林列豪
深圳华润物业管理有限公司
摘要：构建物质文明与精神文明共存的社会，需要以环境为依托，构建和谐、稳定、舒适的社会大环境。目前，中央空调作为建造舒适性办公、商业、居住、工业等环境必不可少的一部分，通过提供过冷或过热的环境，满足现代人类办公、商业、居住、生产等需求。但是，中央空调属于高能耗设备，夏季用冷高峰时往往占建筑物总能耗的50%左右。在日常使用中面临着使用成本高，资源短缺或浪费等问题。那么，对传统设计的中央空调系统进行节能改造就成为降低使用成本、高效使用能源的重要手段之一。本文以中央空调冷却水系统作为研究对象，采用变频器、PLC对冷却水泵进行控制，并应用于传统冷却水泵组的节能改造中。经改造后的中央空调系统的实际运行能耗证实，传统设计模式的冷却水泵组通过改造，并利用变频器、PLC对进行控制，节能效果显著。
关键词：变频器、PLC、中央空调系统、节能改造
引言：中央空调系统中冷却水系统是中央空调系统的重要组成部分，冷却水系统的控制的成功与否对中央空调系统的能耗产生重大影响。首先，冷却水泵作为冷却水系统的核心设备，能耗约占中央空调系统总能耗的10%；其次，标准工况下（制冷机组冷却供\回水温度为37℃\32℃，冷冻供\回水温度为7℃\12℃），中央空调制冷机组冷却供\回水温差主要由冷却供\回水压差及流量控制。冷却水系统的设计是否合理、冷却泵的精准控制对中央空调系统的能耗将产生重要的影响，冷却水系统的改造将成为中央空调系统节能改造的重要一环。
一、中央空调冷却水系统分析
中央空调系统中冷却水系统主要由制冷机组冷凝器、冷却水泵、冷却塔、冷却水系统管道、阀门、过滤器、控制系统等组成。中央空调系统中冷却水系统的主要作用是把制冷机组冷凝器内的高压、过热制冷剂蒸气冷却成为环境温度下的制冷剂液体，并通过冷却水循环系统把热量经冷却塔散发到室外环境中。冷却泵的主要作用是将冷却塔水盘内经冷却后的冷却水输送到制冷机组的冷凝器进水侧，在冷凝器内将制冷剂与冷却水进行热交换，完成制冷机组的放热过程，并将吸热后的冷却水输送到冷却塔冷却，形成冷却水循环。在标准工况下，制冷机组的冷凝器的换热效率的高低除冷却水温度、水质、冷凝器换热管道的洁净情况等外，制冷机组的冷却供\回水温差及压差是否合理直接影响制冷机组的能耗。因此，制冷机组的冷却供\回水温差及压差的控制对制冷机组的能耗将产生重大影响。标准工况下，制冷机组的冷却供\回水温差为5℃,冷却水的供\回水压差设备铭牌上有标示（一般为0.07MPa-0.1MPa左右），制冷机组的冷却供\回水温差是基于设计的供\回水压差下的参数。在冷却塔正常换热的情况下，制冷机组的冷却水的供\回水温差与压差息息相关，因此，中央空调冷却水系统的冷却水流量及压差的控制是冷却水系统控制的重要组成部分。
单台的制冷机组对单台的冷却水泵可根据制冷机组的设计参数选配。但如果是多台型号相同的制冷机组并联使用，对应着多台型号相同的冷却泵并联使用，由于不同数量的制冷机组并联时的冷却水系统总阻力不一致，不同数量的冷却泵并联时的总流量与扬程也不一致，设计参数计算较为复杂，传统的设计选型主要考虑制冷机组的正常运行需求，往往采取牺牲冷却泵的功耗，选用高扬程、大流量的水泵，再在水泵供水侧安装宽调幅流量平衡阀（调节范围2～22mH20），达到水泵的流量与扬程满足制冷机组的需求，但水泵的能耗将大幅提高。如：两台及两台以上的水泵并联使用时，水泵组的扬程下降（低于单台水泵的扬程，台数改变时扬程随之变化），流量增大（大于单台泵的流量，但泵组总流量小于每台泵的流量和，台数改变时流量随之变化）。因此，多台型号相同的冷却泵并联使用时，为了满足制冷机组的供水需求，选配比制冷机组冷却水额定流量大、扬程高的水泵，但防止并联水泵组的扬程、流量与制冷机组不匹配，安装流量平衡阀起到平衡作用，将多余的扬程及流量消耗在流量平衡阀上，但同时也付出了能耗大幅增长的代价。
二、变频器、PLC在中央空调冷却水系统节能改造中的应用
（一）变频器的控制与节能
变频器是近十几年来逐步得到应用的控制设备，尤其是近几年来，由于控制精准、可靠、性能稳定、节能效果显著，得到广泛应用。在号称能耗大户的中央空调系统中，变频器在制冷机组、水泵、风机等控制领域充当重要角色。在中央空调系统控制中，变频器主要控制对象是三相异步电动机，能根据控制对象的实际需求，精准调节使控制对象既满足上下级的需求，又最大程度的实现节能。
1、根据流体力学定律，在中央空调冷却水系统控制中，当冷却水泵电机转速从n1变到n2时，流量(Q)、扬程（H)、轴功率(P)的变化关系如下:
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其中，Q1、H1、P1为水泵电机在转速为n1时的流量、扬程、轴功率，Q2、H2、P2为水泵电机在转速为n2时的流量、扬程、轴功率。由此可见，降低冷却水泵扬程或转速均可得到良好的节能效果。
2、动态调整节能
变频器根据制冷机组冷却供\回水温差、压差控制信号，迅速调整冷却水泵的运行频率，以适应制冷机组冷却水系统的参数变动，为冷却水泵提供最大效率电压。变频器在软件上设置有强大的测控输出功能，始终为冷却水泵电机保持较高输出效率。
3、变频器自动调节V/F曲线节能
在保证冷却水泵的流量与扬程的情况下，自动调节V/F曲线。减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能目的。
4、变频器自带软启动节能
在电机工频启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收7倍左右的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。采用软启动后，启动电流可从0--电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电能，也减少了启动惯性对设备的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
5、提高功率因数节能
电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩，绕组由于其感抗作用，对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数低。
（二）PLC的应用
在中央空调冷却水系统节能改造中，PLC主要应用于：
1、制冷机组冷却供\回水温差、压差数据的收集、分析，并与预先设置的冷却供\回水温差、压差参数比对后向变频器发出控制信号；
2、接收到制冷机组开、关冷却水泵信号时，向变频器发出控制信号；
3、根据冷却泵控制系统存储的运行数据，安排冷却泵启动运行顺序（如：冷却泵的累计运行时间6小时后自动切换备用泵运行；正在运行的冷却泵突发故障，自动切换备用泵运行）；
4、显示冷却泵运行参数，冷却水系统压力、压差、温度、温差、运行频率、电流等参数；
5、设置冷却水系统设备、设施维保时间提醒；
6、状态显示与设置（冷却泵正常运行、冷却泵检修中），当冷却泵设置为检修状态时，自控系统不会再开这台泵；
7、控制系统防误操作及防误进入功能。
（三）中央空调冷却水系统节能改造方案
首先，中央空调冷却水系统节能改造前，梳理、检测冷却水系统中存在那些非正常因素：
1、冷却水系统的水流阻力的计算及在线检测，如：冷却水系统上所有管道、设备、阀门、过滤器等水流阻力检测，并分析以上各部件（部位）水流阻力是否在正常范围内，找出存在非正常水流阻力、非正常消耗冷却水泵扬程的部件（部位）；
2、检测制冷机组冷凝器的冷却水流量，冷却供\回水温度、压力，找出影响制冷机组效率的主要因素，如：冷却水供\回水温差大幅度偏离5℃，冷却水供\回水压差大幅度偏离制冷机组设计的压差，冷却水流量大幅度偏离制冷机组设计的流量；
3、完成单台制冷机组冷却水系统检测后，再进行多台制冷机组并联运行的冷却水系统检测，并把同一部件（部位）多次检测数据进行比较、分析，找出冷却水系统中那些部件（部位）在系统中的作用的大小或利弊，对影响制冷机组及冷却水泵运行效率最大化的部件（部位）进行深入分析，并研究采用新技术、新部件、新设备进行更换。
其次，通过前期冷却水系统上各水流阻力，制冷机组冷却水流量、冷却水供\回水温度、压力检测，及同一部件（部位）多次检测数据进行比较、综合分析，找到影响制冷机组及冷却水泵运行效率最大化的部件（部位），深入分析采用新技术、新部件、新设备进行更换的可行性、经济效益。
最后，论证中央空调冷却水系统改造技术可行性，制定详细改造方案，制订改造预算，估算改造后带来的经济效益，并根据论证结果立项改造。
（四）中央空调冷却水系统改造实例
以下为某大型商场中央空调系统部分冷却水系统改造项目，通过前期的冷却水系统各水流阻力、温度、流量等检测，找出冷却水泵供水侧上存在非正常水流阻力较大的流量平衡阀，将其拆除，并更换冷却水泵供水侧大水流阻力的止回阀，再采用变频器与PLC控制冷却水泵组的运行。经改造并通过改造前后各1年的实际能耗数据的对比，冷却水泵组年节省用电量约38万kw.h。
某大型商场中央空调系统由3台2000冷吨的制冷机组、4台160KW的冷却泵、4台冷冻泵、3台冷却塔及3台650冷吨制冷机组、4台冷却泵、4台冷冻泵、3台冷却塔组成（本期只改造2000冷吨的制冷机组冷却水系统）。由于原设计4台冷却泵为并联安装，3用1备，但冷却水泵在运行1台、2台或3台时，水泵的实际流量、扬程等参数均在变化。系统设计时为了让冷却水泵的流量及扬程等参数满足制冷机组的运行需求，便在每台水泵的供水侧安装宽调幅流量平衡阀（调节范围2～22mH20），即设计时是以牺牲水泵的能耗换取冷却水系统的稳定。但流量平衡阀的水流阻力严重偏大，经检测，单独一台制冷机组运行时，冷却水系统总水流阻力为32mH20，流量平衡阀及止回阀的总水流阻力为14.8mH20，流量平衡阀的水流阻力为11mH20，占水泵总扬程的34.38%。
下列为其中一台冷却泵运行时检测的冷却水流阻力数据：
冷却塔回水阻力=39.0－38.6=0.4mH20----------------------------正常
过滤器阻力=38.6－37.2=1.4mH20--------------------------------偏高
冷却泵扬程=69.2－37.2=32.0mH20
平衡阀阻力=69.2－54.4=14.8mH20------------------(占总阻力的46.3%)
冷凝器阻力=52.5－45.0=7.5mH20--------------------------------正常
冷却塔供水阻力=45.0－(39.0+3.5)=2.5mH20----------------------偏高
冷却泵供水侧平衡阀后至机组冷却回水侧阀门54.4-52.5=1.9mH20---正常
冷却水系统总阻力=32.0mH20--------------------------等于冷却泵扬程
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经检测，综合以上各台制冷机组的冷却供\回水温差、流量进行分析，数据显示，冷却水泵供水侧设置的流量平衡阀对稳定冷却水泵扬程、流量的能力十分有限，流量控制偏差大、水流阻力大，导致制冷机组的冷却水供\回水温差偏离设计的5℃。制冷机组冷却水流量大于额定流量（1420m3/h）时，冷却供\回水温差小于5℃，冷却水泵能耗增高；制冷机组冷却水流量小于额定流量（1420m3/h）时，冷却供\回水温差大于5℃，制冷机组冷凝温度升高，能耗增高，制冷效率下降。因此，中央空调冷却水系统供\回水温差与压差如偏离制冷机组设计值时，中央空调系统的运行能耗将增大，能效比下降。
经拆除流量平衡阀，更换冷却泵供水侧水流阻力较大的止回阀（水流阻力由3.8mH20更换为1.6mH20），单台冷却水泵的循环水系统水流阻力由原32mH20下降至18.8mH20，水流阻力下降41.25%（冷却水泵的扬程下降41.25%）。采用变频器控制冷却水泵在不同台数并联运行时流量与扬程符合制冷机组的的运行需求，并采用PLC控制变频器的运行。采用PLC控制变频器时主要采用制冷机组的冷却供\回水温差5℃及压差7.5mH20进行综合控制，以制冷机组的冷却供\回水温差5℃为冷却泵运行频率的主要控制方式，并采用制冷机组的冷却供\回水压差7.5mH20作为辅助控制信号（防止冷却供\回水温差大幅度偏离5℃，影响制冷机组的正常运行。如：制冷机组的冷却供\回水温度温度传感器误差偏大，产生的温差大幅偏离5℃时，采用制冷机组的冷却供\回水压差7.5mH20控制）。既为制冷机组的稳定、高效运行提供保障，又大幅降低了冷却水泵的能耗。
经改造，单台冷却水泵的能耗每小时约降低63kw.h，综合冷却泵组全年运行时间，节能改造后年能耗约减少38万kw.h，投资回报期约3年。
三、变频器、PLC应用于中央空调冷却水系统节能改造的优缺点
采用变频器、PLC应用于传统中央空调冷却水系统节能改造，其优点主要如下：
1、增强中央空调冷却水系统运行的稳定性、可靠有效的提高冷却水系统及制冷机组的能效比，降低中央空调系统的运行成本；
2、冷却水泵采用变频器控制有效代替冷却水泵组供水侧的流量平衡阀，大幅提高冷却水泵效率，减少冷却水泵扬程的非正常损耗，大幅降低冷却水泵的能耗；
3、冷却水泵使用变频器控制，使水泵的启、停均为软启、停，对管网及阀门的水力冲击大幅下降，冷却水泵的使用寿命延长，故障率降低，维保费用降低；
4、冷却水泵使用变频器控制，水泵的启动为软启动，大幅降低水泵的启动电流，维护电网品质，提高供电系统功率因数；
5、提高中央空调冷却水系统精准度，有效提高空调冷却塔散热效率，减少水资源消耗；
6、过渡季节及冬季供冷时，由于室外温度相对偏低，空气相对湿度偏低，冷却塔的换热效率提高，中央空调冷却回水温度相对较低，冷却水泵使用变频器及PLC控制，冷却水系统可采用制冷机组冷却水最小流量控制，再度降低冷却水泵的能耗，提高制冷机组的冷却水品质。
采用变频器加PLC应用于传统中央空调冷却水系统节能改造，其缺点主要有，首次投资金额大。
四、结论
综上所述，在变频器、PLC等控制设备与技术得到高速发展与广泛应用的今天，传统中央空调系统上冷却泵组供水侧平衡阀非正常阻力问题已迎刃而解。在变频器、PLC技术成熟，造价相对合理，将其应用于传统中央空调系统的节能改造中，节能改造效果显著，控制精度大幅提高。在当今的大型中央空调系统中，风机、水泵、制冷机组等大型动力设备大部分均配备变频器控制，并采用PLC精准控制变频器，无论从节能、设备使用寿命、维护成本等都得广大使用者的肯定。
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