基于变频技术的中央空调冷却水循环系统改造设计

摘要：基于变频技术，对中央空调的冷却水循环系统实施改造。分析了中央空调系统的运行中出现的高能耗问题，阐述了水泵的变频节能控制原理，继而给出了PID调节的温差闭环控制设计方案，最后设计了变频器和PLC的控制电路。本研究为设计或使用部门对中央空调的改造提供一定借鉴。
关键词：中央空调；变频技术；冷却水循环系统；改造；设计

随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，中央空调越来越广泛地应用在的民用和公共建筑中。中央空调为人们创造舒适环境的同时，其耗电量却不能被忽视。据统计，中央空调的耗电量占各类大型建筑总用电量的60％以上，其中仅水泵电机的耗电量约占到空调系统耗电量的20％～40％。而在传统的设计中，中央空调的各电机都长期工频恒速运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不能随用户负荷动态调节，而在90％的时间都是低负荷运行，这样就造成很大的能源浪费。空调能耗不仅给城市能源、环境保护带来巨大压力，而且也给建筑的经营者带来沉重的经济负担。在低碳生活的呼声越来越高的情形下，中央空调的巨大的耗水耗电量的现状必须得到改变，因此采用变频调速技术节约低负荷时主机系统和水泵、风机系统的电能消耗，具有极其重要的经济和社会意义。

1 中央空调系统的结构与冷却水循环系统
如图1所示，中央空调一般由冷冻水循环系统、冷却水循环系统及主机3部分组成。冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道、冷却水塔和冷凝器等组成。冷冻水循环系统进行热交换时，冷冻主机产生大量热量，该热量通过主机内的制冷剂传递给冷却水，使冷却水温度升高。冷却泵将升温后的冷却水(出水)压入冷却水塔，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式强迫风冷，使之与空气进行热交换，待温度降低后(回水)再送回冷冻主机的冷凝器。

2 水泵的变频节能控制原理
水泵运行时，通常采用阀门调节来满足工艺对流量的变化要求，即所谓节流调节。在节流调节过程中，水泵的固有机械特性不变，仅仅靠调节阀门的开度，人为地增加管路的阻力来减小流量，因此增大了管路系统的损失。

图2为阀门调节和变频调速控的3种不同的工况下运行时的能量变化曲线。曲线(1)(2)分别为水泵在额定转速n1和转速n2运行时的特性曲线，曲线(3)(4)为水泵管路阀门全开和部分开时的管阻特性曲线。当不变速也不调节流量，工况点是曲线(1)、(3)的交点A点，此时水泵所需的功率正比AQ1OH1所围成的面积。水泵全速运行用阀门控制时，即节流调节。当流量要求从Q1减小到Q2，必须关小阀门。这时阀门的磨擦阻力变大，管阻特性曲线从(3)移到(4)，扬程则从H1上升到H2，运行工况点从A点移到B点。这时水泵所需的功率正比于BQ2OH2所围成的面积。当水泵采用变频调速控制方式运行时，要求流量从Q1减小到Q2，由于管阻特性曲线(3)不变，泵的特性取决于转速，则速度从n1降到n2，扬程从H1下降到H3，运行工况点则从A点移到C点。这时水泵所需的功率正比于CQ2OH3所围成的面积。
由图2可见，四边形CQ2OH3的面积总是小于四边形BQ2OH2的面积，功率的减少是非常明显的，阀门控制流量时，有BH2H3C的功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。而用转速控制时，由于电动机的所需功率按转速的三次方下降。那么在运转同样流量的情况下，原来消耗在阀门的功率就可以全避免，取得良好的节能效果，这就是水泵变频调速节能的基本原理。
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3 变频调速改造设计
某建筑中央空调系统，其冷却泵的拖动电机为30 kW，二备一用，冷却塔为7．5 kW，一台运行一台备用，冷却泵电机采用Y／△启动方式，全年恒速运行。下面以该空调系统为例，对其冷却水循环系统进行变频节能改造设计。
3．1 改造方案
系统配置变频器1台，依次对冷却泵的3台电动机进行变频控制。保留由市电供电，Y／△启动的常规控制方式，安装工频／变频切换装置，防止变频器发生故障时，系统能自动切换到市电进行工频运行。系统选用一台PLC对水泵电机变频器等进行控制协调。
变频器实现1拖3运行控制。当1号泵工作频率上升，当已经达到额定频率而水量仍不满足时，PLC控制变频器调入2号水泵投入变频运行，如果还不满足则2号水泵切换为工频运行，接入3号泵投入变频运行。反之，当用水量减少时，则3号泵降频运行或者退出工作，然后2号泵依次降频运行工作，完成一次减泵的循环。
中央空调系统的外部热交换由两个循环水系统来完成。循环水系统的回水与进(出)水温度之差，反映了需要进行热交换的热量，因此根据回水与进(出)水温度之差来控制循环水的流动速度，可以控制系统热交换的速度。冷却泵的变频控制常以出水回水间的温差作为控制依据，实现恒温差控制。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及流量；温差小，说明冷冻机组产生热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度及流量，从而达到节能目的。

如图1所示，可以在冷却水出水回水管道靠近冷凝器出水及回水处安装温度传感器，实时检测管网的温度并反馈送入变频器内的PID调节器，控制变频器改变输出频率。如图3所示为PID调节温度的闭环控制系统示意图。一般冷却水出水温度保持在37℃，冷却水回水温度保持在32～28℃，出水回水的温差设定为5～7℃。当冷却水出水回水温差高于温差上限设定值7℃时，频率直接优先上调至上限频率。当冷却水出水回水温差低于温差下限设定值5℃时，频率直接优先下调至下限频率。当冷却水出水回水温差介于温差下限设定值与温差上限设定值时，通过对冷却水出水温度及温度上、下限设定值进行PID计算，从而达到对频率进行无级调速，通过调节循环水的热交换速度，最终实现恒温差控制。
3．2 电路设计
变频器选择FR-A540L-90K，其变频器1控3的电路如图4所示。KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。

PLC选用FXos-30MR-D型。PLC对冷却水泵电机的控制接线如图5所示。Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行。X0接起动按钮，X1接停止按钮，X2接变频器的FU接口，X3接变频器的0L接口，X4接M1的热继电器，X5接M2的热继电器，X6接M3的热继电器。为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。在同时控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。频率检测的上／下限信号分别通过0L和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。

4 变频调速后的节能分析
对于水泵类负载：其电机转速n、流量Q、扬程H及轴功率P的关系如下：
Q1／Q2=n1／n2，H1／H2=(n1／n2)2，P1／P2=(n1／n2)3 (1)
式中：n1，n2——电机转速；Q1，Q2——流量；H1，H2——扬程；P1，P2——轴功率。即流量、扬程、轴功率正比于转速的一次方、平方、立方。根据上面的公式分析，如果能根据负载情况实时改变电机的转速即可达到节能的目的。例如：当转速降派到80％时，流量减少到80％，而轴功率却下降到额定功率的(80％)3=51．2％，即节电48．8％，从而大大节约电能。显然当通过降低转速以减少流量来达到节流目的时，所消耗的功率将降低很多。

5 结束语
文中基于变频控制原理，对中央空调冷却水循环系统实施改造，克服了原传统控制方案的不足，使整个中央空调系统处于最佳运行状态，改造后的调速控制电路性能好、调速范围大、调速精度高、运行安全可靠、电动机实现软启动、操作简便、节能效果明显，还大大降低对空调设备和电网的冲击，延长了中央空调系统的使用寿命，具有良好的经济效益，值得进一步的研究和推广。本文的研究为设计或使用部门对中央空调的改造提供借鉴。