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一、中央空調和HVAC的應用背景

（一）概述

1、中央空調的概念

中央空調系統(tǒng)已廣泛應用于工業(yè)與民用領域，在賓館、酒店、寫字樓、商場、住院部大樓、工業(yè)廠房中的中央空調系統(tǒng)，其制冷壓縮機組、冷凍循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風機系統(tǒng)等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制熱負載選定的，且再留有充足裕量。在沒有使用具備負載隨動調節(jié)特性的控制系統(tǒng)中，無論季節(jié)、晝夜和用戶負載的怎樣變化，各電動機都長期固定在工頻狀態(tài)下全速運行，造成了能量的巨大浪費。近年來由于電價的不斷上漲，使得中央空調系統(tǒng)運行費用急劇上升，致使它在整個大廈營運成本費用中占據越來越大的比例，加之目前各生產、服務業(yè)競爭激烈，多數(shù)企業(yè)利潤空間不夠理想，因此電能費用的控制顯然已經成為經營管理者所關注的問題所在。

據統(tǒng)計，中央空調的用電量占各類大廈總用電量的70%以上，其中中央空調水泵的耗電量約占總空調系統(tǒng)耗電量的20%～40%，故節(jié)約低負載時壓縮機系統(tǒng)和水系統(tǒng)消耗的能量，具有很重要的意義。所以，隨著負載變化而自動調節(jié)變化的變流量變頻空調水系統(tǒng)和自適應智能負載調節(jié)的壓縮機系統(tǒng)應運而生，并逐漸顯示其巨大的優(yōu)越性。采用變頻調速技術不僅能使空調系統(tǒng)發(fā)揮更加理想的工作狀態(tài)，更重要的是通常其節(jié)能效果高達30%以上，能帶來良好的經濟效益。

中央空調系統(tǒng)一般主要由制冷壓縮機系統(tǒng)、冷媒（冷凍和冷熱）循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、盤管風機系統(tǒng)、冷卻塔風機系統(tǒng)等組成。制冷壓縮機組通過壓縮機將制冷劑（冷媒介質如R134a、R22等）壓縮成液態(tài)后送蒸發(fā)器中，冷凍循環(huán)水系統(tǒng)通過冷凍水泵將常溫水泵入蒸發(fā)器盤管中與冷媒進行間接熱交換，這樣原來的常溫水就變成了低溫冷凍水，冷凍水送到各風機風口的冷卻盤管中吸收盤管周圍的空氣熱量，產生的低溫空氣由盤管風機吹送到各個房間，從而達到降溫的目的。冷媒在蒸發(fā)器中被充分壓縮并伴隨熱量吸收過程完成后，再被送到冷凝器中去恢復常壓狀態(tài)，以便冷媒在冷凝器中釋放熱量，其釋放的熱量正是通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷卻水帶走。冷卻循環(huán)水系統(tǒng)將常溫水通過冷卻水泵泵入冷凝器熱交換盤管后，再將這已變熱的冷卻水送到冷卻塔上，由冷卻塔對其進行自然冷卻或通過冷卻塔風機對其進行噴淋式強迫風冷，與大氣之間進行充分熱交換，使冷卻水變回常溫，以便再循環(huán)使用。在冬季需要制熱時，中央空調系統(tǒng)僅需要通過冷熱水泵（在夏季稱為冷凍水泵）將常溫水泵入蒸氣熱交換器的盤管，通過與蒸氣的充分熱交換后再將熱水送到各樓層的風機盤管中，即可實現(xiàn)向用戶提供暖熱風。

2、HVAC的概念

HVAC的概念包括采暖（Heating）、通風（Ventilation）、空調（Air Condition），因此與中央空調相比具有更廣義的概念。HVAC是人與環(huán)境這對矛盾對立統(tǒng)一關系歷經漫長歲月發(fā)展所凝聚而成的一種重要的環(huán)境與保障技術。HVAC定義如圖1所示。

圖1：HVAC定義

（1）供暖（Heating）

1）系統(tǒng)組成：熱源、散熱設備、輸熱管道、調控構件等。

2）技術職能：輸入熱能至空間，補償其熱損失，到達室內溫度要求。

（2）通風（Ventilation）

1）系統(tǒng)組成：通風機、進排或送回口、凈化裝置、風道與調控構件等。

2）技術職能：通風換氣、防暑降溫、改善室內環(huán)境、防止內外環(huán)境污染。

（3）空氣調節(jié)（Air Conditioning）

1）系統(tǒng)組成：冷熱源、空氣出來設備與末端裝置、風機、水泵、管道、風口、調控構件等。

2）技術職能：依靠經過全面處理并且適宜參數(shù)與良好品質的空調介質與受控環(huán)境空間進行能量、質量

的傳遞與交換，實現(xiàn)對室內空氣溫度、濕度、速度、潔凈度和其他參數(shù)的按需調控。

3）系統(tǒng)分類：一次回風、二次回風、全新風。

經過多年的發(fā)展，HVAC的應用已經深入到國民經濟的各個部門，對促進經濟發(fā)展、提高人民生活水平起到重要保證作用，有時甚至是關鍵性的保證作用。

在HVAC中的節(jié)能觀念并不是以降低環(huán)境或抑制能量需求來換取節(jié)能，而是通過綜合資源規(guī)劃（IRP）方法和能源需求側管理（DSM）技術的應用，提高建筑的能量效率，用有限的資源和最小的能量消費代價獲得最大的社會、經濟效率，滿足日益增長的環(huán)境需求。

（二）變頻器在中央空調中的應用

同時具有精確控制和大幅度節(jié)能的特點，因此也成為中央空調系統(tǒng)和HVAC的標準控制手段。

在中央空調系統(tǒng)中加裝變頻器時要考慮的問題完全不同于工業(yè)應用，一般來說，在裝有中央空調的高檔公共設施里有大型電子敏感設備，如計算機系統(tǒng)、電視接收系統(tǒng)和電信網絡系統(tǒng)。這就要對變頻傳動裝置提出工業(yè)環(huán)境中不需要考慮的特殊要求，即電磁兼容問題。

以變頻器為主組成的中央空調綠色智能控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)溫度、溫差、壓力、壓差、濕度、流量等多種參數(shù)集中控制，通過自動能量優(yōu)化軟件可使暖通空調系統(tǒng)中的綜合節(jié)電率達到50%左右。同時，由于電磁兼容性好，因此能減少對周邊電路儀器的干擾并降低噪聲，而且其內置直流電抗器還可有效抑制諧波，提高功率因數(shù)。

以三晶SAJ8000G為例，在機場、廣電大樓、醫(yī)院、地鐵等高檔場合得到廣泛應用。該系統(tǒng)集數(shù)據傳感、雙PID控制和控制執(zhí)行于一體，反饋值及給定值可直接按單位設定；內置RS485通信協(xié)議，可直接接收Modbus協(xié)議，并留有選件接口，成功解決了傳統(tǒng)變頻器運用于暖通空調系統(tǒng)設備配置龐雜的問題；能實現(xiàn)春夏秋冬4種運行模式轉換，具有一機多控、遠程控制和現(xiàn)場控制多重控制功能，既能滿足樓宇自控對風機水泵的要求，又不失樓宇自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時現(xiàn)場獨立操作的靈活性。

在中央空調系統(tǒng)中，用變頻器進行流量（風量）控制時，可節(jié)約大量電能。中央空調系統(tǒng)在設計時是按現(xiàn)場最大冷量需求量來考慮的，其冷卻泵、冷凍泵也是按單臺設備的最大工況來考慮的，在實際使用中有90%多的時間，冷卻泵、冷凍泵都工作在非滿載狀態(tài)下。如果用閥門、自動閥調節(jié)，不僅會增大系統(tǒng)節(jié)流損失，而且調節(jié)是階段性的，會造成整個空調系統(tǒng)工作在波動狀態(tài)，而通過在冷卻泵、冷凍泵上加裝變頻器則可一勞永逸地解決該問題，還可實現(xiàn)自動控制，并可通過變頻節(jié)能收回投資。同時，變頻器的軟起動功能及平滑調速的特點可實現(xiàn)對系統(tǒng)的平穩(wěn)調節(jié)，使系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，并延長機組及網管的使用壽命。

（三）變頻器在供熱系統(tǒng)中的應用

在供熱系統(tǒng)中，變頻器可用于熱力站循環(huán)泵、補水泵和鍋爐房的鼓引風機、循環(huán)泵等耗能負載的水量，風量調節(jié)，可使熱網供熱質量穩(wěn)定高效，能有效避免局部熱網過冷過熱問題，還能消除鼓引風機風門產生的噪聲，減輕了工人的勞動強度，較大幅度地降低了系統(tǒng)的維護費用。

通過變頻器內置直流電抗器能使功率因數(shù)接近于1，并可有效抑制諧波，避免對周圍設備的電磁干擾，更為重要的是具有自動能量優(yōu)化功能，可大量節(jié)約能源。

二、中央空調水循環(huán)系統(tǒng)的控制設計

大部分建筑物在一年當中，只有幾十天時間，中央空調處于最大負載。中央空調冷負載，始終處于動態(tài)變化之中，如每天早晚、每季交替、每年輪回、環(huán)境及人文等，實時影響中央空調冷負載。一般，冷負載在5%～60%范圍內波動，大多數(shù)建筑物每年至少70%是處于這種情況，而大多數(shù)中央空調，因系統(tǒng)設計多數(shù)以最大冷負載為最大功率驅動。這樣，造成實際需要冷負載與最大功率輸出之間的矛盾，產生巨大能源浪費，增加經營的成本，降低經營競爭力。

下面介紹了一種新穎的智能變頻控制設備，它采用國際上最為流行的成熟的交流調速技術、PLC控制技術，能對中央空調的泵組實現(xiàn)全自動閉環(huán)控制。由于采用了先進的SAJ8000G系列可編程序控制器，并可通過中文文本操作器（或觸摸屏）進行簡潔明了的操作和控制，從而決定了本控制方式不僅在系統(tǒng)的抗擾性、可靠性上大有保證，而且在操作的界面上更符合HMI標準。

（一）中央空調系統(tǒng)的控制方式概述

圖2所示為中央空調水循環(huán)控制系統(tǒng)的構成，主要分為冷凍主機、冷凍水（熱水）循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，智能變頻柜主要控制的對象為冷凍水（熱水）回路和冷卻水回路。

圖2：中央空調水循環(huán)控制系統(tǒng)的構成

1、冷凍水循環(huán)的控制

冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由冷凍水泵及冷凍水管道組成。從冷水機組流出的冷凍水由冷凍水泵加壓送入冷凍水管道，在房間內進行熱交換，帶走房間內熱量，從而使房間內的溫度下降。

冷凍水泵的控制方式為：最高層（或最不利端）壓力控制。

在高層的中央空調系統(tǒng)中， 各層的空調機是相對應于熱負載的變動開閉冷水進口閥， 以調節(jié)室溫

的，由于冷凍水的流量經常發(fā)生變化，會引起最高層水壓的較大變化，因此為了解決該問題，應控制冷水泵的出水閥，以保持最高層水壓大致恒定。但大多數(shù)應用場合，都是保持出水閥門開度一定，任隨壓力變化的，如果這樣，會導致壓力損失，效率低。此時，若采用轉速控制，以保持最佳壓力，則可防止壓力損失并較大幅度提高效率并取得好的節(jié)能效果。

2、冷卻水循環(huán)的控制

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻水泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷水機組成進行熱交換，在水溫冷卻的同時，必將釋放大量的熱量。該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升高。冷卻水泵將升了溫的冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進行熱交換，然后再將降了溫的冷卻水，送回到冷水機組。如此不斷循環(huán)，帶走冷水機組釋放的熱量。 冷卻水泵的控制方式為：恒溫差控制。

由于冷卻塔的水溫是隨環(huán)境溫度而變化的，其單側水溫不能準確地反映冷凍機組產生熱量的多少，所以，對到冷卻水泵，以進水和回水的溫差作為控制依據，實現(xiàn)進水和回水間的恒溫差控制是比較合理的。溫差大，說明冷凍機組產生的熱量大，應提高冷卻泵的轉速，增大冷卻水的循環(huán)速度；反之則應該降低轉速。

（二）中央空調水循環(huán)控制系統(tǒng)的PLC、變頻器及人機界面

1、PLC控制原理

關于中央空調水循環(huán)系統(tǒng)的PLC控制原理如圖3所示，包括DP210人機界面、PLC的K80S CPU模塊和G7Fu2014u2014ADHA模擬量模塊。其中DP210人機界面負責數(shù)據設定（壓差或溫差設定）、數(shù)據顯示（溫度、溫差、壓力、壓差）、狀態(tài)設定和顯示，以及維修說明書等幫助材料；K80S-CPU模塊負責包括內置PID的順序程序控制；G7Fu2014u2014ADHA模擬量模塊為2入1出，輸入量為溫度1和2或壓力1和2（1：進水回路；2：出水回路），輸出量為電動機轉速信號（控制變頻器的信號）。

2、模擬量和PID控制

本系統(tǒng)采用K80S PLC內置的PID功能。所謂PID控制，就是使一個過程按預設值（SV）保持其為穩(wěn)定狀態(tài)的控制過程，通過設定值SV和過程反饋值PV進行比較，當兩項值有差別時，控制器輸出執(zhí)行值MV來減少這種差異。PID包括3個控制量：比例P、積分I、微分D。

K80S PLC的內置PID具有如下的功能：

（1）PID功能內置于CPU中，不需要分開的PID模塊，使用指令PID8或PIDAT就可以執(zhí)行PID功能；

（2）向前向后運行都有效；

（3）可任意選擇P操作、PI操作、PID操作和ON/OFF操作；

（4）手動輸出有效，用戶可以定義強制輸出；

（5）通過正確的參數(shù)設定，無論外界有無干擾，都可以保持穩(wěn)定的運行；

（6）根據系統(tǒng)特性運行掃描時間（PID控制器從執(zhí)行機構得到采樣值的時間間隔）是可變的。

由中央空調水循環(huán)系統(tǒng)的控制圖可以看出，本智能控制設備采用恒壓或恒溫差PID控制，模擬信號輸入和輸出通過G7Fu2014u2014ADHA模塊，設定數(shù)據通過DP210操作，具體示意如圖4所示。

3、變頻器選型

由于本系統(tǒng)采用PLC的PID控制功能，所以對變頻器的選型并無特殊要求，只需選用通用變頻器，如SAJ8000G系列變頻器。

（三）節(jié)能預估

根據流體力學原理，流量Q與轉速n的一次方成正比，管壓H與轉速n的二次方成正比，軸功率與轉速 n的三次方成正比。

當所需要流量減少，離心泵轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降。當所需流量為額定流量的80%時，轉速也下降為額定轉速的80%，而軸功率降為51.2%；當所需流量為額定流量的50%時，軸功率降為12.5%。當然，轉速降低時，效率也會有所下降，同時還應考慮控制裝置的附加損耗等影響。 即使如

此，這種節(jié)電效果也非?？捎^。

綜合實際運行效果，對冷凍泵拖動系統(tǒng)、冷卻泵拖動系統(tǒng)、風機（包括室內風機和冷卻塔風機）拖動系統(tǒng)實施變頻控制后的基本節(jié)能效果為35%～55%，最小節(jié)能為35%，最大達55%。

三、中央空調變頻風機的幾種控制方式

目前的中央空調系統(tǒng)中，變頻風機正在被廣泛使用，其中如下突出的優(yōu)點：節(jié)能潛力大，控制靈活，可避免冷凍水、冷凝水上頂棚的麻煩等。然而變頻風機系統(tǒng)需要精心設計、精心施工、精心調試和精心管理，否則有可能產生諸如新風不足、氣流組織不好、房間負壓或正壓過大、噪聲偏大、系統(tǒng)運行不穩(wěn)定、節(jié)能效果不明顯等一系列問題。

下面介紹在中央空調中變頻風機的幾種控制方式的原理和適用場合。

（一）變頻風機的靜壓PID控制方式

送風機的空氣處理裝置是采用冷熱水來調節(jié)空氣溫度的熱交換器，冷、熱水是通過冷、熱源裝置對水進行加溫或冷卻而得到的。大型商場、人員較集中且面積較大的場所常使用此類裝置。圖5所示給出了一個空氣處理裝置中送風機的靜壓控制系統(tǒng)。

在第一個空氣末端裝置的75%～100%處設置靜壓傳感器，通過改變送風機入口的導葉或風機轉速的辦法來控制系統(tǒng)靜壓。如果送風干管不只一條，則需設置多個靜壓傳感器，通過比較，用靜壓要求最低的傳感器控制風機。 風管靜壓的設定值（主送風管道末端最后一個支管前的靜壓）一般取250～375Pa之

間。若各通風口擋板開起數(shù)增加，則靜壓值比給定值低，控制風機轉速增加，加大送風量；若各通風口擋板開啟數(shù)減少，靜壓值上升，控制風機轉速下降，送風量減少，靜壓又降低，從而形成了一個靜壓PID控制的閉環(huán)。

在靜壓PID控制算法中，通常采用兩種方式，即定靜壓控制法和變靜壓控制法。定靜壓控制法是系統(tǒng)控制器根據設于主風道2/3處的靜壓傳感器檢測值與設定值的偏差，變頻調節(jié)送風機轉速，以維持風道內靜壓一定。變靜壓控制法即利用DDC數(shù)據通信技術，系統(tǒng)控制器綜合各末端的閥位信號，來判斷系統(tǒng)送風量盈虧，并變頻調節(jié)送風機轉速，滿足末端送風量需要。由于變靜壓控制法在部分負載下風機輸出靜壓低，末端風閥開度大，因此風機節(jié)能效果好、噪聲低，同時又能充分保證每個末端的風量需要。

控制管道靜壓的好處是有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行并排除各末端裝置在調節(jié)過程中的相互影響。此種靜壓PID控制方式特別適合于上下樓層或被隔開的各個房間內用一臺空氣處理裝置和共用管道進行空氣調節(jié)的場合，如商務大廈的標準辦公層等。

四、總結

中央空調水循環(huán)控制系統(tǒng)采用恒參數(shù)（壓力、壓差、溫度、溫差等）工作，當參數(shù)減小或增加時，本自動化系統(tǒng)通過降低或增加水泵轉速減小或增加供水（或風）量，以保持空調管網參數(shù)恒定，從而達到高效節(jié)能目的。

本系統(tǒng)具有以下特點：

（1）自動化程度高，功能齊全，使用、管理簡便；

（2）采用了先進優(yōu)質的進口變頻器和PLC，數(shù)字化操作、直觀簡便，無須人員看管；

（3）循環(huán)軟起動采用自補償切換技術，系統(tǒng)電器及機械沖擊小，能顯著延長電控元器件及水泵的壽命；

（4）有定時的開關機功能；

（5）有定時換泵功能；

（6）有自動巡檢功能；

（7）有故障自診功能；

（8）設備緊湊、占地少、節(jié)省投資；

（9）界面友好、方便實用。