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1、 变频器PID控制中央空调系统冷冻冷却泵 可行性分析目录一、引言2二、 中央空调系统的工作原理与组成结构3三、中央空调循环水系统节能原理7四、 中央空调系统改造方案构造11五、中央空调系统变频节能改造控制系统的方案构造12六、结束语14一、引言随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域，在宾馆、酒店、写字楼、商场、住院部大楼、工业厂房的中央空调系统，其制冷压缩机组、冷媒循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制热负荷或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。在没有使用具备负载随动调节特性的控制系统中，无
2、论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，尽管有的系统采用了闸阀档板节流方式，但其能量的浪费仍是显而易见的。近年来由于电价的不断上涨，造成中央空调系统运行费用急剧上升，致使它在整个大厦营运电费成本中占据越来越大的比例，因此，电能费用的控制显然已经成为经营管理者所关注的问题所在。据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的60%以上，其中，中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的2040%，故节约低负荷时主压缩机系统和水泵系统的电能消耗，具有极其重要的经济意义。所以，随着负荷变化而自动调节水泵转速的变频中央空调水泵系统营运而生。通过对中央空调循环水系统的分析，利用
3、变频器和PID技术相结合实现变频恒温循环水。提高冷却、冷冻水泵运行效率，变频恒温循环水系统实现了智能化、科学化、节能化。变频恒温循环水系统主要特点是节能，可实现节电20-40；占地面积小，投入少，效率高；具有通用的外部接口端子，可同计算机、PLC联机，便于实现自动控制等优点；由于是软启动和软停止，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减少，减少了维修量和维护费用，并且提高了水泵使用寿命；维护简便；可以实现无人值守，节约了人力物力。变频PID循环水设备的主要应用场合是冷冻、冷却水循环，热力网水循环，以及各种流体恒温控制系统等。恒温循环水技术的实现是通过安装在管网上的温度传感器，把水温
4、转换成4-20mA的模拟信号，通过变频器和PID控制，来改变水泵转速。当循环水量增大时，管网温度高于设定值时，变频器输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定温度时，水泵的转速恒定，使管网温度保持在设定温度上；反之亦然。系统的控制目的是中央空调系统管网的温度稳定在设定温度值上。二、 中央空调系统的工作原理与组成结构中央空调技术实际上是人工制冷技术的一种典型系统性应用，当前，人工制冷技术按其补偿过程的不同可主要分为蒸汽压缩式、吸收式、蒸汽喷射式、吸附式四种方法，其中，被广泛应用在中央空调系统的制冷方法主要有两种：（1）蒸汽压缩式制冷循环 通过对制冷剂的压缩、冷凝、节流、蒸发、吸收等过程
5、来利用制冷剂的液相与气相之间的相变所产生的热交换实现制冷目的。（2）吸收式制冷循环 通过使用两种沸腾点差距较大的物质组成的二元溶液（也称工质对，其低沸腾点组份为制冷剂，高沸腾点组份为吸收剂），利用溶液在一定条件下能析出低沸点组份的蒸汽，而在另一条件下又能吸收低沸点组份的蒸汽这一特性由制冷机系统采用热能驱动，通过发生、冷凝、蒸发、吸收4个过程来完成制冷循环吸收式制冷机组。 目前，在中央空调系统中的制冷压缩机以速度型的离心式压缩机和以容积型的螺杆式或活塞式压缩机的应用最为普遍。以蒸汽压缩式制冷循环为例，撇开其具体形式上的区分，中央空调的制冷系统其制冷循环过程如图1所示。图1 制冷循环过程原理图 图
6、1a中，制冷压缩机将来自蒸发器中的低温、低压的制冷剂气体(一般为36)压缩成高温、高压气体(一般为3540)排入冷凝器中。这些高温、高压气体在冷凝器中通过与冷却循环水进行热交换（冷却循环水带走介质排放的热量）变为高温、高压液体(一般为2532)流向节流膨胀阀，再通过膨胀阀的节流、降压来实现高温、高压液体向低温、低压液体状态转变，由于压力突然降低，有一部分制冷剂瞬间蒸发为气体，即用膨胀阀的节流作用来实现类绝热膨胀过程，低温、低压液体在蒸发器中通过与冷冻循环水的充分热交换（吸收冷冻循环水的热量）后达到蒸发汽化目的，此时制冷剂又回到低温、低压气体状态为制冷剂的再循环过程做准备。同时也应看到当压缩机抽
7、取制冷剂气体的同时,也降低了蒸发器的压力,使蒸发器内其余的制冷剂在相当低的温度下大量蒸发汽化。在图1b中，a-b-c-d分别表示了无温差传热的逆卡诺循环的绝热压缩、等温压缩、绝热膨胀、等温膨胀四个理想过程，而实际上制冷压缩循环是如图1c所示的具有温差传热现象的逆卡诺循环，图中的阴影部分表示与环境介质（如冷却水、冷冻水等）进行热交换时所存在的温差效应现象。我们知道在三种热传递方式：传导、对流和辐射中，无论压缩机采用哪种形式的制冷循环技术，其所有冷热流体之间的热传递方式均主要是通过金属管壁与流体之间对流换热及壁的导热来完成传热过程的。根据换热量计算方程：q=kam (1 ) 其中：q为换热量（w）
8、，k为换热系数（w/m2.k），a为换热体面积（m2），m为冷热流体间的相对流向密切相关的平均换热温差（）。由公式（1）可知，对于特定的中央空调系统而言，其中的参数k和a是固定的，我们在不改变其物理结构状态和特征的情况下，可通过有效地控制冷热流体间的换热温差来达到获取最大换热量的目的，即按需求变化供应环境介质量，而不是过分地满足，这也就是我们对系统进行变频控制的基本可行性依据条件之一。 以蒸汽压缩式制冷循环机组为例，中央空调系统其组成结构一般主要由制冷主压缩机系统、冷媒（冷冻和冷热）循环水系统、冷却循环水系统、盘管风机系统、冷却塔风机系统等部分组成，其工艺流程组成结构图如图2所示。图2 中央空
9、调系统工艺结构流程图 在冬季需要制热时，中央空调系统仅需要通过冷热水泵（在夏季称为冷冻水泵）将常温水泵入蒸汽热交换器的盘管，通过与蒸汽的充分热交换后再将热水送到各楼层的风机盘管中，即可实现向用户提供供暖热风。热水泵向各个房间供给的热水总流量是根据安装热水供水总管于回水总管上的温度差来决定的。正确理解中央空调系统各个部分的作用与工艺流程结构，对于实现变频节能改造至关重要。当制冷主压缩机系统的实际需求负荷发生变化时，对冷媒循环水、冷却循环水的需求量也发生相应的变化，正因如此，我们才有实现节能改造目标的可能和必要的依据条件，才能从真正意义上实现动态的“按需分配”控制目标的可能。三、中央空调循环水系统
10、节能原理对于变转矩负载类型，我们知道水泵、风机类变转矩负载特性满足流体动力学关系理论，即以下数学关系成立： n1/n2q1/q2 h1/h2(n1/n2)2 p1/p2(n1/n2)3 ( 3 )其中，n、h、q、p分别表示转速、扬程、流量、轴功率，它们之间的关系曲线如图3所示。 由公式3可知，由于变转矩负载的转速（或流量）与轴功率存在3次方关系，所以，通常对于负荷经常变化的场合可以获得理想的节能效果。图3 流量、扬程、功率三者间的关系曲线图 在图3a中，曲线a1表示工频定速运行时的h-q关系，曲线ax表示低于额定速度下的变频运行时的h-q关系，从图3a中可以看出，管网的阻尼随扬程的降低而减小
11、。曲线r1和r2表示在不同流量下管网呈现的阻力特性，它符合以下公式：h=rq2 （4） 其中h为管网阻力;r为管网流水阻尼系数。公式(4)表明随着供给水量的减少管网阻力的损失也呈2次方下降趋势，从而也降低了系统功率消耗。在图3b中给出了在不同流量需求下，出口阀档板节流方式与变频调速方式所消耗的功率变化曲线关系。它表明了变频调速优于档板节流方式。 依据公式(3)进行估算，若转速下降到额定转速的70%，那么，扬程将下降到额定值的50%。同时，轴输出功率下降到额定值的35%。在满足系统基本扬程需求的情形下，若系统的流量需求减少到额定流量的50%时，在变频控制方式下，其扬程将下降到额定值的25%，其对
12、应输出功率仅约为额定功率的13%。公式3为实施变频节能技术改造提供了理论上的可行性保障空间。那么，如何去判断系统是否具有节能潜力就显得十分重要。判断的依据应来自两个方面：首先是泵本身的额定流量与扬程指标和运行时实际输出表现，其次是系统对实际供水需求量的表现出的温度差或压力与机组标准指标之间的偏差程度。因此，应实时采集各个测量点数据，结合泵的能力决定对泵所实施的调节方向与调节幅度。若系统当前实际温差小于标准允许运行温差时，就可以判定系统存在流量过剩现象，就可以减少泵的出口流量，但必须注意此时泵的出口扬程也将呈现2次方特性下降，为保障水流畅通，避免出现“闷泵”或“断流”现象，泵的转速应限定在一定值
13、以上，这个下限转速（对应最低供给流量）可以通过对以下两个方面的综合判断来决定。 (1)扬程的富裕度判定 泵的出口扬程等于泵的入口扬程与泵的泵生扬程之和，即： h出=h静+h动 （5）其中,h静为泵的入口静压;在系统中表现为管网垂直落差高度形成的压力;h动为泵的净升扬程，是泵的动能转化为水的势能的形式，在额定转速下h动就是泵的标称额定扬程。 对于冷冻循环水系统，h静是相对固定值，h动的作用就是要保证冷冻循环水在管网中能够水流循环就可以了，为此，它主要是去消除水在管网中流动时所产生的阻力损失。假定泵的额定扬程为32m，在额定流量下管网的阻力为0.15kg，那么，该泵的扬程富裕度高达50%，若采用变
14、频调速驱动，根据公式(3)可知，泵只需要70%的额定转速即可满足此时扬程需求，而此时泵的功率消耗仅约为额定值的35%。 (2)流量的富裕度判定 通常流量的富裕度的判断是依据进出水温差作出的，假定对于冷凝器其标准进出水允许温差为5时，若实际进出水温差为3，那么，可以说单从温差现象角度上看，冷冻循环水的实际需求量仅为供给量的3/5=60%，在使用变频调速时，泵的实际转速只要达到额定转速的60%即可满足需求，此时泵的能耗仅约为额定能耗的22%。多余的供水量不仅浪费能源，而且也由于热交换的不充分原因而严重地削弱了系统的制冷效果。 通过以上的判定，若两者对泵的下限转速的计算结果不一致，为保障系统对流量和
15、扬程最低需求的同时满足，泵的变频速度控制依据应选择对应频率较大值作为此时的控制调节运行频率下限。四、 中央空调系统改造方案构造在现代中央空调系统中，一般其各项额定指标为：冷冻循环水的标准进出口水温度为：12/7，盘管风机最大送风温差为：1015（一般空气进出口温差取8），冷却循环水进出水温度差为：48，冷却塔标准进出水温差为：35，用于采暖的热水进出水温度为：50/60。由于系统设备容量选型、不同季节、不同时间负荷变化等因素的影响，在实际投入运行的中央空调系统基本上没有与标准指标相一致的情况，大多数系统都不同程度存在着温差偏小、扬程过高、流量过大等现象，这些现象的存在再次为我们实施节能技术改造
16、提供了节能空间保障。(1) 冷冻循环水系统的现状分析一般空调系统冷冻泵为3台，2用一备。改造为经常运行的2台加变频PID闭环控制，改造分为2种情况：1 当温度a时一台水泵低速运行，当温度大于a时开一台水泵随着温度的升高而逐渐高速运行，当温度大于b时自动开起两台水泵随着温度的变化而自动调节转速（其中ba）；2 当温度a时一台水泵低速运行，当温度大于a时开一台水泵随着温度的升高而逐渐高速运行，当温度大于b时手动开起两台水泵随着温度的变化而自动调节转速（其中ba）。（2）冷却循环水系统的现状分析（同上冷冻循环水系统）五、中央空调系统变频节能改造控制系统的方案构造在对中央空调系统进行控制系统总体方案设
17、计时，我们可以依据用户的要求对系统中的各个部分做一个集中式集成化全自动无人监守控制设计。为最大限度地获得节能效果，对水泵的控制均采用了“一控一”的变频控制方式。 (1) 控制系统硬件结构组成 控制系统设计本着安全可靠、充分满足用户使用习惯和维护方便性前提下，实现自动节能运行。控制系统硬件主要由上位机、plc、变频器、低压电器、压力变送器、温度变送器、PID仪表等设备组成。各主要部件功能为：plc部件它主要由电源模块、cpu模块、通讯模块、开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、主机架、扩展机架、连接电缆等组成。它是系统的核心部分，负责控制系统各个子系统的命令动作的执行与监视、数值处理与计算
18、、逻辑组合与判断、通讯处理等功能；低压电器主要由接触器、断路器、热继电器、中间继电器等设备组成。完成电气主回路和控制回路的硬连接的功能，实现硬接线线路的可靠、正确连接；变频器接受来自plc的控制命令和运行频率指令，实现变频变压输出，达到调节电机转速的目的；压力/温度变送器对现场的循环水进行压力、温度检测，将这些工艺数值，变换为标准dc420ma标准的信号送到plc模拟量输入模块进行相应的数值处理与计算；人机界面HMI上位机由pc机和组态软件构成，它完成系统各工艺参数的设定、控制命令的发送、状态监视、过程数据与历史数据记录、报警与故障报警、报表生成等功能。图4 闭环调节控制原理图在图4a中,以基
19、准压力需求作为双闭环的内环来限定流量输出调节的下限依据，以实际进出水温度差与标准允许温差的偏差值作为外环来决定每次流量调节幅度的大小和单位时间内流量调节频度的依据。图4b中，曲线ab表示单台泵冷却循环水流量变化与进出水温度偏差值的变化比例关系。六、结束语目前，中央空调系统节能技术改造工程项目市场分布不仅广泛，而且数量众多，这为进行节能改造市场化应用推广奠定了基础前提。根据不完全统计显示，在业已投入运行的中央空调系统中，至少有70%以上未进行过任何形式的节能优化改造，而且普遍具有很好的节能挖掘潜力空间（一般都有30%以上的可挖掘节能空间）。大力推广与实施应用中央空调系统节能改造技术，不仅具有很好的经济效益回报，而且也有力地推动了全社会对能源有效利用率认识的提高。它也将可能给风险资本投资运作在该类型节能改造工程项目上开辟出一条新的方向。
