中央空调节能控制设计

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绪论

1.1前言

各类建筑物中，大量采用先进设备和相应配套设备而成的中央空调系统已

成为现代化建筑技术的重要标志之一，是现代建筑创造舒适高效的工作和生活

环境所不可缺少的重要基础设施。对这些设备的设计、安装和运行管理不仅直

接关系到业主和用户的根本利益，而且也关系到对部环境的保护。

1.2改进中央空调节能控制的重要性

随着我国经济建设的发展，中央空调更加普度，对中央空调能耗问题的研

究就日益重要。在智能建筑中，集中空调系统的监控点数量常常占全楼监控点

总数的 50％以上，其能耗常常占全楼总能耗量的 5o％以上。由此可见，中央空

调系统在现代建筑中是极其重要性

1.3改进中央空调节能控制的目标

对空调系统能耗的研究要实现的目标是，如何在创造良好室内小环境的前提下利用能源，

达到对外部大环境的最小破坏.以实现可持续发展的长远目标。该研究是一个非常广泛的课

题.涉及许多学科。本文从工程“寿命周期(circle     life)”的观点，从工程现状、工程设计，

工程施工和运行管理等方面探讨了中央空调系统节能的措施和方法。

2中央空调系统简介

2．1中央空调的组成：

1．蒸发器

2．冷凝器

3．风机盘管

4．膨胀水箱

1

5．冷却水塔

如图 1 所示

中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换以及热交换的过程。其

理想运行状态是：

冷冻水循环系统中,在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷冻主机，在蒸发器进行

热交换，被吸热降温后被送到终端盘管风机或空调风机，经表冷器吸收空调室

内空气的热量升温后，再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环。

冷却水循环系统中,在冷却泵的作用下冷却水流经冷冻机，在冷凝器吸热升

温后被送到冷却塔，经风扇散热后再由冷却泵送到主机，形成循环。在这个过

程里，冷冻水、冷却水作为能量传递的载体，在冷冻泵、冷却泵得作用下不停

地循环在各自的管道系统里，不断地将室内的热量经冷冻机由冷却塔排出。（如

图 1.1 所示）

在中央空调系统设计中，冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加

2

10%—20%余量作为设计安全系数。据统计，在传统的中央空调系统中，冷冻水、

冷却水循环用电约占系统用电的 12%—24%，而在冷冻主机低负荷运行时，冷却

水、冷冻水循环用电就达 30%—40%。因此，实施对冷冻水和冷却水循环系统的

能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制的重要组成部分。

3.建立系统节能观念.选择合理的设计方案

实现空调节能的根本途径，就在于巧妙地利用室内外条件、维护结构及空

调设备的相互作用关系，选择满足建筑节能要求的方案，既电造出舒适、高效

的室内环境，而同时又实现大幅度节能的目的。

舒适性空调夏季比较理想的室内温度是比室外环境温度低 5—8℃为好。

3.3空调冷热源

中央空调能耗一般包括三部分。

(1)空调冷热源；

(2)空调机组末端设备；

(3)水或空气输送系统。这三部分能耗中，玲热源能耗约占总能耗的 50％

左右.是空调节能的重要内容。如果均把各自消耗的能量折算成一次能

源，则备类机组均可用单位时间内一次能源消耗能量所制取的玲量或热

量进行比较。本文使用“一次能源效率 OEER(W／W)       来表示.从单位能

耗角度考虑.夏季制冷：离心式、螺杆式冷水机组 O 旺 R 值最高.吸收式

冷水机组 OEER 最小；冬季供热：螺杆式、活塞式热泵冷热水机组 OEER

最高电热水机组最低.即能耗最高。

一般空调水系统的输配用电，在冬季供暖期问约占整个建筑动力用电的

2o％～25％ ，夏季供冷期间占 12％～24％.因此水系统节能具有重要意义目前，

空调水系统在设计上存在着一些问题：

(1)选择水泵是按设计值查找水泵样本铭牌参数确定，而不是按水泵的特性曲线

选定水泵型号；

(2)未对每个水环路进行水力平衡计算，对压差相差悬殊的回路也未采取有效措

施，因此水力、热力失调现象严重；

(3)大流量、小温差现象普遍存在，设计中供、回水温差一般取 5cC，但经实测，

夏季冷冻水回水温差较好的为 35，较差的只有 1.5～2℃，造成实际水流比

设计水量大 1.5 倍以上，使水泵电耗大大增加。因此，空调水系统节能应从

如下方面着手考虑：

(3.1)设计人员应重视水系统设计，认真进行水系统各环路的计算，并采取相

应措施保证各环路水力平衡；

(3.2)认真校对和计算空调水系统相关系数，切实落实节能设计标准的要求值，

积极推广变频诃速水泵，冬、夏两用双速水泵等节能措施；(3)制冷系

统冷却水进水温度的高{氐对主机耗电量有着重要影响，一般推算，在

水量一定情况下，进水温度高 1℃，溴化锂冷水机组能耗高 6％。

4.中央空调水泵系统变频改造模型介绍

4.1泵的特性分析与节能原理

泵类的特性和参数

　　纯粹用于抽水的功率叫有效功率

　　有效功率=（1000qh）/（75×60/0.736）=qh/6.11（kw）

　　式中，q 为流量（m3/min）；h 为总扬程（m）。

　　设在扬程内 1m3 的水的重量为 1000kg，因此：

　泵的轴功率=（有效功率）/ 泵的效率（kw）

　　电动机输出功率=（1.05～1.2）×轴功率（kw）

泵是一种平方转矩负载，其转速 n 与流量 Q, 扬程 H 及泵的轴功率 N 的

关系如下式所示：

Q1=Q2(n1/n2) H1=H2(n12/n22)     N1=N2(n13/n23)            (2.1)

上式表明，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比,

泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电动机驱动泵时，电动机的轴功率 P(kw)

可按下式计算:

P=ρQH/ηcηF×10-2                                (2.2)

式中： P：电动机的轴功率（KW）

Q：流量（m3/s）

ρ：液体的密度（Kg/m-2）

ηc:传动装置效率

ηF：泵的效率

H：全扬程（m）

如图 2.1 所示，曲线 1 是阀门全部打开时，供水系统的阻力特性；曲线 2

是额定转速时，泵的扬程特性。这时供水系统的工作点为 A 点：流量 QA，扬程

HA；由（2.2）式可知电动机轴功率与面积 OQAAHA 成正比。今欲将流量减少为

QB，主要的调节方法有两种：

（1）转速不变，将阀门关小      这时阻力特性如曲线 3 所示，工作点移至 B

点：流量 QB，扬程 HB，电动机的轴功率与面积 OQBBHB 成正比。

（2）阀门开度不变，降低转速,这时扬程特性曲线如曲线 4 所示，工作点

移至 C 点：流量仍为 QB，但扬程为 HC，电动机的轴功率与面积 OQBCHC 成正比。

对比以上两种方法，可以十分明显地看出，采用调节转速的方法调节流量，

电动机所用的功率将大为减小，是一种能够显著节约能源的方法。

由（2.3）式可见，调节转速有 3 种方法，改变频率、改变电机磁极对数、

改变转差率。在以上调速方法中，变频调速性能最好，调速范围大，静态稳定

性好，运行效率高。因此改变频率而改变转速的方法最方便有效。

根据以上分析,结合公司中央空调的运行特征，利用变频器、PLC、数模转

换模块、温度模块和温度传感器等组成温差闭环自动控制，对中央空调水循环

系统进行节能改造是切实可行，较完善的高效节能方案。

因为中央空调系统是由主机、冷冻水、冷却水等若干个子系统组成的一个

较为复杂的系统，所以对每个子系统进行改造时，都要考虑器对整个系统的影

响。因此我们在中央空调系统变频改造时采用了神经元网络和模糊控制的方法，

保证整个系统的最优化运行。

4.2冷却水系统（包括一次及二次系统）

冷却水的进出口温度差为 5℃时，空调主机的热交换率最高，同时为了保

证正常供水，还要保证冷却水的压力和流量。因此将进口温度、出口温度、管

网压力、管网流量等信号输入控制柜的中央控制器中，由中央控制器根据当前

的具体数据计算出所需流量值，确定冷却水泵投入的台数及工作频率，保证能

耗最低且系统最优工作方式。

4.3冷冻水系统：

为了使空调主机效率最高，应保证冷冻水进出主机温度差为 5℃，同时为

了保证供水需求，必须保证冷冻水的压力和流量，而且必须保证冷冻水的温度

不能过低，避免主机结冰。因此将进口温度、出口温度、管网压力、管网流量

等信号输入控制柜的中央控制器中，由中央控制器根据当前的具体数据计算出

所      需流量值，确定冷冻水泵投入的台数及工作频率，保证能耗最低且系统最

优工作方

冷冻机的回

水温度和出水温度读入控制器内存，并计算出温差值；然后根据冷冻机的回水

与出水的温差值来控制变频器的转速，调节出水的流量，控制热交换的速度；

温差大，说明室内温度高系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循

环速度和流量，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，系统负

荷小，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流量，减缓热交换的速

度以节约电能。

5.1冷却泵进行变频改造

由于冷冻机组运行时，其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降

温，再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。冷却水进水出水温差大，说明冷

冻机负荷大，需冷却水带走的热量大，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的循

环量；温差小，则说明，冷冻机负荷小，需带走的热量小，可降低冷却泵的转

速，减小冷却水的循环量，以节约电能。

5.2变频节能系统示意图

图 5.1

9

X0:1#冷却泵报警信号	X1:1#冷却泵运行信号
X2:2#冷却泵报警信号	X3:2#冷却泵运行信号
X4:1#冷冻泵报警信号	X5:1#冷冻泵运行信号
X6:2#冷冻泵报警信号	X7:2#冷冻泵运行信号
X10:冷却泵报警复位	X11:冷冻泵报警复位
X12：冷却泵手/自动调速切换	X13：冷冻泵手/自动调速切换
X14：冷却泵手动频率上升	X15：冷却泵手动频率下降
X16：冷冻泵手动频率上升	X17：冷冻泵手动频率下降
X20:1#冷却泵启动信号	X21: 1#冷却泵停止信号
X22:2#冷却泵启动信号	X23: 2#冷却泵停止信号
X24:1#冷冻泵启动信号	X25: 1#冷冻泵停止信号
X26:2#冷冻泵启动信号	X27: 2#冷冻泵停止信号
Y2:冷却泵自动调速信号	Y3: 冷冻泵自动调速信号

5.3三菱FR-F540-37K-CH变频器主要参数的设定

Pr.160        :     0                    允许所有参数的读/写

Pr.1             :     50.00          变频器的上限频率为 50Hz

Pr.2             :     30.00          变频器的下限频率为 30Hz

Pr.7             :     30.0             变频器的加速时间为 30S

Pr.8             :     30.0             变频器的减速时间为 30S

Pr.9             :     65.00          变频器的电子热保护为 65A

Pr.52           :      14                   变频器 DU 面板的第三监视功能为变频器的输出功

率

Pr.60          :     4                    智能模式选择为节能模块

Pr.73          :     0                    设定端子 2－5 间的频率设定为电压信号 0～10V

Pr.79          :     2                    变频器的操作模式为外部运行

Y4:1#冷却泵报警信号	Y5: 2#冷却泵报警信号
Y6:1#冷冻泵报警信号	Y7: 2#冷冻泵报警信号
Y10:1#冷却泵启动	Y11:1＃冷却泵变频器报警复位
Y12:2#冷却泵启动	Y13:2＃冷却泵变频器报警复位
Y14:1#冷冻泵启动	Y15:1＃冷冻泵变频器报警复位
Y16:2#冷冻泵启动	Y17:2＃冷冻泵变频器报警复位

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关键词：中央空调 circle 温度传感器 可持续发展 报警信号

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