q2（n1/n2）H1=H2（n12/n22） N1=N2（n13/n23）    （2.1）

上式表明，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比,泵的轴功率与其转速的立方成正比。

当电动机驱动泵时，电动机的轴功率P（kw）可按下式计算:

         P=ρQH/ηcηF×10-2            （2.2）

式中：

P：

电动机的轴功率（KW）

       Q：

流量（m3/s）

       ρ：

液体的密度（Kg/m-2）

      ηc:

传动装置效率

      ηF：

泵的效率

      H：

全扬程（m）

 调节流量的方法：

图2.1

如图2.1所示，曲线1是阀门全部打开时，供水系统的阻力特性；曲线2是额定转速时，泵的扬程特性。

这时供水系统的工作点为A点：

流量QA，扬程HA；由（2.2）式可知电动机轴功率与面积OQAAHA成正比。

今欲将流量减少为QB，主要的调节方法有两种：

（1）转速不变，将阀门关小 这时阻力特性如曲线3所示，工作点移至B点：

流量QB，扬程HB，电动机的轴功率与面积OQBBHB成正比。

（2）阀门开度不变，降低转速,这时扬程特性曲线如曲线4所示，工作点移至C点：

流量仍为QB，但扬程为HC，电动机的轴功率与面积OQBCHC成正比。

对比以上两种方法，可以十分明显地看出，采用调节转速的方法调节流量，电动机所用的功率将大为减小，是一种能够显著节约能源的方法。

 根据异步电动机原理

        n=60f（1-s）/p            （2.3）

式中：

n:

转速    f:

频率   p:

电机磁极对数     s:

转差率

由（2.3）式可见，调节转速有3种方法，改变频率、改变电机磁极对数、改变转差率。

在以上调速方法中，变频调速性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。

因此改变频率而改变转速的方法最方便有效。

根据以上分析,结合公司中央空调的运行特征，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等组成温差闭环自动控制，对中央空调水循环系统进行节能改造是切实可行，较完善的高效节能方案。

因为中央空调系统是由主机、冷冻水、冷却水等若干个子系统组成的一个较为复杂的系统，所以对每个子系统进行改造时，都要考虑器对整个系统的影响。

因此我们在中央空调系统变频改造时采用了神经元网络和模糊控制的方法，保证整个系统的最优化运行。

4.2冷却水系统（包括一次及二次系统）

冷却水的进出口温度差为5℃时，空调主机的热交换率最高，同时为了保证正常供水，还要保证冷却水的压力和流量。

因此将进口温度、出口温度、管网压力、管网流量等信号输入控制柜的中央控制器中，由中央控制器根据当前的具体数据计算出所需流量值，确定冷却水泵投入的台数及工作频率，保证能耗最低且系统最优工作方式。

4.3冷冻水系统：

为了使空调主机效率最高，应保证冷冻水进出主机温度差为5℃，同时为了保证供水需求，必须保证冷冻水的压力和流量，而且必须保证冷冻水的温度不能过低，避免主机结冰。

因此将进口温度、出口温度、管网压力、管网流量等信号输入控制柜的中央控制器中，由中央控制器根据当前的具体数据计算出所需流量值，确定冷冻水泵投入的台数及工作频率，保证能耗最低且系统最优工作方式

5.冷冻泵进行变频改造

控制原理说明如下：

PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读入控制器内存，并计算出温差值；然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的转速，调节出水的流量，控制热交换的速度；温差大，说明室内温度高系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度和流量，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，系统负荷小，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流量，减缓热交换的速度以节约电能。

5.1冷却泵进行变频改造

由于冷冻机组运行时，其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温，再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。

冷却水进水出水温差大，说明冷冻机负荷大，需冷却水带走的热量大，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的循环量；温差小，则说明，冷冻机负荷小，需带走的热量小，可降低冷却泵的转速，减小冷却水的循环量，以节约电能。

5.2变频节能系统示意图

图5.1

5.3三菱FR-F540-37K-CH变频器主要参数的设定

Pr.160  :

 0       允许所有参数的读/写

Pr.1    :

 50.00   变频器的上限频率为50Hz

Pr.2    :

 30.00   变频器的下限频率为30Hz

Pr.7    :

 30.0    变频器的加速时间为30S

Pr.8    :

 30.0    变频器的减速时间为30S

Pr.9    :

 65.00   变频器的电子热保护为65A

Pr.52   :

 14      变频器DU面板的第三监视功能为变频器的输出功率

Pr.60   :

 4       智能模式选择为节能模块

Pr.73   :

 0       设定端子2－5间的频率设定为电压信号0～10V

Pr.79   :

 2       变频器的操作模式为外部运行

5.4三菱PLC控制器FX2N-64MR与三菱FR-F540-37K-CH变频器的接线以及I/O分配

X0:

1#冷却泵报警信号

X1:

1#冷却泵运行信号

X2:

2#冷却泵报警信号

X3:

2#冷却泵运行