中央空调技术方案

中央空调节能技术方案

目录

一、项目背景

1.概述

中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，几乎长期在100%负载下运行，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。

由于中央空调系统设计时必须按天气最热、负荷最大时设计，且留有10%-20%左右的设计余量。其中冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应的调节。这样，冷冻水、冷却水系统几乎长期在大流量、小温差的状态下运行，造成了能量的极大浪费。空载占空比在，能源浪废严重。并且冷冻泵轴输送的冷量不能跟随系统实际负荷的变化，其热力工况的平衡只能由人工调整冷冻主机出水温度，以及大流量小温差来掩盖。这样，不仅浪费能量，也恶化了系统的运行环境、运行质量。特别是在环境温度偏低、某些末端设备温控稍有失灵或灵敏度不高时，将会导致大面积空调室温偏冷，感觉不适，严重干扰中央空调系统的运行质量。

原系统的运行及存在问题:

①冷冻、冷却水泵采用的均是Y—△起动方式，电机的起动电流均为其额定

电流的3—4倍，在如此大的电流冲击下，接触器的使用寿命大大下降；

②启动时的机械冲击和停泵时的水锤现象，容易对机械器件、轴承、阀门和

管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备件费用。

2. 初步结论：

随着变频技术的日益成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量；采用变频调速技术不仅能使室温维持在所期望的状态，让人感到舒适满意，可使整个系统工作状态平缓稳定，更重要的是其节能效果高达30%以上，能带来很好的经济效益。根据现场运行情况，结合负载参数分析有较大的节能空间。

二、中央空调系统简介

1.中央空调机组系统图

中央空调主要由冷水机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、风机盘管系统和散热水塔组成。其工作原理如图

中央空调系统结构图

系统原理

(1)冷冻水循环系统：该部分由冷冻泵、室内风机及冷冻水管道等组

成。从主机蒸发器流出的低温冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道（出

水），进入室内进行热交换，带走房间内的热量，最后回到主机蒸发器（回

水）。室内风机用于将空气吹过冷冻水管道，降低空气温度，加速室内热

交换。

(2)冷却水循环部分：该部分由冷却泵、冷却水管道、冷却水塔及冷

凝器等组成。冷冻水循环系统进行室内热交换的同时，必将带走室内大

量的热能。该热能通过主机内的冷媒传递给冷却水，使冷却水温度升高。

冷却泵将升温后的冷却水压入冷却水塔（出水），使之与大气进行热交换，降低温度后再送回主机冷凝器（回水）。

(3)主机：该部分由压缩机、蒸发器、冷凝器及冷媒（制冷剂）等组

成，其工作循环过程如下：首先低压气态冷媒被压缩机加压进入冷凝器

并逐渐冷凝成高压液体。在冷凝过程中冷媒会释放出大量热能，这部分热能被冷凝器中的冷却水吸收并送到室外的冷却塔上，最终释放到大气中去。随后冷凝器中的高压液态冷媒在流经蒸发器前的节流降压装置时，因为压力的突变而气化，形成气液混合物进入蒸发器。冷媒在蒸发器中不断气化，同时会吸收冷冻水中的热量使其达到较低温度。最后，蒸发器中气化后的冷媒又变成了低压气体，重新进入了压缩机，如此循环往复。

2．节能改造方案

目前主要的节能控制思想主要有以下几种：

1、水泵变频节电，直接在水泵电机前加装变频器通过人工调整频率，去除水泵余量而节能。

2、PID变频控制利用压差或温差作为控制参量，采用PID（比例、积分、微分）算法控制变频器工作频率，使水泵流量跟随负荷变化，从而达到水泵节能的目标。

水泵变频节电方案，每次需人为进行调节来实现节点目的，较为繁琐，一般摒弃。本文主要讨论PID变频调速方案。

PID变频控制

中央空调各循环水系统的回水与出水的温差，反映了整个系统所需要进行的热交换量。因此，根据回水与出水的温差来控制循环水的流量，从而控制热交换的速度，是节能改造的可行依据。

1、冷冻水循环系统：冷冻水的出水温度是由主机的制冷效果决定的，通常比较稳定，因此冷冻回水温度可以准确的反映室内的热负荷情况。由此，对于冷冻水循环系统的节能改造，可以取回水温度作为控制对象，通过变频器对冷冻泵流量的自动调节来实现对室内温度的控制。当环境温度，空调末端负荷发生变化时，各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至模糊控制器，模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，实时计算出末端空调负荷所需的制冷量，以及各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值，并以此调节各变频器输出频率，控制冷冻水泵的转速，改变其流量使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量运行在模糊控制器给出的最优值。

2、冷却水循环系统：冷却水循环系统同时受室外环境温度及室内热负荷两方面影响，循环水管道单侧的水温不能准确反映该系统的热交换量，因此以出水与回水之间的温差作为控制室内温度的依据比较合理。在外界环境温度不变的情况下，温差大，说明室内热负荷较大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水循环的速度；相应的，温差小则减小冷却泵转速。分别在主机蒸发器回水处、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，以模拟信号（0~10V或者4~20mA）反馈给变频器，通过变频器内置的PID运算，输出对应的频率指令自动调节水泵转速，从而调节各循环水的热交换速度，最终实现对室内的恒温控制。需要特别说明的是，变频器内部在设计上集成了PID处理功能，系统无须另配专用控制模块。当环境温度，空调末端负荷发生变化时，中央空调主机的负荷率将随之变化，主机的效率也随之变化。由于主机效率与冷却水入口温度有关，冷却水入口温度降低，有利于提高主机效率，降低主机能耗。但冷却水温度降低，将导致冷却水泵和冷却塔的能耗升高。因此，只有将主机能耗、冷却水泵能耗、冷却塔风机能耗三者统一考虑，才能找到一个系统最佳效率点，是整个制冷系统能效比最高。当中央空调系统负荷变化造成空调主机及其水系统偏离最佳工况时，模糊控制器根据数据采集得到各种运行参数值，如系统供回水温度等，经推理运算后输出优化的控制参数值，对系统运行参数进行动态调整，确保主机在任何负荷条件下，都有一个优化的运行环境，始终处于最佳运行工况，从而保持效率（cop）最高，能耗最低，实现主机节能10%——30%，水泵系统节能60%以上，事实证明只能模糊控制方式是在空调控制领域最为先进的节能控制策略，该方式可以达到很好的节能效益和社会效益。

三、项目能耗分析

1.变频器节点原理

变频节能原理：由流体传输设备（水泵、风机）的工作原理可知：水泵、风机的流量（风量）与其转速成正比；水泵、风机的压力（扬程）与其转速的平方成正比，而水泵、风机的轴功率等于流量与压力的乘积，故水泵、风机的轴功率与其转速的三次方成正比（即与电源频率的三次方成正比）。变频器节能的效果是十分显著的，这种节能回报是看到见的。特别是调节范围大、启动电流大的系统及设备，通过图三可以直观的看出在流量变化时只要对转速（频率）稍作改变就会使水泵轴功率有更大程度上的改变，就因此特点使得变频调速装置成为一种趋势，而且不断深入并应用于各行各业的调速领域。根据上述原理可知：改变水泵、风机的转速就可改变水泵、风机的输出功率。图中阴影部分为同一台水泵的工频运行状态与变频运行状态在随着流量变化所耗功率差。

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)

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 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

如图2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（1-2）

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/p(1-s)

式中：n:转速f:频率p:电机磁极对数s:转差率由式可见，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,结合超市中央空调的运行特征，利用变频器、温差控制器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。

由于中央空调机组中冷冻水循环系统、冷却水循环系统以及冷却水塔风机均为风机水泵系统，其负载特性为流量与轴转速成正比、水压（或风压）与轴转速的平方成正比，轴功率与轴转速的立方成正比。所以，如果我们将系统以电机为定转速运转，用阀门调节水流量和风流量的方法，改用根据所需的流量、风量调节电机转速的方法，就可获得大量的节电效果。从理论上来讲，在环境气压、气温等参数不变的情况下，当转速减少50%时，流量减少50%，扬程减少75%，功率消耗减少87.5%，节能效果非常显著。

2、变频调节优点：

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。由于采用了温差闭环变频调速，提高了冷冻机组的工作效率，提高了自动化水平。原来几乎每天都要对冷冻机出水温度进行调整，改造后仅在环境温度变化较大时进行调整冷冻机出水温度。减少了人为因素的影响，大大优化了系统的运行环境、运行质量，空调室温比原来更平稳均匀了。

3.变频调节能效果及投资回报

进行技术改造，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。估计平均节能在35%左右，经济效益十分显著。

四、方案设计

1.方案说明

系统主电路的控制设计：

根据具体情况，同时考虑到成本控制，原有的电器设备尽可能的利用。冷冻水泵及冷却水泵均采用一用一备的方式运行，因备用泵转换时间与空调主机转换时间一致，均为一个月转换一次，切换频率不高，决定将冷冻水泵和冷却水泵电机的主备切换控制利用原有电器设备，通过接触器、启停按钮、转换开关进行电气和机械互锁。确保每台水泵只能由一台变频器拖动，避免两台变频器同时拖动同一台水泵造成交流短路事故；并且每台变频器任何时间只能拖动一台水泵，以免一台变频器同时拖动两台水泵而过载。

2.系统控制方案：

上位机监控系统主要通过人机界面完成对工艺参数的检测、各机组的协调控制以及数据的处理、分析等任务，下位机PLC主要完成数据采集，现场设备的控制及连锁等功能。具体工作流程：开机：开启冷水及冷却水泵，由PLC控制冷水及冷却水泵的启停，由冷水及冷却水泵的接触器向制冷机发出联锁信号，开启制冷机，由变频器、温度传感器、温度模块组成的温差闭环控制电路对水泵进行调速以控制工作流量，同时PLC控制冷却塔根据温度传感器信号自动选择开启台数。当过滤网前后压差超出设定值时，PLC发出过滤堵塞报警信号。送风机转速的快慢是由回风温度与系统设定值相比较后，用PID方式控制变频器，从而调节风机的转速，达到调节回风温度的目的。停机：关闭制冷机，冷水及冷却水泵以及冷却塔延时十五分钟后自动关闭。保护：由压力传感器控制冷水及冷却水的缺水保护，压力偏低时自动开启补水泵补水。

3.总体系统框图

变频空压机控制系统框图

4.系统控制实现

上位机监控系统主要通过人机界面完成对工艺参数的检测、各机组的协调控制以及数据的处理、分析等任务，下位机PLC主要完成数据采集，现场设备的控制及连锁等功能。具体工作流程：开机：开启冷水及冷却水泵，由PLC控制冷水及冷却水泵的启停，由冷水及冷却水泵的接触器向制冷机发出联锁信号，开启制冷机，由变频器、温度传感器、温度模块组成的温差闭环控制电路对水泵进行调速以控制工作流量，同时PLC控制冷却塔根据温度传感器信号自动选择开启台数。当过滤网前后压差超出设定值时，PLC发出过滤堵塞报警信号。送风机转速的快慢是由回风温度与系统设定值相比较后，用PID方式控制变频器，从而调节风机的转速，达到调节回风温度的目的。停机：关闭制冷机，冷水及冷却水泵以及冷却塔延时十五分钟后自动关闭。保护：由压力传感器控制冷水及冷却水的缺水保护，压力偏低时自动开启补水泵补水。

系统节能改造原理：

1、对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；

2、对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。

3、冷却塔风机变频控制通过检测冷却塔水温度对冷却塔风机进行变频调速闭环控制，使冷却塔水温度恒定在设定温度，可以有效地节省风机的电能额外损耗，能达到最佳节电效果。

4、室内风机组变频控制通过检测冷房温度对变风机组的风机进行变频调速闭环控制，实现冷房温度恒定在设定温度。室内风机组变频控制后可达到理想的节电效果，并且空调效果较佳。

5系统流量、压力保障：本方案的调节方式采用闭环自动调节控制，冷却水泵系统和冷冻水泵系统的调节方式基本相同，用温度传感器对冷却（冷冻）水在主机上的出口水温进行采样，转换成电量信号后送至温控器将该信号与设定值进行比较运算后输出一类比信号（一般为4—20MA、0—10V等）给PLC，由PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块进行温差闭环控制，手动/自动切换和手动频率上升、下降由PLC控制，最后把数据传关到上位机人机界面实行监视控制。变频器根据PLC发出的类比信号决定其输出频率，以达到改变水泵转速并调节流量的目的。

5.系统框图

ABB ACS510变频器系统用户接口

变频调速系统标配有丰富的I/O端口：

①AI1，AI2 2路模拟量输入；

②AOI,AO2 2路模拟量输出；

③DI1—DI6 6路开关量输入；

④RO1-RO3 3路继电器输出；

6 触摸屏及WiFi模块

采用维控PI系列高端人机界面加无线路由器的方式，实现手机端实时监控及简单参数调试

维控PI系列触摸屏优势：

◇采用CORTEX A9主频为1.4GHZ的四核CPU平台，分辨率： 1920*1080

◇可以支持多达五个串口(1个RS422/RS485兼容口，2个RS485，2个RS232接口)。100M/10M Ethernet以太网接口、支持32G SD卡。

◇使用PIStudio 组态软件组态。

◇支持Wecon APP smart ，远程监控调试功能。支持所有HTML5相关浏览器访问。

◇选配USB摄像头功能。

接口类型：

整体方案设计：

方案优势：

1.系统与设备连接，读取所有详细信息，包括电耗、电机电流、运行频率，系统使用情况;

2.能及时收到设备报警信息，远程查看设备的报警情况；

3.在PC端、移动端、APP、大屏，通过数据化管理达到节能减排，提高生产效率;

4.支持4G网络传输功能;

五、质量保证

本公司产品自用户从厂家购买之日起，实行为期18个月的免费保修期（出口国际/非标机产品除外），并享有有偿终身服务。

但是，如由于下述原因引起的故障，即使在保修期内亦作有偿修理：

a)由于使用错误，自行改造及不适当的维修等原因：

b)超过技术标准规范要求使用：

c)地震、火灾、雷击、异常电压、其它自然灾害等原因

六、服务承诺

①在质保期内如果不是因操作不当和不可抗力因素而出现故障，我方负责进

行免费维修；

②售后服务的承诺：服务2小时内响应，24小时内抵达现场服务；

③超过保修期的修理，在修理后向用户收取器件费用。

七、提供三种配置方案供选择