中央空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一，電能的消耗非常大。由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì)，而實(shí)際上在一年中，滿負(fù)載下運(yùn)行最多只有十多天，甚至十多個(gè)小時(shí)。文章主要結(jié)合工程實(shí)例，針對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能方面存在的問題，分析并提出改造方案，介紹改造效果。
一、前言
中央空調(diào)是大廈里的耗電大戶，約占建筑物總電能消耗的60%。由于中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須按天氣最熱、負(fù)荷最大時(shí)設(shè)計(jì)，并且留 10-20% 設(shè)計(jì)余量，然而實(shí)際上絕大部分時(shí)間空調(diào)是不會(huì)運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)下，存在較大的富余，所以節(jié)能的潛力就較大，其中，冷凍主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，存在很大的浪費(fèi)，因此中央空調(diào)的節(jié)能改造顯得尤為重要。
二、工程概況
廣州某酒店是一座三星級(jí)旅游涉外酒店，有各類客房100多間，酒店大樓內(nèi)設(shè)有三星級(jí)酒店、高級(jí)寫字樓、商場(chǎng)和娛樂場(chǎng)所，是廣州市早期酒店之一。酒店中央空調(diào)全年運(yùn)行280天左右，每天平均運(yùn)行時(shí)間在14～22小時(shí)左右，中央空調(diào)系統(tǒng)年平均總耗電約160萬(wàn)kWh，電費(fèi)支出 172萬(wàn)元左右。該大廈冷凍水泵和冷卻泵電機(jī)全年恒速運(yùn)行，冷凍水和冷卻水進(jìn)出水溫差都約為3℃ ，采用繼電接觸器控制。酒店中央空調(diào)系統(tǒng)的配置如下：
冷水機(jī)組：中央空調(diào)系統(tǒng)采用兩臺(tái)(一用一備)開利水冷冷水機(jī)組，單機(jī)制冷量為400USRT，電動(dòng)機(jī)功率為300KW。
冷凍水泵：冷凍水泵兩臺(tái)(一用一備)，電動(dòng)機(jī)功率為55KW，電機(jī)啟動(dòng)方式為自耦變壓器啟動(dòng)。
冷卻水泵：冷卻水泵兩臺(tái)(一用一備)，電動(dòng)機(jī)功率為75KW，電機(jī)啟動(dòng)方式為自耦變壓器啟動(dòng)。
三、中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能中存在的問題分析
該大廈中央空調(diào)系統(tǒng)的最大負(fù)載能力是按照天氣最熱，負(fù)荷最大的條件來設(shè)計(jì)的，存在著很大寬裕量，但實(shí)際上系統(tǒng)極少在這些極限條件下工作，一年中只有幾十天時(shí)間中央空調(diào)處于最大負(fù)荷。大廈原中央空調(diào)水系統(tǒng)除了存在很大的能量損耗，同時(shí)還會(huì)帶來以下一系列問題：
(1)水流量過大使循環(huán)水系統(tǒng)的溫差降低，惡化了主機(jī)的工作條件、引起主機(jī)熱交換效率下降，造成額外的電能損失。
(2)水泵采用自耦變壓器啟動(dòng)起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流較大，會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)帶來一定沖擊。
(3)傳統(tǒng)的水泵起、停控制不能實(shí)現(xiàn)軟起、軟停，在水泵起動(dòng)和停止時(shí)，會(huì)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，對(duì)管網(wǎng)造成較大沖擊，容易對(duì)機(jī)械零件、軸承、閥門、管道等造成破壞，增加維修工作量和備件費(fèi)用。
為使循環(huán)水量與負(fù)荷變化相適應(yīng)，采用成熟的變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改造，是降低水循環(huán)系統(tǒng)能耗的較好解決方案。一方面能夠控制冷凍(卻)泵的轉(zhuǎn)速，即改變冷凍(卻)水的流量，來跟蹤冷凍(卻)水的需求量，隨著負(fù)載的變化調(diào)節(jié)水流量，從而節(jié)約能源;另一方面，因變頻器是軟啟動(dòng)方式，電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)及運(yùn)轉(zhuǎn)過程中均無沖擊電流，可有效延長(zhǎng)電機(jī)、接觸器及機(jī)械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。
四、中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造措施
結(jié)合酒店原中央空調(diào)水系統(tǒng)的實(shí)際情況，確定酒店水系統(tǒng)節(jié)能改造措施如下：
(1)由于系統(tǒng)中冷卻水泵功率為75KW，相對(duì)主機(jī)功率接近30 %較大，故對(duì)冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)都進(jìn)行變流量改造，在保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，取得最大化的節(jié)能效果。
(2)冷凍水系統(tǒng)的控制方案采用定溫差控制方法，因?yàn)槔鋬鏊到y(tǒng)的溫差控制適宜用于一次泵定流量系統(tǒng)的改造，施工較容易，將冷凍水的送回水溫差控制在4.5～5℃。
PLC通過溫度傳感器及溫度模塊將冷凍水的出水溫度和回水溫度讀入內(nèi)存，根據(jù)回水和出水的溫差值來控制變頻器的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)冷凍水的流量，控制熱交換的速度。溫差大，說明室內(nèi)溫度高，應(yīng)提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)速度以增加流量，加快熱交換的速度;反之溫差小，則說明室內(nèi)溫度低，可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度以降低流量，減緩熱交換的速度，達(dá)到節(jié)能的目的。
(3)冷卻水系統(tǒng)的控制方案也采用定溫差控制方法，因?yàn)槔鋮s水系統(tǒng)定溫差控制的主機(jī)性能明顯優(yōu)于冷卻水出水溫度控制，將冷卻水的進(jìn)出水溫差控制在4.5～5℃。
(4)由于冷卻塔風(fēng)機(jī)的額定功率為4KW，比較小，故不考慮對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。
3、節(jié)能改造控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(以冷卻水泵為例)
(1)冷卻水泵M1的主回路電氣原理圖
冷卻水泵M1的主回路電氣原理圖
(2)控制系統(tǒng)的I/O分配及系統(tǒng)接線
①I/O分配
根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選用F940GOT-SWD觸摸屏，觸摸屏和PLC輸入、輸出分配如下：
X0：變頻器報(bào)警輸出信號(hào); M0：冷卻泵起動(dòng)按鈕; M1：冷卻泵停止按鈕;
M2：冷卻泵手動(dòng)加速; M3：冷卻泵手動(dòng)減速; M5：變頻器報(bào)警復(fù)位;
M6：冷卻泵M1運(yùn)行; M7：冷卻泵M2運(yùn)行; M10：冷卻泵手/自動(dòng)調(diào)速切換;
Y0：變頻運(yùn)行信號(hào)(STF); Y1：變頻器報(bào)警復(fù)位; Y4：變頻器報(bào)警指示，
Y6：冷卻泵自動(dòng)調(diào)速指示; Y10：冷卻泵M1變頻運(yùn)行; Y11：冷卻泵M2變頻運(yùn)行。
數(shù)據(jù)寄存器D20為冷卻水回水溫度，D21為冷卻水出水溫度，D25為冷卻水出回水溫差，D1001為變頻器運(yùn)行頻率顯示，D1010為D/A轉(zhuǎn)換前的數(shù)字量。
(3)編制程序
控制程序主要由以下幾部分組成：
①冷卻水出進(jìn)水溫度檢測(cè)及溫差計(jì)算程序
CH l通道為冷卻水進(jìn)水溫度(D20)，CH2通道為冷卻水出水溫度(D21)，D25為冷卻水出進(jìn)水溫差。
冷卻水出進(jìn)水溫度檢測(cè)及溫差計(jì)算程序
五、系統(tǒng)改造完成后的調(diào)試事項(xiàng)
經(jīng)過一個(gè)多月的緊張施工，廣州景星酒店的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)電改造工程終于完工了，接下來是對(duì)改造后的中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試：
1、整改設(shè)備安裝完畢后，先將編好的程序?qū)懭隤LC，設(shè)定變頻器參數(shù)，檢查電器部分并逐級(jí)通電調(diào)試。
2、投入試運(yùn)行時(shí)，人為地減少負(fù)荷，觀察流量是否因頻率的降低而減小，并找到制冷機(jī)報(bào)警時(shí)的最低變頻器頻率，以及流量降低后管道末端的循環(huán)情況，使變頻器工作在一個(gè)最低的穩(wěn)定工作點(diǎn)。
3、用溫度計(jì)及時(shí)檢測(cè)各點(diǎn)溫度，以便檢驗(yàn)溫度傳感器的精確度及校驗(yàn)各工況狀態(tài)。
六、應(yīng)用效果
1 安全可靠性和節(jié)能效果
中央空調(diào)系統(tǒng)通過實(shí)施節(jié)能改造后，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：
(1)行安全、穩(wěn)定、可靠，功能指標(biāo)到達(dá)設(shè)備技術(shù)要求;
(2)觀、自動(dòng)化程度較高，能及時(shí)、準(zhǔn)確地自動(dòng)跟蹤末端空調(diào)負(fù)荷運(yùn)行;
(3)現(xiàn)了空調(diào)泵組的軟啟動(dòng)、軟停止、運(yùn)行平滑穩(wěn)定，較大地改善了設(shè)備的啟停性能和運(yùn)行磨損;
(4) 中央空調(diào)系統(tǒng)最大限度的節(jié)能，系統(tǒng)綜合節(jié)電率達(dá)24.89%。
2 節(jié)能效益
節(jié)能改造前，中央空調(diào)系統(tǒng)年耗電160萬(wàn)kWh，電費(fèi)172萬(wàn)元。
實(shí)施節(jié)能改造后，每年節(jié)約電量為：160萬(wàn)kWh ×24.89%=40萬(wàn)kWh，每年減少電費(fèi)支出為：40萬(wàn)kWh ×1.08元/kWh =43萬(wàn)元人民幣(按照雙方共同測(cè)試的系統(tǒng)綜合節(jié)能率24.89%，綜合電價(jià)1.08元/kWh計(jì)算)。