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摘 要：本文对空调系统节能的现状进行了研究，分析了空调系统的原理结构和变频节能控制原理。结合plc与变频技术，采用将温差与进水温度的混合控制方案对空调系统进行节能改造，并进行了改造后的节能分析。指出空调采用变频调速控制具有较好的实用价值和发展前景。
关键词：空调；变频技术；PLC；节能
：A
随着科技的发展以及人民生活水平的提高，空调系统已经成为现代建筑物中不可缺少的基础设施之一。但是，空调系统也是工厂和商务楼宇中的耗能大户。因此，为使空调系统能够节能减排，系统温度稳定，必须对空调控制系统实施改造。然而，为了保证高可靠性，空调系统中的冷却水循环系统、制冷压缩机组、冷冻（媒）水循环系统、盘管风机系统以及冷却水塔风机系统等的最大容量在设计之初均是按照目标最大的制热、制冷负荷来进行设计的，甚至新风交换量也是按照最大量进行选型，剩余量非常充足。这样就使得传统的空调系统一年四季、白天或者黑夜以及用户的实用负荷等无论怎样变化都会工作在最大负荷状态，电机全速运行，能源浪费现象极为严重。随着物价的不断上涨，电费也在上浮，直接导致空调系统所需要的运行费用大幅增加，从而使得空调系统的运行成本占据了整个目标运行成本中很大的一个比例。据相关部门统计，各类采用空调系统机构的总用电量超过65%以上的用电消耗来自于空调，而其中，空调系统中的水泵的用电量占据了空调系统总用电量的15～35%，因此，研究如何节约水泵以及风机的能源消耗问题是实现空调节能技术的关键，具有极其重要的经济意义。世界各国都在提倡节能减排，因而，空调系统的节能改造便成为了必然。
在空调系统中，热量的传递是通过流体物质来完成的，其中，在制冷系统中一般用制冷剂，而冷却水系统和冷冻水系统都是以水作为传输介质。制冷主机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中，由风机吹送冷风达到降温的目的。经蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量，与冷却循环水进行热交换，由冷却水泵将带来热量的冷却水送到冷却水塔上由水塔风机对其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气中去。
（1）
上式表明，水泵的流量与其转速成正比，水泵的扬程与其转速的平方成正比，水泵的功率与其转速的立方成正比。而水泵的轴功率等于流量与压力的乘积， 故水泵的轴功率与其转速的三次方成正比（即与电源频率的三次方成正比）
根据上述原理可知： 改变水泵的转速就可改变水泵的功率。是一种能够显著节约能源的方法。
根据异步电动机原理：
（2）
式中：转速
f：频率
p：电机磁极对数
s：转差率
由（2）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，通过改变频率使风机、水泵的转速、消耗的功率迅速下降，达到节能目的。
目前，在冷却水循环系统进行改造的方案最为常见，节电效果也较为显著。由于进水温度是随环境温度不断变化的，因此，把温差设置为恒定值并非上策。通过研究发现，根据进水温度来随时调整温差的大小是可取的。即：当进水温度低时，应主要着眼于节能效果，将温差的目标值可适当的设置高一点；而在进水温度高时，则必须保证冷却效果，这时，可以将温差的目标值设置低一点。
基于对节能改造方案的研究，在设计之初，综合考虑空调系统的冷却效果和节能效果，最终选择将温差与进水温度的混合控制方案作为本空调系统节能实施方案，温差大小的调节则直接与进水温度相关。即：进水温度T1<24℃时，主要着眼于节能效果，温差的目标值设为△T=5℃；而在进水温度T1>32℃时，温差的目标值设为△T=3℃，从而保证了冷却效果。在同时考虑进水温度和进出水温差的情况下，使冷却水闭环控制系统能够根据现场温度和负载的变化自动调节三台水泵的运行情况。
空调系统中的控制系统由PLC、变频器等构成。本课题中的PLC选择OMRON（欧姆龙）的CP1H-XA40DR-A，变频器选择欧姆龙3G3RX-A4075。
本文研究的空调系统中，温度传感器安装在冷却水管道中，主要负责采集通过管道中的进水温度和出水温度的模拟信号。热电阻输入模块将温度传感器采集到的模拟信号转换成电信号，这个电信号经过PLC控制单元，PLC控制单元按照设计的应用程序通过变频器调节冷却水泵的具体运行效率。
进行技术改造后，系统会根据负载的变化而实际调节变频器频率。根据以往运行参数的统计与改造后的节能预测，平均节能约40%左右，节能效果是十分显着的，一般改造后投入运行三年左右即可收回成本。
由于采用了温差与进水温度的混合控制，提高了冷冻机组的工作效率，提高了自动化水平。减少了人为因素的影响，大大优化了系统的运行环境、运行质量。具有较好的实用价值和发展前景， 值得进一步研究和完善。
参考文献
陈建东.空调系统水泵变频节能技术的应用分析[J].制冷技术，2006（04）.12-14.
吴木荣.浅谈空调系统节能改造[J].电源世界，2010（08）：55-58.
[3]杨振彪.PLC 在空调控制系统中的节能应用[J].广东科技，2011，（16）：
50-51.
[4]殷洪义.可编程控制器选择设计和维护[M].北京：机械工业出版社，2003.
[5]李良仁.变频调速技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2010.
[6]王艳春.基于PLC的变频器调速系统设计[D].大庆：东北石油大学，2010 .
关键词：空调；变频技术；PLC；节能
：A
随着科技的发展以及人民生活水平的提高，空调系统已经成为现代建筑物中不可缺少的基础设施之一。但是，空调系统也是工厂和商务楼宇中的耗能大户。因此，为使空调系统能够节能减排，系统温度稳定，必须对空调控制系统实施改造。然而，为了保证高可靠性，空调系统中的冷却水循环系统、制冷压缩机组、冷冻（媒）水循环系统、盘管风机系统以及冷却水塔风机系统等的最大容量在设计之初均是按照目标最大的制热、制冷负荷来进行设计的，甚至新风交换量也是按照最大量进行选型，剩余量非常充足。这样就使得传统的空调系统一年四季、白天或者黑夜以及用户的实用负荷等无论怎样变化都会工作在最大负荷状态，电机全速运行，能源浪费现象极为严重。随着物价的不断上涨，电费也在上浮，直接导致空调系统所需要的运行费用大幅增加，从而使得空调系统的运行成本占据了整个目标运行成本中很大的一个比例。据相关部门统计，各类采用空调系统机构的总用电量超过65%以上的用电消耗来自于空调，而其中，空调系统中的水泵的用电量占据了空调系统总用电量的15～35%，因此，研究如何节约水泵以及风机的能源消耗问题是实现空调节能技术的关键，具有极其重要的经济意义。世界各国都在提倡节能减排，因而，空调系统的节能改造便成为了必然。
一、空调工作原理与结构
如图1所示，空调系统的组成主要包括三个机组系统，两个设备，三个机组系统指的是冷冻水循环系统、冷却水循环系统以及风机盘管系统，而两个设备主要指的是冷却塔和制冷主机。在空调系统中，热量的传递是通过流体物质来完成的，其中，在制冷系统中一般用制冷剂，而冷却水系统和冷冻水系统都是以水作为传输介质。制冷主机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中，由风机吹送冷风达到降温的目的。经蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量，与冷却循环水进行热交换，由冷却水泵将带来热量的冷却水送到冷却水塔上由水塔风机对其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气中去。
二、空调的变频节能控制原理
流体传输设备水泵是一种平方转矩负载，其转速n与水泵流量Q，水泵扬程H及水泵功率N的关系如下式所示：（1）
上式表明，水泵的流量与其转速成正比，水泵的扬程与其转速的平方成正比，水泵的功率与其转速的立方成正比。而水泵的轴功率等于流量与压力的乘积， 故水泵的轴功率与其转速的三次方成正比（即与电源频率的三次方成正比）
根据上述原理可知： 改变水泵的转速就可改变水泵的功率。是一种能够显著节约能源的方法。
根据异步电动机原理：
（2）
式中：转速
f：频率
p：电机磁极对数
s：转差率
由（2）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，通过改变频率使风机、水泵的转速、消耗的功率迅速下降，达到节能目的。
三、空调系统节能改造方案与设计
空调系统的运行机制就是热交换的能量转换过程，能量的转换主要通过冷冻水和冷却水循环系统作为传输媒介实现，所以空调控制系统的主要工作内容便是控制冷却水和冷冻水循环系统，这两个循环系统是实现节能技术的关键点，也正是本文准备进行节能改造的目标。1 空调系统节能改造方案
图2即为通过加装变频器实现空调系统节能的方案。目前，在冷却水循环系统进行改造的方案最为常见，节电效果也较为显著。由于进水温度是随环境温度不断变化的，因此，把温差设置为恒定值并非上策。通过研究发现，根据进水温度来随时调整温差的大小是可取的。即：当进水温度低时，应主要着眼于节能效果，将温差的目标值可适当的设置高一点；而在进水温度高时，则必须保证冷却效果，这时，可以将温差的目标值设置低一点。
基于对节能改造方案的研究，在设计之初，综合考虑空调系统的冷却效果和节能效果，最终选择将温差与进水温度的混合控制方案作为本空调系统节能实施方案，温差大小的调节则直接与进水温度相关。即：进水温度T1<24℃时，主要着眼于节能效果，温差的目标值设为△T=5℃；而在进水温度T1>32℃时，温差的目标值设为△T=3℃，从而保证了冷却效果。在同时考虑进水温度和进出水温差的情况下，使冷却水闭环控制系统能够根据现场温度和负载的变化自动调节三台水泵的运行情况。
2 空调系统设计
空调系统，主要包括：冷却水泵（三台）、温度传感器、热电阻输入模块、plc、变频器。空调系统中的控制系统由PLC、变频器等构成。本课题中的PLC选择OMRON（欧姆龙）的CP1H-XA40DR-A，变频器选择欧姆龙3G3RX-A4075。
本文研究的空调系统中，温度传感器安装在冷却水管道中，主要负责采集通过管道中的进水温度和出水温度的模拟信号。热电阻输入模块将温度传感器采集到的模拟信号转换成电信号，这个电信号经过PLC控制单元，PLC控制单元按照设计的应用程序通过变频器调节冷却水泵的具体运行效率。
四、节能改造前后运行效果比较
1 节能效果及投资回报进行技术改造后，系统会根据负载的变化而实际调节变频器频率。根据以往运行参数的统计与改造后的节能预测，平均节能约40%左右，节能效果是十分显着的，一般改造后投入运行三年左右即可收回成本。
2 对系统的正面影响
由于冷冻泵、冷却泵以及冷却风机采用了变频器软启停，消除了原来工频启动时大电流对电网的冲击，用电环境得到了改善，同时变频器能改善功率因素，电能的使用效率会大大提高；并消除了水泵启停时产生的水锤对管道、阀门、压力表等的损害；消除了原来直接启停水泵造成的机械冲击，电机及水泵的轴承、轴封等机械磨擦大大减少，机械部件的使用寿命得到延长 ；由于水泵大多数时间运行在额定转速以下，电机的噪声、温升及震动都大大减少，电气故障也比原来降低，电机使用寿命也相应延长。由于采用了温差与进水温度的混合控制，提高了冷冻机组的工作效率，提高了自动化水平。减少了人为因素的影响，大大优化了系统的运行环境、运行质量。具有较好的实用价值和发展前景， 值得进一步研究和完善。
参考文献
陈建东.空调系统水泵变频节能技术的应用分析[J].制冷技术，2006（04）.12-14.
吴木荣.浅谈空调系统节能改造[J].电源世界，2010（08）：55-58.
[3]杨振彪.PLC 在空调控制系统中的节能应用[J].广东科技，2011，（16）：
50-51.
[4]殷洪义.可编程控制器选择设计和维护[M].北京：机械工业出版社，2003.
[5]李良仁.变频调速技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2010.
[6]王艳春.基于PLC的变频器调速系统设计[D].大庆：东北石油大学，2010 .
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