安军强, 张刚 (河北科技大学，河北石家庄050054) 摘要 介绍了中央空调循环水系统变频节能改造的可行性，提出了一种双闭环变频改造方案，给出了用PLC 来实现的具体方法，并给出了相应数字PID调节器的设计、应用及调试方法。 关键字 中央空调循环水；变频；节能；PLC；数字调节器 Abstract Keywords
0 引言
央空调系统中，冷冻水泵和冷却水泵的容量是根据建筑物最大设计热负荷选定的，且留有（10-20）%的设计余量。在没有使用调速的系统中，水泵一年四季在工频状态下全速运行，只好采用节流或回流的方式来调节流量，不仅造成了能量的极大浪费，而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。
由于有四季、阴晴雨雪、白天与黑夜的变化，导致外界环境温度相差很大，使得中央空调的热负荷在绝大部分时间里远比设计负荷低。也就是说，中央空调大部分时间实际运行在低负荷状态下。
据统计，67%的工程设计热负荷值为（94~165）W/m2，而实际上83%的工程热负荷只有58~93 W/m2，满负荷运行时间每年不超过10~20 h。
一般冷冻水设计温差为5~7℃ ，冷却水的设计温差为4~5℃，系统在工频运行的情况下，全年绝大部分运行时间温差仅为1~3℃，即在低温差、大流量下工作，从而增加了管路系统的能量损失，浪费了水泵运行的输送能量。由于冷冻水、冷却水带走的J（热量）=r（比热）×Q（流量）×△T（温差），而传输的介质是水，其r是不变的。这样，可以适当提高△T，降低Q，也即降低转速，使其乘积不变，使冷冻水、冷却水带走的热量相同，即可达到节能的目的。
对于水泵来说，流量Q 与转速n 成正比，循环水温差△T与转速n成反比，扬程H 与转速n的二次方成正比，而轴功率P与转速n的三次方成正比，即Q∝n，△T∝1/n，H∝n2，P∝n3。由此可看出，调整水泵转速进行节能降耗具有巨大潜力。
从表1可以看出，当流量稍有下降时，泵的功率便急剧下降，节能效果非常显著。例如：100 kW的电机，当流量下降为80%时，功率下降为51 kW，可节省49 kW的功率。因此，随热负荷而改变水量的变流量空调循环水系统显示了巨大的优越性，因而得到越来越广泛的应用。采用变频器调节泵的转速，可以方便地调节水的流量，用反映负荷变化的传感器、PID调节器和变频器组成闭环控制系统，使泵的转速随负荷变化，这样就可以实现节能，其节能率通常都在30%以上。
1 双闭环变频调速控制方案的提出
1.1 冷冻水系统
冷冻泵夏天供冷水，冬天供热水，以满足冬夏对室内温度的要求，相应控制模式稍有差别。
1)制冷模式下的冷冻水控制系统
此模式下的冷冻水出水温度取决于蒸发器的运行参数（一般为7℃），控制冷冻水回水温度即可控制温差，但是如果仅以温差为目标值组成闭环控制系统是不行的，因为冷冻水如果在制冷机组中流量达不到一定值，会引起空调制冷机组停机；或者冷冻水循环不完全，使得高层楼的室内无冷风。
因此，我们采用压力传感器、温度传感器、PID 调节器和变频器组成双闭环控制系统，应用温度控制环维持温差的恒定，应用压力流量控制环使水流量在预设定的流量高限和流量低限之间随外界的环境温度变化而变化，其控制原理框图见图1。外环为温度控制环，内环为压力流量控制环，回水温度给定与实际回水温度之差，经温度调节器运算后，作为内环压力给定；压力给定与实际循环水压力的偏差，经压力调节器运算后，作为变频器的频率设定信号，当变频器的频率达到电机的额定频率实际循环水压力仍达不到压力给定时，变频泵切入工频电网，变频器带另一台停止时间最长的水泵运行，直至消除偏差；在两台以上的水泵运行，变频器的频率达到预设定的最低频率实际循环水压力仍高于压力给定时，投运时间最长的水泵停止运行，变频泵速度上升，消除偏差。通过此系统，可把冷冻水回水温度控制在T1 (例如12℃)，使冷冻水泵的转速和投运台数相应于热负荷的变化而变化。
2) 制热模式下的冷冻水控制系统
此模式是中央空调中热泵运行（即中央空调冬天制热）时冷冻水泵系统的控制方案，它与制冷模式相比，只是在回水温度给定与实际回水温度有偏差时，温度调节器运算后的压力给定调节方向发生了变化，所以对制冷模式下的温度调节器的比例环节中的比例系数取反，即成为制热模式下的冷冻水控制系统。
1.2 冷却水系统
与冷冻水系统类似，取冷却塔冷凝器两测水的温差作为控制参数，采用压力传感器、温度传感器、PID调节器和变频器组成双闭环控制系统，应用温度控制环维持温差的恒定，应用压力流量控制环使水流量在予设定的流量高限和流量低限之间随制冷机组的换热量的变化而变化，其控制原理框图同图1，只是把外环的温度反馈改为温差反馈，温度给定改为温差给定，冷冻水泵改为冷却水泵。
外环为温差控制环，内环为压力流量控制环，温差给定与实际温差的偏差，经温度调节器运算后，作为内环压力给定；压力给定与实际循环水压力的偏差，经压力调节器运算后，作为变频器的频率设定信号，当变频器的频率达到电机的额定频率而实际循环水压力仍达不到压力给定时，变频泵切入工频电网，变频器带另一台停止时间最长的水泵运行，直至消除偏差；在两台以上的水泵运行，变频器的频率达到预设定的最低频率实际循环水压力仍高于压力给定时，投运时间最长的水泵停止运行，变频泵速度上升，消除偏差。通过此系统，可把冷却水温差控制在△T2 (例如5°C)，使冷却水泵的转速相应于空调制冷机组热负荷的变化而变化，使系统在满足空调主机工况不变
条件下，冷却水系统节能最大。
2 双闭环变频调速控制系统的电气实现
冷却水控制系统的实现，与冷冻水控制系统的实现类似，故只举例冷冻水控制系统。
2.1 电气设备的配置
1) SIEMENS S7-200 PLC (带模拟量输入输出模块EM235 1台) 1台;
2) SIEMENS TD200中文文本显示器1台
3)日立L300P-550HFE 变频器1台;
4)监频监相器1台;
5)电阻远传压力表
