中央空调系统节电改造工程分析

摘　要：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。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。文章主要结合工程实例，针对中央空调系统在节能方面存在的问题，分析并提出改造方案，介绍改造效果。
关键词：中央空调 PLC 节能改造 冷却泵　冷冻泵
一、前言
　　中央空调是大厦里的耗电大户，约占建筑物总电能消耗的60%。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，并且留 10-20% 设计余量，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，存在较大的富余，所以节能的潜力就较大，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调节，存在很大的浪费，因此中央空调的节能改造显得尤为重要。

二、工程概况
　　广州景星酒店是一座三星级旅游涉外酒店，酒店位于广州林和西路，有各类客房100多间，酒店大楼内设有三星级酒店、高级写字楼、商场和娱乐场所，是广州市早期酒店之一。酒店中央空调全年运行280天左右，每天平均运行时间在14～22小时左右，中央空调系统年平均总耗电约160万kWh，电费支出172万元左右。该大厦冷冻水泵和冷却泵电机全年恒速运行，冷冻水和冷却水进出水温差都约为3℃ ，采用继电接触器控制。酒店中央空调系统的配置如下：
　　冷水机组：中央空调系统采用两台（一用一备）开利水冷冷水机组，单机制冷量为400USRT，电动机功率为300KW。
冷冻水泵：冷冻水泵两台（一用一备），电动机功率为55KW，电机启动方式为自耦变压器启动。
冷却水泵：冷却水泵两台（一用一备），电动机功率为75KW，电机启动方式为自耦变压器启动。

三、中央空调系统节能中存在的问题分析
该大厦中央空调系统的最大负载能力是按照天气最热，负荷最大的条件来设计的，存在着很大宽裕量，但实际上系统极少在这些极限条件下工作，一年中只有几十天时间中央空调处于最大负荷。大厦原中央空调水系统除了存在很大的能量损耗，同时还会带来以下一系列问题：
　　(1)水流量过大使循环水系统的温差降低，恶化了主机的工作条件、引起主机热交换效率下降，造成额外的电能损失。
　　(2)水泵采用自耦变压器启动起动，电动机的起动电流较大，会对供电系统带来一定冲击。
　　(3)传统的水泵起、停控制不能实现软起、软停，在水泵起动和停止时，会出现水锤现象，对管网造成较大冲击，容易对机械零件、轴承、阀门、管道等造成破坏，增加维修工作量和备件费用。
　　为使循环水量与负荷变化相适应，采用成熟的变频调速技术对循环系统进行改造，是降低水循环系统能耗的较好解决方案。一方面能够控制冷冻（却）泵的转速，即改变冷冻（却）水的流量，来跟踪冷冻（却）水的需求量，随着负载的变化调节水流量，从而节约能源；另一方面，因变频器是软启动方式，电机在启动时及运转过程中均无冲击电流，可有效延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。

四、中央空调系统节能改造措施
　　结合酒店原中央空调水系统的实际情况，确定酒店水系统节能改造措施如下：
　　（1）由于系统中冷却水泵功率为75KW，相对主机功率接近30 ％较大，故对冷却水系统和冷冻水系统都进行变流量改造，在保证机组安全可靠运行的基础上，取得最大化的节能效果。
　　（2）冷冻水系统的控制方案采用定温差控制方法，因为冷冻水系统的温差控制适宜用于一次泵定流量系统的改造，施工较容易，将冷冻水的送回水温差控制在4.5～5℃。
　　PLC通过温度传感器及温度模块将冷冻水的出水温度和回水温度读入内存，根据回水和出水的温差值来控制变频器的转速，从而调节冷冻水的流量，控制热交换的速度。温差大，说明室内温度高，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度以增加流量，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度以降低流量，减缓热交换的速度，达到节能的目的。
　　（3）冷却水系统的控制方案也采用定温差控制方法，因为冷却水系统定温差控制的主机性能明显优于冷却水出水温度控制，将冷却水的进出水温差控制在4.5～5℃。
　　（4）由于冷却塔风机的额定功率为4KW，比较小，故不考虑对风机进行变频调速。
3、节能改造控制系统的设计(以冷却水泵为例)

（2）控制系统的I／O分配及系统接线
①I／O分配
　　根据系统控制要求，选用F940GOT-SWD触摸屏，触摸屏和PLC输入、输出分配如下：
　　X0：变频器报警输出信号； M0：冷却泵起动按钮； M1：冷却泵停止按钮；
　　M2：冷却泵手动加速； M3：冷却泵手动减速； M5：变频器报警复位；
M6：冷却泵M1运行； M7：冷却泵M2运行； M10：冷却泵手／自动调速切换；
　　Y0：变频运行信号(STF)； Y1：变频器报警复位； Y4：变频器报警指示，
　　Y6：冷却泵自动调速指示； Y10：冷却泵M1变频运行； Y11：冷却泵M2变频运行。
　　数据寄存器D20为冷却水回水温度，D21为冷却水出水温度，D25为冷却水出回水温差，D1001为变频器运行频率显示，D1010为D／A转换前的数字量。
（3）编制程序
控制程序主要由以下几部分组成：
　　①冷却水出进水温度检测及温差计算程序
CH l通道为冷却水进水温度（D20），CH2通道为冷却水出水温度（D21），D25为冷却水出进水温差。
冷却水出进水温度检测及温差计算程序
五、系统改造完成后的调试事项
　　经过一个多月的紧张施工，广州景星酒店的中央空调系统节电改造工程终于完工了，接下来是对改造后的中央空调系统进行调试：
　　1、整改设备安装完毕后，先将编好的程序写入PLC，设定变频器参数，检查电器部分并逐级通电调试。
　　2、投入试运行时，人为地减少负荷，观察流量是否因频率的降低而减小，并找到制冷机报警时的最低变频器频率，以及流量降低后管道末端的循环情况，使变频器工作在一个最低的稳定工作点。
　　3、用温度计及时检测各点温度，以便检验温度传感器的精确度及校验各工况状态。

六、应用效果
1 安全可靠性和节能效果
　　中央空调系统通过实施节能改造后，实际运行结果表明：
（1） 行安全、稳定、可靠，功能指标到达设备技术要求；
（2）观、自动化程度较高，能及时、准确地自动跟踪末端空调负荷运行；
（3）现了空调泵组的软启动、软停止、运行平滑稳定，较大地改善了设备的启停性能和运行磨损；
（4） 中央空调系统最大限度的节能，系统综合节电率达24.89%。

2 节能效益
　　节能改造前，中央空调系统年耗电160万kWh，电费172万元。
实施节能改造后，每年节约电量为：160万kWh ×24.89%=40万kWh，每年减少电费支出为：40万kWh ×1.08元/kWh =43万元人民币（按照双方共同测试的系统综合节能率24.89%，综合电价1.08元/kWh计算）。

七、结束语
　　改革开放以来，广州地区经济发展迅速，城市建设突飞猛进，各类的高档酒店、宾馆、大型商场等商业建筑物大量兴建，中央空调能耗已成为商业建筑设计和运营过程中急待解决的重要课题。先进节能技术的成功引入和推广，为各行业客户带来巨大的节能经济收益和社会效益，同时也必将推动我国节能投资机制的深入变革，为节能产品在建筑节能领域的推广和应用提供良好的发展前景。
参考文献
[1]《中央空调》何耀东 何青主编，冶金工业出版社，2001
[2]《变频调速技术》汪临伟主编，电子工业出版社 2003