中央空调系统变频节能改造控制技术的分析与实现.doc

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1、 中央空调系统变频节能改造控制技术的分析与实现 国民经济发展和人民生活水平日益提高，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域，宾馆、酒店、写字楼、商场、住院部大楼、工业厂房中央空调系统，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、盘管风机系统等容量大多是建筑物最大制冷、制热负荷或新风交换量需求选定，且留有充足余量。没有使用具备负载随动调节特性控制系统中，季节、昼夜和用户负荷怎样变化，各电机都长期固定工频状态下全速运行，尽管有系统采用了闸阀档板节流方式，但其能量浪费仍是显而易见。近年来电价不断上涨，造成中央空调系统运行费用急剧上升，致使它整个大厦营运电费成本中占据越来越大比

2、例，电能费用控制显然已经成为经营管理者所关注问题所。据统计，中央空调用电量占各类大厦总用电量60%以上，其中，中央空调水泵耗电量约占总空调系统耗电量2040%，故节约低负荷时主压缩机系统和水泵、风机系统电能消耗，具有极其重要经济意义。，负荷变化而自动调节变化变流量变频中央空调水泵、风机系统和自适应智能负荷调节主压缩机系统应运而生，并逐渐显示其巨大性能优越性和经济性，到了广泛推广与应用。采用变频调速技术能提高系统自动化控制水平，使中央空调系统达到更加理想工作状态，更重要是能给用户带来良好投资回报。作者曾先后成功完成了联合国工业发展组织全额投资上海新亚制药厂中央空调机组冷却循环水系统、上海东方航空

3、宾馆中央空调系统冷媒循环水和冷却循环水系统、上海市中医院住院部大楼中央空调系统冷却循环水和冷媒循环水系统等多项中央空调系统变频节能改造项目，并曾为众多用户进行中央空调系统节能改造做前期工况调研、可行性方案论证及系统规划设计。业已实施项目中，各项目节电率均高达30%以上，有系统节电率高达60%。下面就以具有典型结构特征中央空调系统为例，来表述变频节能改造控制技术中央空调系统中节能指标预测方法与自动化控制过程实现方法，以期供用户实施中央空调变频节能改造时作为对比参考。2 中央空调系统工作原理与一般组成结构中央空调技术实际上是人工制冷技术一种典型系统性应用，当前，人工制冷技术按其补偿过程不同可主要分

4、为蒸汽压缩式、吸收式、蒸汽喷射式、吸附式四种方法，其中，被广泛应用中央空调系统制冷方法主要有两种：（1）蒸汽压缩式制冷循环对制冷剂压缩、冷凝、节流、蒸发、吸收等过程来利用制冷剂液相与气相之间相变所产生热交换实现制冷目，如上海合众-开利空调设备公司19XL（HCFC22制冷剂）或19XR（HFC134a制冷剂）系列封闭型离心式冷水机组、约克国际北亚有限公司YK/YT系列离心式或YS/YCWS系列螺杆式冷水机组；（2）吸收式制冷循环 使用两种沸腾点差距较大物质组成二元溶液（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），利用溶液一定条件下能析出低沸点组份蒸汽，而另一条件下又能吸收低沸点

5、组份蒸汽这一特性由制冷机系统采用热能驱动，发生、冷凝、蒸发、吸收4个过程来完成制冷循环，如江苏双良空调设备有限公司SLAA060AS/SLAA060AT溴化锂-水溶液吸收式制冷机组、重庆通用工业公司KF140X10 氨-水溶液吸收式制冷机组。目前，中央空调系统中制冷压缩机以速度型离心式压缩机和以容积型螺杆式或活塞式压缩机应用最为普遍。以蒸汽压缩式制冷循环为例，撇开其具体形式上区分，中央空调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1a中，制冷压缩机将来自蒸发器中低温、低压制冷剂气体(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、高压气体冷凝器中与冷

6、却循环水进行热交换（冷却循环水带走介质排放热量）变为高温、高压液体(一般为2532)流向节流膨胀阀，再膨胀阀节流、降压来实现高温、高压液体向低温、低压液体状态转变，压力突然降低，有一部分制冷剂瞬间蒸发为气体，即用膨胀阀节流作用来实现类绝热膨胀过程，低温、低压液体蒸发器中与冷冻循环水充分热交换（吸收冷冻循环水热量）后达到蒸发汽化目，此时制冷剂又回到低温、低压气体状态为制冷剂再循环过程做准备。同时也应看到当压缩机抽取制冷剂气体同时,也降低了蒸发器压力,使蒸发器内其余制冷剂相当低温度下大量蒸发汽化。图1b中，A-B-C-D分别表示了无温差传热逆卡诺循环绝热压缩、等温压缩、绝热膨胀、等温膨胀四个理想过

7、程，而实际上制冷压缩循环是如图1c所示具有温差传热现象逆卡诺循环，图中阴影部分表示与环境介质（如冷却水、冷冻水等）进行热交换时所存温差效应现象。我们知道三种热传递方式：传导、对流和辐射中，压缩机采用哪种形式制冷循环技术，其所有冷热流体之间热传递方式均主金属管壁与流体之间对流换热及壁导热来完成传热过程。换热量计算方程：Q=KAm (1 )其中：Q为换热量（W），K为换热系数（W/m2.K），A为换热体面积（m2），m为冷热流体间相对流向密切相关平均换热温差（）。由公式（1）可知，特定中央空调系统而言，其中参数K和A是固定，我们不改变其物理结构状态和特征情况下，可有效控制冷热流体间换热温差来达到获

8、取最大换热量目，即按需求变化供应环境介质量，而过分满足，这也就是我们对系统进行变频控制基本可行性依据条件之一。人工制冷技术和机械加工技术发展，目前，制冷压缩机技术到了充分发展，大多数制冷压缩机生产厂家均不同程度对压缩机控制采用了负荷随动功率输出调节技术，如：上海合众-开利公司19XR系列离心式冷水机组所采用线性浮阀节流装置，使制冷量与负荷变化动态匹配适合极低系统负荷下运行工况，避免了不必要热气旁通带来能效比下降现象；有厂家还采用了变频调速控制技术，如：约克国际北亚YT/YK系列离心式冷水机组所配置自适应容量控制变频驱动装置（VSD），使非额定工况下机组能效比高达0.2kW/USRt，年节能可达

9、30%以上。，本文将主要研究重点放对中央空调系统水系统与风系统节能空间，以期进一步获最大化投入与产出比收益。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 中央空调系统工艺结构流程图其中，压缩机系统通常至少包括主压缩电机、蒸发器、冷凝器、节流阀四个基本部分和为提高运行经济性、安全性而设立油分离器、气液分离器、贮液器、中间冷却器和浮子调节阀等辅助设备装置。从控制角度看新风系统与中央空调系统其他部分具有相对独立性，图2未表示出新风系统工艺流程

10、结构。图2中低温冷冻水被送到各楼层盘管风机系统盘管（冷或热交换器）中吸收盘管周围空气热量，产生低温空气由盘管风机吹送到各楼层冷/热送风母管中，再由各房间风幕风机调速实现各房间控温目。冷却循环水系统将常温水冷却水泵泵入冷凝器热交换盘管后，再将这已变热冷却水送到冷却塔上，由冷却塔对其进行自然冷却或冷却塔风机对其进行喷淋逆流式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水变回常温，再循环使用。冬季需要制热时，中央空调系统仅需要冷热水泵（夏季称为冷冻水泵）将常温水泵入蒸汽热交换器盘管，与蒸汽充分热交换后再将热水送到各楼层风机盘管中，即可实现向用户提供供暖热风。热水泵向各个房间供给热水总流量是安装热水供水

11、总管于回水总管上温度差来决定。热交换器PID温控器电动调节阀VA1来控制进入热交换器蒸汽流量来实现对热交换器热水出水温度恒定控制达到供热目。正确理解中央空调系统各个部分作用与工艺流程结构，实现变频节能改造至关重要，从因果关系角度上看，冷媒循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统均是制冷压缩机系统从动系统。当制冷主压缩机系统实际需求负荷发生变化时，对冷媒循环水、冷却循环水需求量和盘管风机鼓风量及冷却塔冷却风量也发生相应变化，正因如此，我们才有实现节能改造目标可能和必要依据条件，才能从真正意义上实现动态“按需分配”控制目标可能。3 中央空调系统各部分节能调节原理中央空调系统按负载类

12、型可将其分为两大类:(1) 恒转矩负载如螺杆式或离心式制冷主压缩机系统压缩机负载，它对轴输出转矩具有最小值限定需求，其转速与功率关系也近似表现为线形特征；(2)变转矩负载如冷却循环水系统、冷媒循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等风机、水泵类负载，它们对轴转矩没有严格需求，其轴功率与转速具有显著立方关系特征。不同负载类型具有不同转矩、功率关系特性，应区别对待加以应用技术研究。3.1 制冷压缩机节能调节原理压缩机本身是一套复杂机电一体化系统设备，带导叶片组定速运转状态下离心式压缩机而言，其容量调节是导叶执行电机带动导叶片组角度变化来实现制冷剂流量变化而带来制冷能力变化，达到调节制冷量目，当导

13、叶片组处于关闭变化时，压缩机吸入制冷剂量减少，压缩机处于卸载过程状态，相反，当导叶片组处于开启过程变化时，则压缩机处于加载过程状态。导叶控制装置不断驱动导叶组电机调节导叶片组开度变化，直到压缩机制冷量促使冷冻水实际温度约等于设定温度。离心式这种速度型机组，通常采用限定导叶片组开度变化范围与降低压缩机转速相结合方法，对当前运行工作点自动测定，来选择容量调节模式，实现低负荷状态下最佳运行效率控制，该容量调节模式选择利用可以实现电能节约，也可以全容量调节范围（15%100%）内精确预测出喘振区，避免离心式机组常见故障喘振现象发生。喘振曲线函数获一般由机组厂家提供，也可以对机组不同负载点压头试验取一组

14、离散坐标点，利用最小二乘法算法进行数据拟合，便可以近似求出该机组喘振曲线函数。需要指出是通常转速调节对离心式制冷机功率节约贡献一般小于10%，这也是当前条件下变频调速技术制冷压缩机上未能以广泛应用主要原因。而螺杆式压缩机其轴功率与排气量存以下关系：Ptot60（m1n1V1+ m2n2V2）C ( 2 )其中，V1 、V2为阳螺杆与阴螺杆之间一个齿槽齿间容积；m1 、m2为阳螺杆与阴螺杆之间齿数；n1 、n2为阳螺杆与阴螺杆之间转速；C为扭角系数。转子扭转角对吸气容积影响程度，由公式（2）可见螺杆压缩机功率调节可以减少螺杆有效长度常用滑阀调节方式和降低螺杆转速常用变频调节方式来实现。其中常用滑

15、阀调节方式是检测制冷剂高低压压差大小来决定滑阀是向排气端移动来减少排气量，向吸气端方向移动来增加排气量。为防止排气端轴向排气孔与工作容积连通形成高压气体倒流现象发生，通常将最小排气量限定10%左右，螺杆压缩机功率输出可以10%100%范围内实现无极调节。经验数据表明，当螺杆压缩机负荷50%以上时其功率与负荷成线性正比关系，而低于40%负荷时其实际消耗功率远大于线性理论计算功率，这也正是采用变频技术时不能全负荷变化区间均获理想节能效果原因，使变频控制技术应用受到投入与产出性价比困扰。由以上分析可见，就中央空调制冷压缩机而言，除因压缩机本身业已采用了自动能量调节方式外，其恒转矩特性所表现功率与转速

16、（或流量）之间近似线性关系也限定了变频调速技术获取节能空间幅度，出于节能改造性价比考虑，一般不建议对制冷压缩机进行变频节能改造。3.2 风机、水泵节能调节原理变转矩负载类型，我们知道风机、水泵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，它们之间关系曲线如图3所示。由公式3可知，变转矩负载转速（或流量）与轴功率存3次方关系，通常负荷经常变化场合可以获理想节能效果。图3 流量、扬程、功率三者间关系曲线图图3a中，曲线a1表示工频定速运行时H

17、-Q关系，曲线ax表示低于额定速度下变频运行时H-Q关系，从图3a中可以看出，管网阻尼随扬程降低而减小。曲线R1和R2表示不同流量下管网呈现阻力特性，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)表明供给水量减少管网阻力损失也呈2次方下降趋势，也降低了系统功率消耗。图3b中给出了不同流量需求下，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70%，那么，扬程将下降到额定值50%，同时，轴输出功率下降到额定值35%。满足系统基本扬程需求情形下，若系统流量需求减少到额定流

18、量50%时，变频控制方式下，其扬程将下降到额定值25%，其对应输出功率仅约为额定功率13%。公式3为实施变频节能技术改造提供了理论上可行性保障空间。那么，如何去判断系统是否具有节能潜力就显十分重要。判断依据应来自两个方面：首先是泵本身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表现出温度差或压力与机组标准指标之间偏差程度。，应实时采集各个测量点数据，结合泵能力决定对泵所实施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，就可以判定系统存流量过剩现象，就可以减少泵出口流量，但必须注意此时泵出口扬程也将呈现2次方特性下降，为保障水流畅通，避免出现“闷泵”或“断流

19、”现象，泵转速应限定一定值以上，这个下限转速（对应最低供给流量）可以对以下两个方面综合判断来决定。(1)扬程富裕度判定泵出口扬程等于泵入口扬程与泵泵生扬程之和，即： H出=H静+H动 （5）其中,H静为泵入口静压;系统中表现为管网垂直落差高度形成压力;H动为泵净升扬程，是泵动能转化为水势能形式，额定转速下H动就是泵标称额定扬程。冷冻循环水系统，H静是相对固定值，H动作用就是要保证冷冻循环水管网中能够水流循环就可以了，为此，它主去消除水管网中流动时所产生阻力损失。假定泵额定扬程为32m，额定流量下管网阻力为0.15Kg，那么，该泵扬程富裕度高达50%，若采用变频调速驱动，公式(3)可知，泵只需要

20、70%额定转速即可满足此时扬程需求，而此时泵功率消耗仅约为额定值35%。(2)流量富裕度判定通常流量富裕度判断是依据进出水温差作出，假定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，冷冻循环水实际需求量仅为供给量3/5=60%，使用变频调速时，泵实际转速达到额定转速60%即可满足需求，此时泵能耗仅约为额定能耗22%。多余供水量浪费能源，也热交换不充分原严重削弱了系统制冷效果。以上判定，若两者对泵下限转速计算结果不一致，为保障系统对流量和扬程最低需求同时满足，泵变频速度控制依据应选择对应频率较大值作为此时控制调节运行频率下限。4 中央空调系统现状分析与

21、改造方案构造现代楼宇建筑物中，通常使用中央空调系统（不包含蓄冷储冰式、VRV系统末端制冷剂直接制冷系统等）一般其各项额定指标为：冷冻循环水标准进出水温度为：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，用于采暖热水进出水温度为：50/60。系统设备容量选型、不同季节、不同时间负荷变化等因素影响，实际投入运行中央空调系统基本上没有与标准指标相一致情况，大多数系统都不同程度存着温差偏小、扬程过高、流量过大等现象，这些现象存再次为我们实施节能技术改造提供了节能空间保障。为便于具体分析，现以某省立医院住院部一套中央空

22、调系统现状为实例，对其各个部分进行逐项分析。该医院中央空调系统位于下一楼，其系统结构布局类同图2所示，大楼上高度为40m，冷却塔位于上15m高度。历史记录，空调系统全年运行时间大致分布为：夏季供冷运行5个月，平均每天运行16h；冬季供热运行4个月，平均每天运行18h；盘管风机全年运行9个月，平均每天运行17h。为便于下面计算，假定系统热量需求运行期间均匀分布（实际系统运行期间负荷服从类正态分布）。该医院用电价格为0.8元/kWh。对该系统进行现场考察所获数据如下：4.1 中央空调系统现行运行工况数据与分析(1) 冷冻循环水系统现状分析（共3台电机水泵）标称数据： a电机 37kW 380V 5

23、0Hz 接法 72A 1470r/min b水泵 额定流量187m3/h 额定扬程44m运行数据： 2台运行1台备用，电机实际运行电流60A64A，水泵运行时出口压力0.800.85MPa，冷冻循环水进出水温度：10/7。冷冻循环水系统采用进出水管道并联形式工频运行，冷冻循环水管网最大高度落差为40m左右，管网额定流量下阻力小于0.2Kg，故冷冻循环水泵出口处压力能够达到60m扬程就可以满足冷冻水循环需要。冷冻循环水其落差静压为40m左右，实际上冷冻循环水泵仅需要提供20m左右净输出扬程即可满足系统对扬程基本需求。额定扬程为44m冷冻循环水泵来说，其实际需要扬程仅为其额定扬程45%。显然，单从

24、扬程需求角度看可最大节约功率约为：Ph =70%。另也可以证明冷冻循环水泵实际输出流量过剩现象，当前冷冻循环水进出水温度为： 10/7，对应温差T13.0，与冷冻循环水标准进出水温度参考值：12/7.0，其对应温差T2=5相比，实际温差约为标准允许温差60%，此时单从流量需求角度看可最大节约功率约为：PQ =78%。以上工况数据分析可知，该冷冻循环水泵该工况点状态下，最大可节约率约为（与额定值相比）：Pmax=Umin（Ph ，PQ）= Umin（70% ，78%）= 70%此工况下工频运行实际消耗功率约为：P工实=62A/72APe =0.8637kW32 (kW)即工频状态下消耗功率仅约为

25、其额定功率86%。该工况点下，实施变频节能改造后可节约功率约为(与工频状态相比)：P节 =1-0.3/0.8665%。假定冷冻循环水其运行期间负荷时间变化服从线性均匀分布，对此负荷时间分布线性函数求积分，那么，冷冻循环水系统改造后平均节约功率可达41%。实际上系统运行期间其负荷时间分布规律服从类似正态特性，可以肯定说改造后实际节能效果将大于41%。当然，精确系统节约率指标还受到各负荷点分布规律和工频状态下实际消耗功率、变频控制系统效率、电机和水泵效率等因素影响，此就不再做进一步计算。实践表明，按此方法获节约率估算值一般与实际节约率值偏差小于5%。正是压力与流量过剩作用使水流过速、热交换温差偏小

26、，可以降低冷冻循环水总供应流量来实现向标准温差参考值靠近，达到节约能量目。对实际运行工况考察时，不能够简单依据电机运行电流大小来判断，若只简单从冷冻循环水系统电机实际运行电流来看（额定电流为72A，实际运行电流60A64A），就会发出没有多少节电空间错误判断。总之，应实际运行工况点数据做依据，利用变频驱动装置，把系统富余流量、扬程节省下来，使系统工作耗能最少最佳工况下（扬程和流量均无多余状态下），达到既满足系统需求又使能耗最少目。(2)热水循环水系统现状分析标称数据： 同冷冻循环水泵（略）运行数据： 2台运行1台备用，电机实际运行电流60A64A，水泵运行时出口压力0.800.85MPa，蒸汽

27、热交换器进出水温度：55/60。本案例系统冷冻循环水泵与热水泵是共同使用，热泵系统单从对扬程基本需求上可节约功率约为：Ph =70%。热交换器实际温差T1=60-555.0，与热水标准进出水温度参考值：60/50，其对应温差T2=10相比，实际温差约为标准允许温差50%，此时单从流量需求角度看可最大节约功率约为：PQ =87%。该热循环水泵此工况点状态下，最大可节约率约为（与额定值相比）：Pmax=Umin（Ph ，PQ）= Umin（70% ，87%）= 70%此工况下工频运行实际消耗功率为：P工实=62A/72APe =0.8637kW34 (kW)即工频状态下消耗功率仅约为其额定功率86

28、%。那么，该工况点下，实施变频节能改造后可节约率约为(与工频状态相比)：P节 =1-0.3/0.8665%。假定热循环水负荷时间变化服从线性均匀分布，对此负荷分布线性函数求积分，供热循环水系统改造后平均节约功率约同样可达41%。(3)冷却循环水系统现状分析（共4台电机水泵）标称数据： a电机 45KW 380V 50Hz 接法 83A 1480r/min b水泵 额定流量320m3/h 额定扬程32m运行数据： 2台运行2台备用，每台电机实际运行电流：70A，泵运行出口压力0.25MPa0.28MPa，冷却水进出水温度：28/31。冷却循环水系统采用进出水管道并联形式工频运行，冷却塔位于15m

29、楼面平台，冷却塔与冷却水泵垂直落差为15m+4m=19m，冷却循环水系统静压约为：H静0.20MPa，考虑到冷却循环水系统管网阻尼和冷却塔逆流冷却所需要喷射压头，实际冷却循环水泵需要输出扬程应小于0.25MPa， 即冷却循环水泵需要净输出扬程为：H动0.10MPa，仅为其额定扬程30%，显然，单从扬程需求上看其可节约功率约为：Ph =83%。再从冷却循环水系统实际需要流量角度来分析，当前冷却循环水系统进出水温度为：28/31，其对应温差T13.0, 与冷却循环水标准进出水温度参考值：30/35，其标准允许温差T2=5相比，实际温差约为标准允许温差60%，同样，但从流量需求角度，具有约为PQ =

30、78%节约空间。综合扬程与流量可节约空间，该冷却循环水系统该工况点下最大可获节约率为（额定值相比）：Pmax=Umin（Ph ，PQ）= Umin（83% ，78%）= 78%此工况下工频运行实际消耗功率为：P工实=70A/83APe =0.8445kW38 (kW)即工频状态下消耗功率仅约为其额定功率84%。那么，该工况点下，实施变频节能改造后可节约率约为(与工频状态相比) P节 =1-0.22/0.8474%。假定冷却循环水负荷时间变化服从均匀分布，对此负荷分布线性函数求积分，那么，冷却循环水系统改造后平均节约功率约可达46%。(4) 冷却塔风机系统现状分析（共3套冷却塔，每套2台电机风机

31、）标称数据：电机 7.5kW 380V 50Hz 接法 15A 2940r/min 风机 额定风量12000m3/h 额定风压800Pa运行数据： 2套运行1套备用，由皮带传动减速带动风扇运行，实际运行电流约13A。15m楼面平台上有3套相对独立冷却塔风机系统，每套各有功率为 7.5kW冷却风机2台。采用直接启动方式下工频定速运行。当前2套4台冷却塔风机均运行，系统缺少有效冷却效果检测，没有充分利用自然冷却状态下节约电能机会，导致冷却塔风机处于两种极端状态：全速运转、人工停止运转。尤其自然环境温度较低春、秋、冬季，人工操作不能及时响应冷却塔出水温度变化而启停风机，造成因操作管理上带来能量极大浪

32、费现象。改造时，对每套冷却塔实施以进水温度35为风机起始运行点，以30为停止运行点，3530温度区间作为风机频率调节依据，实行温度PID变风量调节。经实际运行测试，变风量控制方式下能耗仅为工频启停控制方式60%左右（以下仅按40%节约率计算），变风量控制完全规避了人工启停工频运行方式下因操作无实时性或管理不完善造成不必要能量浪费现象。环境温湿度和冷却塔进水温度不可精确预测性，从严格意义上说，冷却塔风机单位时间内准确能耗也无法预测。但大量典型中央空调系统节能改造案例统计数据表明，成功中央空调系统节能改造实现后，其冷却塔风机系统节能率均40%以上，某些含有大容量冷却塔蓄水池装置冷却塔系统则可达到6

33、0%以上。(5) 盘管风机系统现状分析（共40个病房，每房间1套盘管风机）标称数据： 电机 0.40kW 220V 50Hz 接法 2.4A 2960r/min 风机 额定风量1800m3/h运行数据：风机采用高、中、低三速开关工频供风运行，实际运行电流：1.2A2.3A，各房间实际温度冬季1522之间不等，实际送风量Q11450 m3/h.，理想送风量Q2950 m3/h。盘管风机空调系统属于半集中式、空气-水式系统，它主要由直接安装空调房间盘管换热器、新风电动机、风机、空气过滤器、凝结水器等组成。盘管风机系统是同时使用水和空气作为室内负荷热量传递介质系统，但室内大部分主要冷、热负荷是由盘管

34、中冷媒水或热媒水来承担，风机主要负担向室内提供一定新风量，以满足房间卫生换气需求，实际需求风量不大，新风管道尺寸也较小，应用较为普遍。风机运行后可将室外干净空气空气过滤器吸入机组，经盘管冷却或加热后送入房间，达到输送新风同时，承担一部分制冷或制热负荷。原盘管采用恒流量供水方式，而原新风机由人工三档调速开关工频启停控制风机运行。原系统缺乏对房间温度直接自动检测与跟踪控制，造成房间温差变化较大，过量新风量加剧了房间温度波动，存严重吹风感觉，浪费冷量和风量能源，也使房间舒适度降低。改造时加装变频器，依据房间温度波动变化（对盘管进出水温差检测）对流过盘管内冷热媒水流量实时控制，达到房间温度恒定目。同时

35、房间温度变化偏差大小来实行变频变风量（变化范围为：700m3/h1000m3/h之间）自动调节速度控制。经变风量调节运行测试，每房间日平均需求风量约为改造前风量70%以下，实施变风量改造后，房间温度冬季可稳定控制171，与工频消耗电量相比，其日平均节约电能为80%，相当其额定功率60%以上。改造后房间噪声也明显到了改善。(6) 循环水系统管网清洗系统已运行多年，为减少循环水管网中流动时总体阻尼损失，项目改造完成后我们建议用户对管网和热交换器部件进行清洗，获更大节能效果。需要注意是，以上节约功率计算均是建立对同一工况点上，工频运行时实际消耗功率与变频调速运行时两者之间对比，而变频运行消耗功率与电

36、机额定功率之比获节电率。这一点很重要，否则会带来实际节电效率与预测节电效率不相符合结果，进而导致投资收益预测先天不足或失败。由此，也应该看到若要准确对中央空调系统整个运行期间节电率作出正确估算，就必须全面且充分掌握和分析整个运行周期工频运行工况、历史负荷变化分布规律、全年运行时间等相关数据。片面或不完整历史数据依据，必然导致节能指标预测巨大偏差或失误。4.2 中央空调系统变频节能改造控制系统方案构造 对中央空调系统进行控制系统总体方案设计时，我们依据用户要求对系统中各个部分做了一个集中式集成化全自动无人监守控制设计，同时，提供了与楼宇BAS控制系统相互通讯串行接口。为最大限度获节能效果，对风机

37、、水泵控制均采用了“一控一”变频控制方式，这增加了一次性改造成本，但从长期投资收益效果角度看是值，具体控制系统方案结构如图4所示。(1) 控制系统硬件结构组成控制系统设计安全可靠、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。图4中，控制系统硬件主要由上位机IPC或人机界面HMI、PLC、变频器、低压电器、压力变送器、温度变送器、开关阀、调节阀等设备组成。其中，PLC、变频器、低压电器设备选用韩国LG公司生产产品，压力变送器选用中美合资山东淄博先行测控仪表厂产品，温度变送器选用上海自动化仪表四厂产品，开关阀、调节阀由用户提供。各主要部件功能为：PLC部件它主要由电源模块、CPU模块

38、、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。它是系统核心部分，负责控制系统各个子系统命令动作执行与监视、数值处理与计算、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硬连接功能，实现硬接线线路可靠、正确连接；变频器接受来自PLC控制命令和运行频率指令，实现变频变压输出，达到调节电机转速目；压力/温度变送器对现场循环水进行压力、温度检测，将这些工艺数值，变换为标准DC420mA标准信号送到PLC模拟量输入模块进行相应数值处理与计算；上位机IPC或人机界面HMI上位机IPC由PC机

39、和组态软件构成，它完成系统各工艺参数设定、控制命令发送、状态监视、过程数据与历史数据记录、报警与故障报警、报表生成与打印等功能。若使用人机界面HMI来代替IPC大多数功能可以实现，比较经济；开关阀和调节阀开关阀接受启停接点信号去开启或关闭管道通路，是一种两位状态设备。调节阀接受PLC输出DC420mA标准模拟量信号完成对应开度变化，达到可连续调节管道开度目。(a) 控制系统方案结构图1(b)控制方案结构图2图4 控制系统方案结构图4.2.2 控制系统软件功能与实现整个集成控制系统软件由两个部分组成，即PLC软件和上位机软件，PLC软件中分别对各个部分做了详尽控制编程设计，按不同控制对象和作用将

40、各部分软件主要功能描述如下。其他功能，诸如：手动自动方式选择、变频故障自动更换备用泵或工频自动投运、供冷和供热循环方式选择识别、故障与报警处理、负荷均衡轮值运行等功能都做了仔细设计，将不再逐项描述。(1)冷冻循环水部分冷冻循环水系统运行主要依据蒸发器进出水温度差来决定流量增加。夏季供冷期间，当进出水温度差小于标准允许温差值时，应减小变频器输出频率，即时降低水泵运行速度减少流量，使实际检测温差值逼近标准温差允许值，但泵速度减少时，应考虑能够保证冷冻循环水管网中顺畅流动，应设定一个对应泵转速低限（变频器输出频率低限），此速度下变频器输出频率将不再降低；相反，当实际温差大于标准温差时，应增加变频器输

41、出频率，即提升泵转速增加水流量；当变频器输出频率达到48Hz后(此时功率约为0.95Pe)，若实际温差仍偏大时，就需要再投入另一台泵变频并行运行，此时两台泵并行运行频率初始给定值定为（50Hz/2）1.128Hz，此2台泵运行时输出流量已大于单台泵流量，但此时2台泵累计消耗功率仅约为0.35 Pe，从这一点看，2台同时变频运行要比1台工频加1台变频方式更能节约电能，设计系统时全部采用了“一控一”方式，而没有采用“一控多”方式。2台泵温差值以相同频率同时升速或降速运行时，若温差仍偏大，则以相同方式再投入第三台变频运行。当2台或3台泵同时变频运行且实际温差比标准温差小时，应降低变频器输出频率以减小

42、泵输出流量，当频率减小到输出频率下限时（本系统设定为20Hz），若仍存温差偏大现象时，控制系统将自动停止最早投入运行1台水泵（即按先入先出调度策略实施增减泵动作），而继续降低输出转速，剩下泵再温差偏差自动调节流量运行。 (2)热泵循环水部分冬季供给热水时，热泵将依据蒸汽热交换器实际进出水温差大小来决定出水流量大小，使出水温度恒定标准设定值上。当热泵流量调节能力达到泵额定流量且进出水温度差仍然偏大时，可减小热交换器蒸汽调节阀来达到目；若热泵热水流量调节能力已经减少到最低流量下限规定值且进出水温差仍偏小时，同样可增加蒸汽调节阀开度来达到进出水温差值恒定目。这种附加调节蒸汽供给量方法，可以使温差值控

43、制更加稳定、有效，也有利于对锅炉供热（供蒸汽）能源节约。(3)冷却循环水部分冷却循环水系统运行原理与冷冻循环水系统运行原理基本一致，两者本质差异：当冷凝器进出水温差大于标准允许温差时应增加流量，正好与冷冻循环水调节方向相反。具体流量调节过程略。以基准压力需求为下限，以温差值作反馈闭环控制原理如图5所示。图5 闭环调节控制原理图图5a中,以基准压力需求作为双闭环内环来限定流量输出调节下限依据，以实际进出水温度差与标准允许温差偏差值作为外环来决定每次流量调节幅度大小和单位时间内流量调节频度依据。图5b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变化比例关系。(4)冷却塔风机部分冷却塔

44、风机启动运行是冷却塔实际出水温度（为T0）是否满足出水温度设定值（T1=28）和冷却塔进水温度设定值（T2=32）共同要求来决定。为此将控制分为4种情况来决定风机运转方式：当T0T1且T232时，全部风机以变频器当前输出频率方式运转。该状态仅出现对制冷机突加负载过程中，负载不再发生剧烈变换时，该状态将发生迁移；当T0T1且T232时，全部冷却塔风机逐步减速到运行频率下限（20Hz），若该温度现象仍然存持续一段时间后，全部风机将停止运转。此状态多发生环境温度较低冬季；当T0T1且T232时，全部风机以变频器最大输出频率（50Hz）方式额定速度运行。若该温度现象全部风机额定速度运行一段时间后仍然存

45、，首先增加运行冷却塔系统风机套数，然后考虑适当增加冷却循环水流量来解除此现象持续存，维持冷凝器安全运行需求；当T0T1且T232时，此现象多数是由状态C迁移而来，首先应适当增加风机运行频率（但一般不作增加开启风机台数处理），然后冷却水流量增加该状态将会自动迁移到状态b情形，然后冷却塔风机控制系统将按状态b情形作变风量调节运行。一般说来，出现T232情形多是冷凝器负荷突然增加所致，需要冷却循环水冷却水量和冷却塔风机冷却风量共同配合来完成，而T0T1情形是前一段时间内冷却塔风机冷却风量不足造成，需要适当增加冷却风量来解决。盘管风机部分新风机运行主要依据房间温度实际值与设定值之间偏差大小来调节出风量

46、变化范围，应用离散化快速型PID调节原理，构造一个实时响应、快速跟踪变化闭环温度控制算法，保证温度基本恒定目同时，最大限度实现房间新风量供应。温度变化存时滞性特点，闭环控制中加入了对温度变化趋势前馈补偿控制算法，对逼近设定值附近（T0.2)温差区域不进行风量调节。PLC通讯程序主要接受来自上位机IPC或人机界面HMI各种启停控制命令、工艺参数设定值、运行方式选择命令等，同时向上位机IPC或人机界面HMI传送执行元件工作状态、现场实际温度/压力测量值等，准确高速、稳定可靠数据传输，实现对控制系统各个部分实时监督与控制功能。上位机组态软件监控应用程序（使用HMI方式时仅具备某些基本功能）上位机监控

47、软件采用组态王256点组态开发运行软件平台，监控画面主要完成：冷冻循环水泵进出口压力值和温度、热泵循环水进出口压力和设定值、冷却循环水进出口压力和温度设定值、冷却塔进出水温度值、盘管风机进出口温度和房间温度等参数设置，设备运行状态监视、工艺过程参数（温度、压力测量值）实时记录与显示、报警记录与历史数据记录、报表生成管理与数据日志打印等功能。4.2.3 控制系统与楼宇自动化系统BAS集成为与楼宇自动化系统BAS相集成，对PLC硬件设计时单独设立了一个串行通讯接口，我们也将PLC采集各种过程工艺参数（包含接点型状态和模拟量数值状态参数）全部集中映射存放一个内存区域，BAS调用监视，同时PLC程序设计时把BAS可能要发送控制命令也嵌入到程序指令中去，将来可以顺利接入运行。5 变频节能改造效果估算与投资收益分析5.1 控制系统节能改造收益估算依据第4节分析结