中央空调系统中的冷却水系统设计

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【摘要】 在经济快速发展的今天，人们也越来越会享受生活，因此在办公楼、商业大厦、以及各种酒店和工厂等环境中，中央空调系统就变得必不可少了。而中央空调系统除去主机耗能外，风机、冷冻水泵、冷冻也是主要的耗能设备，所以，为稳定中央空调系统温度，就需要自动控制模块。随着科技的发展，变频调速技术和PLC控制系统既可以节约电能，又可以提高系统的自动化程度，具有结构简单、方便操作、维修简单等优点。本文主要研究冷却水在节能方面的自动控制，通过对冷却水进出水温度和对他们温差的控制，达到使中央空调系统中的冷却水控制系统具有节能效果的目的。

【关键词】 冷却水系统 变频器 PLC控制系统

一、冷却水系统闭环控制

冷却水的水温取决于蒸发器的所设定值，而回水的温度又取决于蒸发器所接收的热量，中央空调系统中设计的冷冻水的出水温度和回水温度的温差最大为5℃。在蒸发器的回水管以及出水管上都安装检验温度的变送器，再配合使用变频器和PLC自动控制系统组成一个闭环控制系统，通过对冷冻水温差的控制，使得冷冻泵机组的转速随着热负荷的变化而变化。由于变频节能系统采用的是闭环控制，电机需设定好温度，使设备的容量随季节的变化而变化，并在满足要求的前提下，热负荷通过调节转速来最大限度的减少能耗，并减小对电网的冲击。

在中央空调系统中，对冷却水系统的改造也是比较普遍的，它行而有效。同样的，冷却水系统闭合控制也是如此，就是在保证冷却塔里面有冷却水流出来的情况下，通过控制变频器的频率来调节冷却水的流量。当冷却水的出水温度较低时，减缓了冷却水是流量；当冷却水的出水温度较高时，加快冷却水的流量。对于冷却水系统控制的闭环回路，具体的控制方式有：

1、温度控制

回水温度比较低时，冷却泵以下的机组限速运转；而当回水温度较高时，冷却泵的转速也相应的提高。当回水温度达到设定值时，增加冷却泵的运行台数或者是增加冷却塔内风机的运行台数。

2、温差控制

在冷却水循环系统中，进水温度和出水温度之间存在着一个温度差，温差大说明冷却塔内需要交换的热量多，反之温差小，就说明冷却塔内需要交换的热量就少。如果使用传感器，采集冷却水进出水时的温度，使用温差控制器将温差变成模拟的量反馈给中央处理器，再由中央处理器来控制变频器的频率。温差相差不大的时候就可以将冷却水的流量适当的减小，减缓转速，减小能耗；反之，温差较大时，提高变频器的输出频率，加快转速及水流量。这样系统就可以根据不同时期的不同需要，适当地进行调节，提供合适的水流量，避免能耗的浪费。

3、进水温度与温差的混合控制

受外界温度的影响，进水的温度也不是恒定不变的，这时，把温差固定在一个值上就显得不明智了。因为使用变频系统时不仅仅要考虑冷却效果，还要考虑能效问题。具体点也就是说，温差值如果定低了，水泵的平均转动速度就会上升，这就会影响系统的节能效果，如果定高了，进水温度较高时又会影响冷却效果。所以，当进水温度较低时，要着重于节能效果，把温差值定高点；而当进水温度较高时，为保证冷却效果，就要把温差的目标值定低一点。

二、变频器

1、变频器的原理

变频器是一种输出的频率可以改变的交流电力设备。变频调速技术就是：三相交流工频电经过大功率电整流后变成直流，再将直流电经过正弦波脉技术变成幅度可变、频率可调的三相交流电。根据水泵的工作原理，我们可以知道，调节电动机的电源频率就相当于调节电动机的转速，而调节电动机的转速就可调节电动机的负载转速。根据风机和水泵特性知，调节水泵的转速既具有调节风流量的作用，又可调节轴功率。再通过在水泵上添加变压器，使系统工作稳定，又可通过变频节能减少开支。此外，变频器还可以通过调节冷冻水泵的负载，然后以此为依据来调节水泵电机的转动速度，在中央空调系统能正常工作的条件下，使冷冻水泵也作出相应的调节，达到节能的目的。而随着水泵电机转速的下降，电机从电网中吸收的电能也会减小。

2、变频器的应用

一般情况下，在装有中央空调系统的环境中会有一些大型的电子敏感设备，比如说计算机系统、电信网络系统等。这就会对变频传动设备提出新的特殊要求——电子兼容问题。以变频器为主要构成的中央控制系统，可以实现湿度、温度、流量等多种参数的集中控制，以三晶SAJ8000G为例，它在医院、地铁、机场等地得到广泛的应用。此系统集双PID控制、控制执行和数据传感于一体，使用单位可直接设定反馈值和给定值；内设有RS485通信协议，并留有选件接口，可以接收Mod-bus协议并实现春夏秋冬四种模式的转换，有着远程控制、一机多控等功能。另外，变频器由于兼容性好，可以减少对周边仪器的干扰，同时还可以减少噪音，变频器内设有直流电抗器，可以有效的抑制谐波，提高功率因数。

在中央空调系统中，使用变频器对风量进行控制时，可以节约电能。中央空调系统的设计是需要按现场最大的冷量需求来设计的，它的冷冻泵和冷却泵也要根据它最大的工况考虑。在实际的使用过程中，90%的情况下，冷冻泵和冷却泵都是处于非满载的工作状态下，如果使用自动阀调节，不仅会加大系统的节流损失，而且调节也是阶段性的，会对空调系统造成一定的波动。而如果在冷冻泵和冷却泵上安装变频器，就可以达到一劳永逸的效果。它可以实现自动控制，又可以节能减少开支，同时变频器的软启动功能可对系统进行平稳的调节，逐渐使系统工作趋于稳定，并延长机组的使用寿命。

三、PLC控制系统

1、PLC控制器的优点

PLC是以微处理为核心的控制器，它综合了半导体存储技术、计算机技术和自动控制技术，与传统的电器控制相比，PLC具有以下优点：（1）通用性好，通过选配相应的模块，简单接线后，可适应与各种控制系统。（2）可靠性高，没有机械触点，消除了接触不良、电弧损坏等缺陷，使用寿命长。（3）功能性强，通过编程可以实现任意的控制功能，如顺序控制、模拟量控制、位置控制和网络通信等功能。（4）体积小，耗电少。（5）定时范围宽且定时准确。

2、PLC对冷冻泵的变频改造

PLC控制器可以通过温度传感器或者是温度模块将冷冻机里的出水温度和回水温度读入控制器的内并保存，同时计算出温差；然后根据冷冻机中出水和回水的温差来控制变频器的转速，通过调节水的流量热交换的速度。如果温差小，说明系统的负荷小，可减缓冷冻泵的转动速度，再适当的降低冷冻水的循环速度，减少冷冻水的流量，减少热交换的次数以减少能耗；反之，如果温差大，则说明室内温度较高，系统所需承受负荷就大，需加快冷冻泵的转动速度，增加冷冻水的循环速度，加大冷冻水的流量，提高热交换的速度。

3、PLC对冷却泵的改造

冷冻机组运行时，冷疑器的热交换过程是由冷却水带到冷却塔进行散热降温，再由冷却塔到冷疑器，这样不断的进行循环。冷却水的进出水温差小，则说明冷冻机负荷小，冷却水需要带走的热量也就小，可减缓冷却泵的转速，减少冷却水的循环量，节约能耗；温差大，则说明冷冻机负荷大，冷却水需要带走的热量也就多，所以就需要加快冷却泵的转速，增大冷却水的循环量。

结语

此设计使用对进出水温差的控制和进水温度的控制，二者结合，混合控制的方法，应用变频器和PLC自动控制技术实现中央空调中冷却水的系统设计，达到冷却水循环节能的目的。此系统的特点是跟踪制冷主机的散热需求与冷却水的进水温度的变化，最大化的减少冷却泵的能耗。采用变频器同时控制三台电机，进行顺序轮流运转，实现软件启动，并在启动和运行时无冲击波，延长了电机的使用寿命，采用PLC控制系统，使得系统控制起来功能齐全、灵活多变。此控制系统相对于以往有着明显的改进，并且能在现实生活中加以推广和普及。

参考文献

[1] 王铁军；空调器变频调能技术[J]；安徽工学院学报，1994

[2] 于庆广；可编程控制器原理及系统设计；北京：清华大学出版社，2004