中央空调智能群控节能系统改造与设计

中央空调智能群控节能系统改造与设计

作者：张代军 唐士芳 沈昭华

来源：《科技创新与应用》2016年第24期

摘 要：目前，我国社会正处于高速发展阶段，人们的生活质量和生活水平迅速提升，中央空调已经广泛的应用到了现代建筑中。但老式的中央空调不具备智能控制系统，能耗很高，造成了大量能源的浪费，这与现代人们提倡的环保节约理念不相符。为了改变这种状况，文章针对老式中央空调能耗高以及非智能调控的缺陷，改造并设计出了中央空调智能群控节能系统。本系统应用了变频设备，改造了线路，使温度传感器与电动阀能够智能的控制进出水，并且通过对人机交互界面的应用，实现了中央空调的远程智能控制。通过对该系统的运行研究证明，中央空调智能群控节能系统可以有效的降低中央空调的能耗。 关键词：中央空调；智能群控；节能系统；改造与设计

现在，中央空调已经在人们的生活和工作中被广泛应用，通常情况下，其能耗大约能够占据建筑总能源消耗的百分之五十五。但是，因为中央空调系统具有成本高、寿命长、维修费用低等特点，所以除了最新的建筑之外，目前大多数中央空调的控制系统使用的还是老式的系统。老式中央空调的控制系统应用的是手动控制的，所以它无法根据环境、季节以及用户负荷的变化来进行相应的调整，导致系统中的设备长期处于工频状态，这种状态下浪费了非常多的电能，而且空调运行时会产生非常大的噪音，对周围造成严重的污染。所以，对老式空调的系统进行智能化节能改造，降低中央空调的能耗，是符合当前可持续发展的理念的。

文章通过对老式中央空调系统的研究，设计出了相应的智能节能系统。该控制系统内应用了变频变压技术以及人机交互技术，使操作人员能够通过触摸屏进行风机、主机与水泵的开启和关闭操作，并且能够根据用户的负荷来智能调整冷却泵的转速以及主机数量。通过对该系统实际运行情况的研究，证明该系统可以满足实际需求，并且降低了能量消耗，达到了节约电能的目的。

1 中央空调系统进行变频改造的节能原理

中央空调和家用小型空调的温度控制方式是不同的，家用空调是直接把风吹到散热器上面得到热风与冷风，而中央空调主要通过对循环水加热与降温，在循环水经过用户房间时，用户房间内设置的风机会将风吹向散热器，使风被制冷或者加热，从而使用户获得适宜的温度。通常情况下，中央空调的冷冻主机的运行负载能够根据环境温度变化而进行相应的调整，但循环水循环速度是恒定的，也就是说冷冻泵以及冷却泵无法按需调整负载，始终处于百分之百的负载运行状态，这就造成了电能的大量浪费。所以，由此我们可以看出，中央空调的变频改造主要是实现对冷却泵以及冷冻泵智能变频调控，使空调的运行负载和实际负载相匹配。由于变频跳速具有稳定性好、范围宽以及频率高的特性而被认为是控制电机转速的最合理方式。

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水泵中电机的转动速度n、扬程H、轴功率P以及流量Q之间的关系可以表示为： 通过该公式我们可以知道，轴功率P和转速n的3次方成正比，所以，只要按照实际的负荷情况实时调整电机转速就可以有效减低系统能耗，实现节能的目标。通过对本研究所用变频设备的测试，我们得知冷冻泵频率和电压、电流以及转速之间的关系，结果如表1。 由表1可知，当冷冻泵的转动速度由1440rad/min下降至1123rad/min时，其频率正好由50Hz下降到了基准频率39Hz，转动速度下降到了百分之七十八，功率下降到了百分之四十七，电功率为7.11kW，即节约了百分之五十二点六的电能。在理论上，当该系统运转稳定时，可以有效降低能耗，达到节能的目标。 2 中央空调智能群控节能系统的设计与改造

中央空调系统中的冷冻泵、风机以及冷却泵的能源消耗在系统整体能源消耗中占据了非常大的部分。老式的中央空调系统的运转频率无法根据用户负载的变化来进行相应的调节，长时间满负载的运转导致大量能量的浪费，同时，陈旧的设备噪音污染严重并且容易引发安全事故，对人们的生命财产安全造成威胁。针对这种情况，本案例用变频设备对系统中的冷却泵与冷冻泵进行合理的改造，在循环水中置入温度传感器，将手动控制的阀门改造成电动控制的智能阀门。

该中央空调额定功率为86.6kW，系统中包含两台制冷主机，且全年并联运行；拥有三台冷却泵，其中两台正常运行，一台作为备用；拥有三台15kW的冷冻泵，其中两台正常运行，一台作为备用；拥有两台5.5kW的冷却塔，且全年并联运行。一旦系统中其中一台冷却泵或者冷冻泵发生故障，备用设备自动进入使用状态。图1为改造设计后的空调系统。 2.1 改造设计方案

该系统是20世纪90年代生产的，系统中的设备老化现象非常严重，并且系统运行过程中会产生非常大的噪音。对系统改造的目标为：（1）构建出统一监控管理系统；（2）新系统要和原有系统良好兼容并且能够自主切换；（3）节能率要大于等于百分之三十。

具体的改造思路：空调系统同时拥有群控与单控功能，单控功能适用于原有的设备，群控功能适用于改造之后的设备。这两套设备之间没有必然的联系，假如其中一种功能的控制柜发生故障，可以及时切换到另一种功能的控制柜，从而可以有效保证中央空调始终处于正常运转的状态。在老式的系统中合理置入电能电动阀门与温度传感设备，将老式的机械按键改造成触摸屏幕，使新系统可以对冷却泵与冷冻管的温度进行实时监测，通过PLC信号实现电动阀的自动开关，并且使系统能够根据气候环境的变化人性化的自动调整用户室内温度。系统中置入的温度传感设备收集到的温度数据为负荷末端信息，所以系统能够通过对变频设备频率的控制，调整冷却泵以及冷冻泵的转动速度，从而实现对水流量以及室内温度的调节，同时不会使用户感受到过热或者太冷，实现节电的目的。

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2.2 控制策略

该控制系统由CPU226、触摸屏、温度采集模块、水泵机组、变频器、电动阀组等部分组成。在主机的冷冻和冷却进出水位置分别放置温度传感设备，水温的实时监测数据会反馈到触摸屏上。CPU226通过对水温信号的分析，得到系统实际负载情况，进而通过变频设备改变冷却泵与冷冻泵的转动速度，最终改变循环水的热交换速度，将温度控制在预定的数值上。当处于秋冬季节或者中央空调的用户非常少时，CPU226能够产生信号使中间继电器处于闭合状态，同时使2号主机的冷冻与冷却进出水电动阀进入关闭状态，2号主机也随着进入关闭状态。在这种状况下，只要1号主机处于正常的运转状态就可以独立的达到所有用户的要求，这样就大量的节约了电能。另外，控制系统中的一键按钮可以通过中间继电器一键开关冷却泵、冷冻泵、风机等设备，实现设备开启和关闭的智能化，避免原来系统中需要一个一个开关设备耗费大量人力的状况。

冷却水中温度传感设备采集的数据表明了主机进行热交换的状况；冷冻水中温度传感设备采集的数据能够清晰的反映系统从房间中抽离热量的情况。一般状况下，我们能够把受到的温度信息数据当成系统开展相应调控的依据。通过整定，我们在案例中把37摄氏度设置为冷却水的最终出水温度，把15摄氏度设置成冷冻水最终的回水温度。在中央空调系统初始启动的阶段，使冷却变频设备在50Hz工频状态下运转25分钟，之后再40Hz的状态下运转1分钟，最后转入自动调节阶段；冷冻变频设备的参数设定为P=1，积分参数设定为I=5，微分参数设定为D=0，直接转入自动调节阶段。系统可以通过对传感设备采集数据的分析，调整变频设备的频率，实时地调整用户室内温度，使用户试用效果达到最佳状态。 3 改造系统的节能效果分析

改造之后的系统拥有三台冷却泵和三台冷冻泵，其中两台处于运行状态，一台处于备用状态，冷却泵的功率为18kW，冷冻泵的功率为15kW。本案例该种中央空调系统运转的功率时间特性数据在表2以及表3中分别显示。

考虑到不同的季节空调的时间使用量有很大差别，文章对7月份中央空调的实际运转状况进行研究。7月份正常工作时间为每天6小时，按照老式的系统进行计算，得出原来的用电量Q原=396千瓦时；通过表2中的数据我们可以得出改造后冷却泵的用电量Q冷却泵=64.84千瓦时；通过表3中的数据我们可以得出改造后冷冻泵的用电量Q冷冻泵=59.88千瓦时；系统的总用电量为Q改造总=249.44千瓦时；日节电量Q节电量=146.56千瓦时；最后通过计算得出节电率B=Q节电量/Q原*100%=37.%。 4 结束语

随着中央空调在人们生活和工作中应用的日益广泛，老式中央空调系统耗能高与现代节能降耗的环保理念冲突日益明显。文章通过对老式空调系统进行分析和改造，运用温度传感设备进行温度的实时采集，进而使冷却泵和冷冻泵的运转速度能够根据用户的负荷进行合理调整；

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运用人机交互技术使系统具备一键式智能调控功能。最终改造形成智能节能的中央空调智能群控系统，使中央空调可以依据环境温度的变化来自动调整水泵的运转速度，从而在保证用户需求的情况下有效降低用电量，同时减少了系统噪音。对该系统的实际运行状况进行分析，结果显示系统运行平稳，达到了预定的节能目标。 参考文献

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