中央空调节能控制设计.docx

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中央空调节能控制设计

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#冷却泵运行信号

X4:

1#冷冻泵报警信号

X5:

1#冷冻泵运行信号

X6:

2#冷冻泵报警信号

X7:

2#冷冻泵运行信号

X10:

冷却泵报警复位

X11:

冷冻泵报警复位

X12：

冷却泵手/自动调速切换

X13：

冷冻泵手/自动调速切换

X14：

冷却泵手动频率上升

X15：

冷却泵手动频率下降

X16：

冷冻泵手动频率上升

X17：

冷冻泵手动频率下降

X20:

1#冷却泵启动信号   

X21:

1#冷却泵停止信号

X22:

2#冷却泵启动信号   

X23:

2#冷却泵停止信号

X24:

1#冷冻泵启动信号   

X25:

1#冷冻泵停止信号

X26:

2#冷冻泵启动信号   

X27:

2#冷冻泵停止信号

Y2:

冷却泵自动调速信号

Y3:

冷冻泵自动调速信号

Y4:

1#冷却泵报警信号

Y5:

2#冷却泵报警信号

Y6:

1#冷冻泵报警信号

Y7:

2#冷冻泵报警信号

Y10:

1#冷却泵启动

Y11:

1＃冷却泵变频器报警复位

Y12:

2#冷却泵启动   

Y13:

2＃冷却泵变频器报警复位

Y14:

1#冷冻泵启动

Y15:

1＃冷冻泵变频器报警复位

Y16:

2#冷冻泵启动   

Y17:

2＃冷冻泵变频器报警复位

5.5PLC与变频器接线图

6.中央空调末端节能改造介绍

6.1原中央空调末端简介

中央空调原末端采用比例阀进行机械式调温，调节冷冻水入水口阀门的开度，即控制进入热交换器中冷冻水的流量，风机推动热交换热源一方（即空气），在热交换器中进行热交换，从而达到调节冷风温度的目的，其调节对象为冷源介质。

其过程如下：

风机盘管出风口处安装一个温度传感器，采样冷风的实际温度，并将该信号送给比例阀控制器，比例阀根据实际检测的温度与设定的温度进行比较，自动调节调节热交换器进水口阀门的开度。

实际温度比设定温度高则增加阀门开度，实际温度比设定温度低则减少阀门开度，以达到调温的目的。

实际上有些末端并不采用自动调节，而是采用人工调节。

感觉冷风不够则增加阀门开度，而且往往不是采用比例调节，而是以档位方式进行调节。

6.2中央空调末端分析

首先，中央空调末端由比例阀控制器调节热交换器进水口阀门开度的过程中，是以增加进水的阻力来减少流体（冷冻水）在热交换器中的流动速度，这样就以浪费一大部分冷冻水的动能来达到调温，然而浪费的这一部分动能恰恰是中央空调的冷冻泵所给予，冷冻泵电机是要消耗电能，也就是采用比例阀调温浪费了一部分的电能。

其次，盘管风机是以电机来驱动的，然而电机长期是以满速运行（即以工频运行），这样风机的机械转动部分易产生磨损，机械磨损之后增加了风机电机的负载，甚至引起电机故障，减少了电机的使用寿命。

最后，有些中央空调末端采用的是开环档位控制，凭感觉调温。

感觉温度过高则增加阀门开度，感觉温度过低则减少阀门开度，该调节方式是人工调节而不是自动恒温调节。

另外比例阀性能不稳定也造成调温效果不理想。

6.3中央空调末端改造

我们现主要针对以上几个问题对中央空调末端进行如下改造：

将原有的中央空调末端采用比例阀进行机械式调温改造为变频器进行电气调温。

将进水阀门的开度固定，动态调节风机转速，来达到恒温调节目的，调节的对象为热源。

其过程如下：

风机盘管出风口处安装一个温度传感器，采样冷风的实际温度，该信号经温度变送器转换为标准的电流信号，送给变频器，变频器将实际检测的温度与上位机给定的温度进行PI运算，运算结果给出控制信号，自动控制风机转速。

实际温度比设定温度高则增加风机转速，实际温度比设定温度低则减少风机转速，以达到调温的目的。

　　中央空调末端经过改造之后，中央空调末端不是通过调节热交换器进水口阀门开度来调温而是通过电子方式来调温，这样节省了一大部分的电能，而且风机电机不是以满速运行，盘管风机电机是根据室内的负荷变化有效地调节风机电机的转速，来调节风量达到调温目的，这样既节省了电能，又大大地减少风机的机械转动部分磨损，增加了电机的使用寿命；同时还消除了各个热交换器进水口阀门之间的影响。

还有在改造之后，风机电机采用交流变频调速技术后，实现了零电流、零电压的软启动，消除了电机启动时对电网的冲击，而且还大大地降低电机运行时的噪音。

7.做好设备及管道的保温

做好设备及管道的保温，以减少能量的过多耗费空调设备和管道的保温，对于节省能量消耗、降低运行费用也是相当重要的。

如果保温效果不好或在维修后保温层修复不好，不但过多地消耗了冷量，也会由于所供冷水温度的过大温升致空调系统在对空气的处理过程中因无法保证其机器露点而使空调房间相对湿度超标。

8.定期对空调系统水质处理

水侧污垢、腐蚀及青苔对制冷系统影响极大，也是空调能耗高的重要原因太气中的尘埃、水分、细菌氧气及某些有害酸性气体不断地由冷却塔进^冷却水系统中，冷冻系统虽贝较为密闭，但水中溶解氧对冷冻管材也产生腐蚀作用，日积月累，空调设备将产生污垢、锈蚀、锈渣和微生物断繁殖所产生的生物污泥，使管道堵塞、制冷量下降、浪费电能。

根据理论计算，冷疑器的污垢每增加0.1mm，热交换效率就降低30％，耗电量则增加5～8％。

9.集中空调实行计量收费

集中空调实行计量收费是建筑节能的一项基本措施.目肖在欧美已是-f}成熟的技术。

据国外调查资料表明：

实行集中空调计量收费后，其节能率可达8％～15％。

10.操作培训

加强对空调操作人员工的培训，提高管理人员素质，实行空调操作人员操作证制度。

各项调节和节能措施的实施，都与操作人员的技术素质直接相关。

11中央空调节能控制后效果比较

11.1节能控制效果及投资回报

进行技术改造后，系统的实际节电率与负荷状态、天气温度变化等因素有一定关系。

根据系统改造后的运行记录，共节约用电约22.2万度，电价按0.5元/KWH计算,每年可节约5万元，平均节能在30.85%。

经济效益十分显著。

这次设备改造总投资2万元，改造后投入运行不用一年即已收回成本，以后每年可为公司节约用电约5万元。

11.2对系统的正面影响

由于冷冻泵、冷却泵采用了变频器软启停，消除了原来Y-Δ启动大电流对电网的冲击，用电环境得到了改善；消除了Y-Δ启停水泵产生的水锤现象对管道、阀门、压力表等的损害;消除了原来直接启停水泵造成的机械冲击，电机及水泵的轴承、轴封等机械磨擦大大减少，机械部件的使用寿命得到延长；由于水泵大多数时间运行在额定转速以下，电机的噪声、温升及震动都大大减少，电气故障也比原来降低，电机使用寿命也相应延长。

结论

经过近三个月的努力完成了论文的撰写通过对中央空调的节能改造使节能达到了50%的节能目标。

合理的设计方案、精心的施工和科学的运行管理对空调节能都是至关重要的。

业主宜在建设初期就进行管理人员的选择和培训.必要时可以聘请专家加强建设过程各个环节甚至全过程（从设计方案的确定到系统的运行）的监督管理，确保建成的中央空调系统起码能够正常运行，进而追求实现一定程度的节能，在此基础上再实现运行的全面优化，以便达到最大限度的节能效果。

致谢

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。

。

中央空调系统设计首先是气象参数和室内空调设计参数计算冷负荷，按分区结构特点，根据产品样本选择相应的设备，组合成一个系统。

但空调系统绝大部分时间是在部分负荷的情况下工作。

在部分负荷工作的控制方式不合理，系统能效比会大大降低。

本文从工程“寿命周期”的观点，论述了中央空调节能的意义，并从工程现状、工程设计、工程施工和运行管理等方面提出了一些节能措施和方法。

因本人经验和水平有限，文中难免有错误及不妥之处，恳请各位专家、教授及同行批评指正。

本课题即将完成之际，我想对所有曾经给过我帮助和支持的人们表示衷心的感谢。

首先要感谢的是xxx老师，本课题是在xxx老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，从论文的选题、写作提纲、框架的设计、结构的布局，从内容到格式，从标题到标点，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我，没有xxx老师的辛勤栽培、孜孜教诲，就没有我论文的顺利完成。

同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位同学和朋友，在同学和朋友的帮助和支持下，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

愿把我的幸福和快乐都送给关心和支持过我的人，也愿他们一切如意。

参考文献

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