（机械电子工程专业论文）工业空调变频节能总线控制技术研究与系统实现.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 空调在生产和生活中起着重要的作用，其能耗占生产过程和楼宇建 筑总能耗的比重在不断提高，随着国家能源的紧缺，以及全球信息化的 发展，空调节能的研究受到广泛的关注。本文针对工业空调目前的控制 方式和节能状况进行分析，从控制方法上入手，设计了基于c a n 总线的 工业空调节能监控系统。 论文首先介绍了变频调速技术，并对工业空调系统中的水泵与风机 等拖动系统的变频调速控制的实现原理进行了阐述，论证了工业空调系 统中实现变频调速节能的可行性。 接着，对比分析了几种现场总线技术的适用场合，论证了采用c a n 总线进行集散控制的优势；设计了以单片机为控制核心的现场智能结 点，对现场智能结点的硬件电路进行了选型设计，同时进行了软件系统 的编写工作；设计了空调系统节能控制的上位机监控系统，监控主机软 件采用国际上比较流行的v is u a lc ”进行设计，可以对温湿度信号进行 实时的显示、处理、保存和节点控制。最后进行系统的集成，通过采样 温湿度等空气质量信号，工业空调做出相应的控制动作用来实现对风机 与水泵的变频调速控制，实现空调系统的高效节能。 关键词：工业空调，变频，节能，c a n 总线，监控 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t a i rc o n d i t i o n e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei np r o d u c t i o na n dd a i l yl i f e i t t a k e su pa ni n c r e a s i n gp r o p o r t i o no ft h ew h o l ee n e r g yc o n s u m p t i o ni n p r o d u c t i o na n db u i l d i n g s w i t ht h es h o r t a g eo ft h en a t i o n a le n e r g ya n dt h e d e v e l o p m e n to fg l o b a li n f o r m a t i o n ，m o r ea n dm o r ep e o p l ea r ec o n c e m i n g a b o u tt h es t u d yo nt h ee n e r g ys a v i n go ft h ea i rc o n d i o n e r i ti sa n a l y z e dt h e a c t u a lc o n t r o lm o d eo ft h ei n d u s t r i a la i rc o n d i t i o n e ra n dt h ec o n d i t i o no ft h e e n e r g ys a v i n gi nt h ep a p e r s t a r t i n gw i t ht h ec o n t r o lm o d e ，t h em o n i t o r s y s t e mo ft h ee n e r g ys a v i n go ft h ei n d u s t r i a la i rc o n d i t i o n e rw a sd e s i g n e do n t h eb a s i so ff i e l db u ss t r u c t u r e f i r s t l y , t h et e c h n o l o g yo f t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n gi si n t r o d u c e d i nt h ep a p e r m o r e o v e r t h er e a l i z a t i o np r i n c i p l eo ft h em o n i t o ro ft h e f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n go ft h ed r a gs y s t e mo ft h ew a t e rp u m po ft h e i n d u s t r i a la i rc o n d i t i o n e rs y s t e m ，t h ea i rb l o w e ra n dt h el i k ei se x p a t i a t e di n t h ep a p e r t h er e a l i z a t i o no ft h ef e a s i b i l i t yo ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n t i m i n ge n e r g ys a v i n g i nt h ei n d u s t r i a la i rc o n d i t i o n e r s y s t e m i s d e m o n s t r a t e d s e c o n d l y ，t h es u i t a b l es i t u a t i o no ft h et e c h n o l o g yo fs e v e r a lk i n d so f l o c a lb u si sa n a l y z e di nc o n t r a s tw h i c hd e m o n s t r a t e st h ea d v a n t a g eo ft h e a d o p t i o no ft h ec a nb u si nt h ep r o c e s so ft h ec o l l e c t i o na n dd i s t r i b u t i o n m o n i t o r 1 1 1 es c e n ei n t e l l i g e n c ec r u n o d eo ft h es c ma st h em o n i t o r e dc o r ei s d e s i g n e d ，t h eh a r d w a r ec i r c u i to f w h i c hi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h es h a p e ， f u r t h e r m o r e ，t h es o f t w a r es y s t e mi sc o m p i l e da tt h es a m et i m e t h em o n i t o r e ds y s t e mo ft h eu p p e rm a c h i n eo ft h ee n e r g yc o n t r o lo ft h e a i rc o n d i t i o n e rs y s t e mi s d e s i g n e d t h ec o m p a r a t i v ep o p u l a rv i s u a lc + + w a s a d o p t e di nt h es o f t w a r eo ft h em o n i t o r e dh o s tc o m p u t e rw h i c hc a nc a r r y t h r o u g ht h er e a l t i m ed i s p l a y ，d i s p o s a l ，c o n s e r v a t i o na n dt h ec o n t r o lo f n o d e t ot h es i g n a lo fw a r ma n dh u m i d d e g r e e f i n a l l y ，t h ei n t e g r a t i o no ft h es y s t e mi sp r o c e s s e d t h r o u g hs a m p l i n g t h es i g n a lo ft h ea i rq u a l i t yo fw a r ma n dh u m i dd e g r e e ，i n d u s t r i a la i r c o n d i t i o n e rd o e st h e c o r r e s p o n d i n g c o n t r o lm o v e m e n tt or e a l i z et h e 中南大学硕士学位论文 a b s 仃a c t c o n t r o lo ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n go ft h ea i rb l o w e ra n dw a t e rp u m p a n dt h eh i g h l ye f f e c t i v ee n e r g ys a v i n go ft h ea i rc o n d i t i o n e rs y s t e m k e yw o r d s ：i n d u s t r i a l a i r - c o n d i t i o n ， f r e q u e n c y c o n v e r s i o n ， e n e r g y s a v i n g ，c a nb u s ，m o n i t o r i n g i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名 期：上上年上月兰二臼 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，空调系统己广泛应用于工业 与民用建筑域，如宾馆、酒店、写字楼、商场、厂房等场所，用于保持温度恒定。 然而空调行业的能耗相当大，据统计，中央空调的用电量占工业总用电量的大部分， 其中，仅水泵的耗电量约占到空调系统耗电量的一半，且存在巨大的能源浪费。因 此，对空调进行节能的研究受到越来越广泛的重视，降低系统能耗成为当务之急n 1 。 传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷 却塔风机系统、盘管风机系统等的容量基本是按照工业空间最大制冷、制热负荷或 新风交换量需求选定的，且留有充足余量。无论季节、昼夜和用户负荷怎样变化， 各电机都长期固定在工频状态下全速运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不具备 随用户负荷动态调节系统功率的特性，而在大多数时间里，用户负荷是较低的，这 样就造成很大的能源浪费。近年来节能降耗被国家摆到空前重要的位置。而国家供 电紧张形势依然没有根本缓解，电价不断上调，造成中央空调系统运行费用上升， 如何控制空调系统的电能费用己经成为越来越多空调的经营管理者与工业现场所关 注的问题。 为寻求节能、高效、稳定可靠的空调系统，研究人员进行了大量的尝试乜】。目 前，在空调的节能方面主要有两个方面的尝试，第一体现在空调系统的运行节能方 面；第二，体现在空调系统的控制节能方面。 空调系统在运行中需要消耗大量的能量。如一些发达国家用于空调( 包括供暖) 所消耗的能量约占总消耗能量的1 3 ，有的甚至达到总消耗能量的4 5 。在科威特， 空调耗电量占了年高峰用电量的7 0 。在世界范围内，自1 9 4 5 年以来，空调所消 耗的能量每年平均以4 5 的速度增长。我国的一些安装空调设备的生产单位所 消耗的能量也是相当可观的。有的单位用于空调冷冻的用电量占全厂用电量的三分 之一，甚至更高。因此，在全球性能源危机的今天，如何有效地利用能源和降低能 量的消耗是我们所面临的重要任务口1 。目前在空调运行节能方面主要有以下一些措 施：变风量或变水量节能、采用多工况调节方式节能、利用空调设备进行节能。下 面简要介绍这些运行节能措施。 1 末端变风量节能 变风量空调系统是一种通过变风量末端装置实时调整送入房间风量以适应房 间负荷变化的全空气系统。由于各房间送风量是根据负荷变化的，系统总风量必然 中南大学硕士学位论文第一章绪论 也是一个不断变化的量，且多数时间小于系统的设计风量，相对于定风量系统来说， 风量输配所需的能耗显然可以大大降低。根据房间实测温度与设定温度的偏差来调 节变风量末端风阀改变送入房间的风量，从而实现对各房间负荷变化的适应。通过 变风量控制系统的灵活调节，变风量系统在风机耗能上将比定风量系统至少节省三 分之一以上的能耗。变风量技术在空调系统的节能上是一种非常有效的系统形式。 2 采用多工况调节方式实现节能 空调系统运行调节和管理的自动化不仅可以保证房间内温、湿度精度要求，节 省人力，而且也是防止空调系统中过多能量损失、节约能耗、降低运行费用的重要 途径。包括分区多工况的调节和自动转换、冷热源的能量控制、新风量控制、设备 的启、停时间和运行方式控制、温湿度设定值控制、送风温度控制、自动显示、记 录等。可通过预测室内、外空气状态参数以维持室内环境为约束条件，来判断和确 定所需提供的冷、热量、冷、热源和空调器、风机、水泵的运行台数、工作顺序和 运行时间及空调各环节的运行方式来达到节能运行效果。 3 利用空调设备进行节能 制冷机的耗电量在空调系统总耗电量中占的比例最大，降低制冷机的能耗对空 调系统的节能也具有重要意义。当冷凝温度不变，蒸发温度越低，制冷机的制冷量 越小，所耗费的能量也就越多，效率也越低，制冷机的冷冻水出水温度的高低取决 于制冷系统内的蒸发温度，冷冻水的出水温度越低，也就是空调系统要求的供冷冻 水温度越低，则制冷系统所耗费的能量也越多( 据有关资料，制冷机蒸发温度每提 高1 0 。c ，可节省电耗2 3 ，因此在允许条件下，适当提高空调供冷冻水温度也 是节能的一条不容忽视的途径。 对空调系统运行方面的节能措施，对实现空调系统的节能起到较大的作用。另 外改变对空调的控制方法，也可以实现较大的能量节约。在对空调节能控制方法的 研究中，研究人员进行了大量的有益尝试。其中普遍采用的是变频调速技术以及模 糊控制技术。 1 变频调速节能技术 变频技术的应用主要是采用变频器与电动机相结合。主要用于制冷空调系统中 有电动机提供动力的地方，如由电动机带动的冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却 塔风机、风柜、风机等电动设备。采用变频调速技术，根据负荷控制压缩机及其它 电动设备的转速，实现节约电能。采用变频技术不但可以实现大幅度的节能，而且 还能实现电动机包括压缩机的软启动，减少对电网的冲击以及快速实现高精度的温 度和湿度控制等优点。数码涡旋技术和v r v 变频多联机技术的技术核心主要也是与变 频技术结合，进而节约电能。v r v 系统是一种非常成熟的技术，在欧美国家已经广泛 的应用，在我国如深圳的市政设计院办公楼、同济大学建筑设计研究院、上海的坤 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 阳国际商务广场以及北京的电信器材公司等都有应用，节能效果非常好。 2 模糊控制节能技术 模糊控制技术在中央空调中也得到广泛的运用。由于实际工程中的空调系统能 耗较大，研究者设法将最优控制理论引入空调控制中，最大程度地降低系统的运行 成本以使其能耗最小。在国外的技术中，日本的松下、三菱等大公司应用模糊控制 技术先后在家用空调器和中央空调领域取得成功。a l b e r t 等人针对空调机组的多 输入多输出特性，并用模糊控制器和p i d 控制器对空调机组的动态特性和能耗进行 分析，结果表明，基于专家经验规则的模糊控制比p i d 控制得到更好的控制效果和 较低的能耗h 。 模糊控制在国内空调系统方面做的研究很多，主要是用于风机盘管的模糊温控 器。暖通空调系统是典型的多变量、大滞后、分布参数、变量关联藕合的非线性时 变过程，由于很难建立其精确数学模型，因此，经典控制和现代控制方法在应用中 常存在控制效果不理想，辅以人工调节，系统能耗较大等问题。而模糊控制在国内 外的研究表明，无论是设备的控制、负荷预测、空调水系统的监控，基于专家知识 和操作者经验的模糊控制的确是空调控制问题的有效途径之一。 综上说述，空调运行节能和控制方式都很好的起到了节能的效果，本文是针对 现有工业空调进行节能改造，空调主机部分采用原有的系统，对控制方法进行设计， 从控制方面来实现空调系统的节能改造。 1 2 工业空调控制节能现状与发展趋势 在计算机技术在数据处理和工业控制方面得到越来越广泛的应用的同时，自动 控制技术也在不断发展，这些控制技术已经或正在给空调技术的发展带来新的活力。 7 0 年代以后，出现了大规模的集成电路、单片机和微型计算机，它与自动控制技术 相结合，在空调技术实验室、空调设备生产车间、恒温恒湿空调房间及智能化大楼 等空调领域得到了广泛的应用。这些技术的发展，给空调技术带来发展的同时也给 空调的节能控制带来较大的发展。这些控制方法归纳起来，主要有以下几类： 1 模拟仪表自控系统 空调自控系统中使用模拟控制仪表( 电气式或电子式) ，此系统按其组成又可分 为单回路控制系统与多回路控制系统。这种方式适用于小规模空调系统。 2 直接数字控制系统 利用直接数字控制器、现场硬件( 传感器、执行器) 及其相应软件可以完成多台 机组的自动控制。它适用于供热、制冷、空调工程中各类热交换站、冷冻站、新风 机组、空调机组等常用设备的现场多参数、多回路的控制。它有完善的控制软件， 既可以独立工作，也可以接受中央站的监督控制，成为集散控制系统中的分站。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 3 集散控制系统 由分站、现场硬件、中央站及数据通信信道组成集散控制系统，对于一般空调 系统，完成集中监控管理与现场分散控制的需要。中央站各空调系统进行中央管理， 不断的监视风机、过滤器等的运行状态，收集有关温度、湿度、压力等有关参数， 并打印报表。对加热、冷却等空调设备进行p i d 控制，维持空调参数稳定。分站的 工作不受中央站停止工作的影响。这种控制方法主要是基于现场总线方式对空调系 统的控制。 随着监测手段以及自动化程度的提高，人们认识到各种控制方法对节能产生的 效果不同。自动化程度越高，控制方法越先进，控制的精度越高，节能的效果就会 越好5 l 。 对于模拟仪表级的自控系统，现场的工业空调系统由操作者到控制现场，根据 经验进行简单的调节控制模式在空调业占据很大的空间。工业空调现场在局部的水 泵、风机装有简单变频装置，控制调节完全是根据操作人员经验进行人为调节变频， 这与调节人员的经验以及知识背景相关，调节的结果对耗能影响大；另外，工业控 制现场随季节行温度差异大，通过人工调节，劳动力消耗大，控制反应不实时，不 能达到很好的节能效果。 大多数工业空调场合采用直接数字控制器( d d c ) 方式，将各个温度、湿度检测 点和控制点连接到一台或者多台d d c 上。使用一台计算机作为监控中心，使它承担 所有信号输入和输出、运算和控制、操作监视和打印制表等多项任务，实现几十个 或上百个控制回路，甚至包括空调所有控制部分的信息管理。这种控制系统采用的 是集中式结构，中央计算机的负担很重，而且对其可靠性的要求极高，一旦中央监 控计算机出现故障，整个系统将陷于瘫痪。 在工业现场，本空调装置采用r s 一4 2 2 4 8 5 通信接口相连，实现监控系统与微 机保护和自动装置之间相互交换数据和状态信息。这种通信方式主要特点是现场设 备与控制器之间的连接是一对一( 一个i o 点对设备的一个测控点) 方式，传递 4 - 2 0 m a ( 传递模拟量信息) 信号。目前存在下述问题： ( 1 ) 系统集成能力不强：控制器与现场设备之间靠i o 连线连接，传递4 - 2 0 m a 模拟量信号或2 4 v d c 开关量控制信号，并以此监控现场设备。这样控制器获取信息 量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障记录等数据很难得到。现场级设备的 数据不全，信息集成能力就不强，无法满足全部监测的数据要求。 ( 2 ) 系统不开放，可集成性差，专业性不强：除现场设备均靠标准4 2 0 m a 2 4 v d c 连结这一共同特征外，系统其他软、硬件，通常不同厂家产品之间存在较大的差异， 缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。 ( 3 ) r s - 4 2 2 4 8 5 接口的通信多为查询方式，效率低，难以满足较高的实时性要 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 求。 ( 4 ) 使用r s 一4 2 2 4 8 5 接口的通信网工作于主一从模式，主节点成为系统的瓶 颈，一旦主节点出故障，会导致整个通信系统的瘫痪。 基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要特点就是应用现场总线技术， 利用一条通讯电缆将现场设备( 智能化，带有通信接口) 连接，使用数字化通信代替 4 - 2 0 m r 直流信号，完成现场设备控制、检测、远程参数化等功能。 该系统具有下列主要优点： ( 1 ) 增强了现场级信息集成能力 现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好地满足工厂自动化及c i m s 系统的信息集成要求。现场总线式数字化通信网络，不但取代2 0 m r 模拟信号，还可 实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化 工作。 ( 2 ) 开放式、互操作性、互换性、可集成性强 不同厂家产品只要使用统一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具 有很好的可集成性。系统能够为开放式，允许其他厂商将自己专长的控制技术，如 控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行 业特点的监控系统。 ( 3 ) 系统可靠性高、可维护性好 基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的i o 连线，对 于大规模i o 系统，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场及设 备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参 数化工作，也增强了系统的可维护性。 ( 4 ) 可以大大降低系统及工程成本 对大范围、大规模i o 的分布式系统来说，由于将控制功能进一步分散到现场 设备上，所有分布在现场的控制设备仅用一条通讯电缆连结在一起，省去了到控制 室i o 模块的大量电缆，很大地降低了电缆铺设工程费用。 ( 5 ) 现场总线是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射 频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信。 现在的控制系统，从根本上都是通过对电动机进行变频调速实现节能。然而从 国内外变频调速系统已采用的通信方式看，目前尚没有一种通信技术可以很好地满 足调速系统自动化所有层次的需要。在一个变频调速系统中，往往由多种通信技术 组合成综合的通信系统，各个层次分别采用不同的通信方式。而现场总线对于变频 调速是一种全新的通信技术，基于现场总线的强大功能及上面所述的优越性能，无 论是从经济效益，还是从系统的可靠性、先进性、安全性考虑，现场总线的引入将 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 对变频调速技术带来较大的发展空间。 1 3 课题研究的目的和意义 现有中央空调在设计富余度和日温差运行变化较大的情况下，对现有循环水泵 与风机接入变频器，以及采用变频调速技术改变轴功率的方式来代替阀门控制流 量，均获得一定的节能效果1 。但现有的中央空调只是对局部的水泵、风机装有简 单变频装置，进行简单的变频调速节能，这是分散且独立的。这种设备对信号的采 集、分析、处理和监控无法进行统一的、系统的管理，将无法实现最优化运行的目 的。 面向工业控制的现场总线技术是目前解决工业控制现场数据集中通信问题的 最佳方案，使得原来分散且独立的管理方式，整合成集中优化的管理方式。这种面 向工业控制的现场总线技术是在二十世纪8 0 年代后期发展起来的一种先进的现场 工业控制技术，它集数字通信、智能仪表、微机技术、网络技术于一身，从根本上 突破了传统的“点对点 式的模拟信号控制的局限性，在整个控制系统内部实现了 各节点信息共享，为真正的“分散式控制，集中式管理”提供了可靠的技术保证口3 。 现场总线具备这些特点，它为我们的改造提供了有利的依据。因此，本论文在 对空调节能系统进行分析之后，采用基于现场总线的管理方式对空调的节能控制系 统进行改进尝试，将原本的控制系统改造成集中监控管理与分散控制相结合的控制 模式，有利于最大限度的发挥节能效果，同时降低系统的成本。 1 4 论文的组织结构安排 本课题针对当前空调系统能耗大，控制实时性小，管理不便的问题，对现有工 业空调进行节能改进设计。本文从分析目前能耗状态着手，阐明当前空调制冷行业 的能耗现状，从控制方法上入手，提出基于现场总线的工业空调节能监控系统的设 计方法，采用变频调速控制方法，利用现场总线技术将空调节能系统原来分散且独 立式的管理，整合成集中优化的管理模式，使工业空调系统运行在最优状态，达到 最佳的节能效果。 文章分为七个章节，各章节的主要研究内容如下： 第一章分析了当前空调业现状，阐述了进行工业空调节能设计研究的必要性， 对现在的节能手段进行分析，对比分析了几种节能控制方法，提出了采用现场总线 进行节能控制的方法，指明了设计课题任务。 第二章对工业空调的节能原理进行分析，对变频调速进行详细的原理说明与讨 论，从控制循环水泵以及供风量两个方面来实现空调系统的节能调节。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第三章介绍了常用的现场总线，对目前广泛使用的c a n 总线技术进行分析和研 究，设计了基于现场总线的工业空调节能监控系统的总体网络框架，提出采用基于 现场总线的集散式控制方法。 第四章对节能空调系统的下位机控制系统进行了设计与研究，包括下位机的软 件和硬件设计。 第五章研究了工业空调系统的扩展功能，采用在应用可编程技术对控制系统进 行设计与研究。 第六章为系统的实验部分，包括现场实验布置以及实验数据的处理。 第七章为全文的结论与展望部分。对该控制系统进行了综合性评价并指出了它 的不足，提出了进一步研究的方向。 7 中南大学硕士学位论文 第二章工业空调变频节能技术原理分析与系统实现 第二章工业空调变频节能技术原理分析与系统实现 工业空调的节能可以从多方面来考虑，主要包括工业空调的监控系统的节能， 工业空调控制系统的节能以及工业空调中间传输过程的节能三个方面。本课题的主 要设计任务为对原有工业空调系统的节能改造设计。空调本体上沿用原有的空调主 机，通过改变对原有空调系统的控制方式来实现节能监控设计。 明确监控系统的设计对象有利于进行系统的总体框架设计，在剖析了工业空调 的节能原理之后，对需要进行改造设计的节能监控系统对象进行了详细的分析。 2 1 工业空调的节能改进原理分析 对系统的改造引入变流量节能控制方法。因为，工业空调的节能控制现在普遍 采用变流量控制技术，实现工业空调系统的节能，包括对空调的水系统进行变流量 控制节能以及对风系统的变流量控制节能。工业空调系统主要包括空调主机，冷温 水控制设备，冷却水控制设备和冷却塔风机控制设备组成。由于空调主机沿用原有 设备，那么在水系统以及风系统方面进行变流量控制。、 2 1 1 冷冻水系统变流量节能原理 对冷冻水泵加装变频器，即安装与功率容量匹配的变频器拖动冷冻水泵的运 行。在保证空调主机冷冻水供水温度的基础上，检测冷冻水回水温度，将冷冻水回 水温度设定值与实测值进行比较，将比较结果值送入控制器进行运算，实时调整变 频器运行频率，使实测值趋近于设定值。当检测到冷冻水回水温度高于设定值时， 说明空调设备负荷加重，变频器拖动水泵运行频率升高，加大冷冻水供水流量，满 足空调负荷要求是，冷冻水回水温度将需要降低到设定值；当检测到冷冻水回水温 度低于设定值，说明空调负荷减轻，变频器拖动水泵运行频率降低，减少冷冻水供 水流量。同样温水系统也是基于这个原理进行设计。 2 1 2 冷却水系统变流量节能原理 安装与功率匹配的变频器拖动冷水泵的运行。设定冷却水进水温度和冷却水出 水温度，检测冷却水出水温度，将冷却水出水温度实测值与设定值进行比较，在规 定的采样周期内，计算出冷却水出水温度实测值与设定值的偏差及偏差变化率，将 这些值送入控制器进行计算，实时调节变频器调节频率，保证实测值与设定值的接 8 中南大学硕士学位论文第二章工业空调变频节能技术原理分析与系统实现 近。 2 1 3 冷却塔风机系统变流量节能原理 安装与功率容量相匹配的变频器拖动冷却塔风机，设定冷却水进水温度值，检 测冷却水进水温度，将检测值与设定值进行比较，将比较结果送入控制器，实时调 节变频器运行频率，改变冷却塔风机的送风量，达到调节的目的。 2 2 工业空调变频调速节能对象与原理实现 2 2 1 工业空调变频调速对象 在暖通空调工程中，泵和风机所耗能源在系统消耗的能源中占很大部分，如供 暖运行能耗的1 5 2 5 为水泵电耗，空调运行能耗3 5 4 5 为风机、水泵能耗。应 用交流变频技术对中央空调末端风机、冷却塔风机、冷冻水冷却水水泵、主机驱动 电机转速等进行控制调节，从而使空调各子系统风量、水流量等负荷工况参数按负 荷情况得到适时调节，不但能改善系统的调节品质，改善空调的舒适性，更能节省 大量电能，降低设备运行成本，因此，对中央空调进行变频节能改造是降耗增效的 一条捷径。 当采用变速方式调节流量时，泵或风机能耗可与流量变化的三次方成正比，并 且由于系统阻力特性不变，泵或风机的工作点不变，因此效率不变，泵、风机及系 统均可稳定地工作。不仅可解决许多调节中的困难，而且可节约能源。因此可以说 调整泵或风机的转速来调整流量应该是流量调节达到节能控制的最好手段。 变频调速是目前电机调速性能最好、效率最高、功率因数接近于l 的一种最佳 调速方法，其原理是采用交流一直流一交流的方式1 ，将电网输入5 0 h z 交流电逆 变为符合输出要求的一定频率的交流电，控制电机要求的转速运行。因此可以看出 变频调速比较适宜于空调系统中风机、水泵等设备的调速，在这两种流体机械上应 用变频调速可以节约大量电能。流量减少时，其实耗功率相应按三次方的比例降低。 这对于目前空调水系统的设计水量与实际运行水量差别很大的情况来说，具有非常 显著的节能意义。 对于空调风系统的风机调速，节能效果也比较明显。目前大部分的空调机组的 风机由专用恒温变频控制器控制，它是由风机专用变频调速器和计算机控制器组成， 包括了采样、运算、执行三大控制系统，工程实践证明变频调速系统较好地完成节 能控制。 采用了变频调速的空调系统才实现了真正意义上的变流量系统，因为在不改变 9 中南大学硕士学位论文第二章工业空调变频节能技术原理分析与系统实现 管路特性，保持水泵、风机总是运行在最高效率点，才能达到最大节能效果。 2 2 2 变频调速节能原理实现 1 变频调速的基本原理 我们知道，变频调速的实现无非是通过改变电动机的输入频率达到实现电动机 转速变化的目的。由电动机原理知道，在三相异步电动机中存在如下关系成立： e l = 4 4 4 f l m l k l 中m( 2 1 ) 如果忽略定子阻抗压降，那么： u i e l = 4 4 4 f l m l k l m( 2 2 ) 式中，e 1 为气隙在钉子每相绕组中感应电动势的有效值；f l 为电源频率；m l 为定子 每相绕组串联匝数；k l 为基波绕组系数；m 为每极气隙磁通量；u l 为钉子每相端 电压。 从上面的式子可以看出，如果端电压u l 保持不变，随着电源频率f l 的升高， 气隙磁通量中m 将减少。m 减少势必导致电动机允许输出转矩t d 最大转矩t d m a x 下降，而电源频率f l 下降，磁通量m 将增加，这会使得磁路饱和，励磁电流上升， 导致铁损耗急剧增加。因此，要求在改变电源频率的同时改变定子电压u l ，以维持 磁通量基本不变。也就是说异步电动机的调速就是对电压和频率进行协调控制。 2 变频控制可以实现节能的理论依据 以水系统为例来说明。根据水流量与水泵电机的基本特性，它们之间存在如下 关系式： 水流量q 与水泵电机功率p 成正比，即 q o c p ( 2 3 ) 电机的轴功率p 与水泵电机转速n 的三次方成正比，即 p o c n 3 ( 2 - 4 ) 电机转速n 和电源频率f 成正比，即 n o c f ( 2 - 5 ) 水泵扬程h 与水流量q 的平方成正比，即 h o c q 2( 2 6 ) 因此，可以通过改变电动机的频率来改变电压，从而通过电压来调节水泵电机 的输出功率，以适应水流量的变化。水泵电机的容量是按照最大热交换的情况设计 的，而实际的热交换量远小于设计值，热交换量的大小取决于冷却水或冷冻水的流 量，而水的流量取决于水泵电机的转速。若水泵电机的转速能根据热负荷来调整， 那么电机的功耗可大大减少，从而节约了电能阳3 。水泵风机的负载转矩m 2 n 2 ，则 p o c a 3 ，即电机的输出功率与转速的三次方成正比。所以，电机的转速稍有下降，输 1 0 中南大学硕士学位论文第二章工业空调变频节能技术原理分析与系统实现 出功率就会大幅度减小，节能效果也愈加显著。电机转速n 为： n = 6 0 f ( 1 - s ) p( 2 7 ) 联立上面几个式子可以得到，电机转速可通过改变供电频率来实现调节，则p o c n 3 0 c f 3 。 3 变频调速的节能实现原理 ( 1 ) 空调水泵变频节能实现原理 传统的水流量是在末端设置电动两通阀或电动三通阀来调节n 们。此方法虽然降 低了系统的流量，却大大增加了系统的压力，也就是说增加了系统的管路阻力。如 下图2 - 1 所示，其中曲线1 是管网阀门全开的水力特性曲线，曲线2 是管网阀门调 节后的水力特性曲线，曲线3 是水泵工频运行的特性曲线，曲线4 是变频后水泵特 性曲线。因为功率p 为流量q 与压头h 的乘积，也就是图2 - 1 节能原理图中工作点 a 下曲线围成的面积。在调节阀门时q 虽减少，h 增加，但是效率降低1 。因而 其节能效果相当有限。 墨又 p a ) o 阄门调节后的 图2 1 水泵变频调速节能原理图 ( t h ) 行之有效的方法是通过变频调节改变水泵的转速而达到节能目的，如图a 点。 改变转速即改变了泵的运行特性曲线，而没有改变管路阻力特性。因为当冷量减少 时，水量作等比减少。当流量减少时，功率p 以立方关系递减。由此节能效果明显。 若流量为8 0 时，则耗功仅为原来的5 1 ，节约4 9 。而用调节阀时，仅节约5 左右的能量。 采用变频技术控制水泵的运行，是目前中央空调系统节能改造的最有效途径之 一，图2 - - 2 和图2 3 是阀门调节和变频调速控制两种方式的压力一流量( h - q ) 关系 及功率一流量( p - q ) 关系。 中南大学硕士学位论文 第二章工业空调变频节能技术原理分析与系统实现 q 图2 2 压力一流量图图2 3 功率一流量图 在图2 2 中，曲线1 是水泵在额定转速下的h - q 曲线，曲线2 是水泵在某一较 低速度下的h - q 曲线，曲线3 是阀门开度最大时的管路h - q 曲线，曲线4 是某一较 小阀门开度下的管路h - q 曲线，可以看出，当实际工况流量由q 。下降到q 。，如果在 水泵以额定转速运行的条件下调节阀门开度，则工况点沿曲线1 由a 到b ；如果在 阀门开度最大的条件下采用变频调节水泵转速，则工况点曲线3 由a 点移动c 点， 显然b 点与c 点的流量相同，但b 点的压力比c 点的压力要高很多。图2 3 中，曲 线5 为变频控制水泵调速运转方式下的p - 0 曲线，曲线6 为阀门调节方式下的p q 曲线，可以看出在相同流量下，变频控制方式比阀门调节方式能耗小，根据离心泵 的特性曲线公式： p = q h r 10 2r l( 2 - 8 ) 式中：p 一泵使用工况轴功率，k w ；q 一工况点的水压或流量，m 3 s ； h 一工况点的扬程，m ；瞒出介质单位体积重量，k g m 3 ； r 1 一泵功率。 根据公式( 2 6 ) 可知，运行在b 点泵的轴功率p b 为 p b = q 2h 2 r 10 2n( 2 9 ) c 点泵的轴功率p c 为 p c = q 2 h 3 r 10 2r l ( 2 - lo ) 两者之差a p 为 p = p b p c = q 2 ( h 2 - h s ) r 1 0 2n( 2 - 1 1 ) 也就是说，用阀门控制流量时，有a p 的功率被浪费掉了，并且随着阀门不断关 小，这个损耗还要增加，而且转速控制时，由流体力学可知，流量q 与转速n 的一次方 成正比，压力h 与转速n 的平方成正比、功率p 与转速n 的立方成正比。即 q q 。- - n r l e( 2 12 ) h h c = ( m 1 e ) z ( 2 13 ) p p c - ( r 妇e ) 3 ( 2 14 ) 1 2 中南大学硕士学位论文第二章工业空调变频节能技术原理分析与系统实现 式中：q e 一额定流量；h 。一额定压力； p 广额定功率；l r 额定转速。 由上面的公式可知，如果泵类负载的效率一定，当要求调节流量下降时，转速 可成正比例下降，此时水泵的轴功率与之成立方倍关系下降。 接下来分析变频对节能的效果，即冷冻水泵变频对机组单位制冷和耗电的影响。 随着控制技术的发展，不同类型的冷水机组都有较完善的自动控制调节装置，能随 负荷变化自动调节运行状况，保持高效率运行。对于离心式冷水机组，当负荷发生 变化时可以通过进口导叶调节或变频调速调节，改变吸入的气体量，使制冷量在 1 5 一1 0 0 间作无级调节n 羽。电子控制系统采用精密的集成电路控制器，能在不同 负荷范围内根据冷水温度传感器的信号进行调节，以满足系统不同要求。对于溴化 锂吸收式冷水机组，可以根据负荷变化自动调节供给的蒸汽量( 或燃油量) ，同时溶 液泵采用变频控制，自动调节溶液循环量。对于螺杆式冷水机组，当负荷发生变化 时可以通过滑阀在机体内轴向移动，改变螺杆有效长度，从而改变吸入的气体量， 使制冷量在1 0 一1 0 0 间连续调节。比例微分积分控制方法可保持冷水的温度， 控制稳定和高效率n 3 1 。 从上述分析可以看出，进人蒸发器的冷媒流量可随负荷下降而改变。如果冷水 机组的冷水流量也是随负荷按比例变化，在蒸发器内是不会发生冻结的。从已采用 变频控制的一次泵空调水系统实际运行情况来看，在一定范围内改变蒸发器水流 量，并没有出现人们所担心的机组运行不稳定、蒸发器冻裂等情况。 据上述作者对一台1 8 5 0 k w 的离心式冷水机组所作的变冷水量的性能分析，可 得出这样的结论：冷冻水流量随冷负荷一起变化时，对冷水机组效率影响非常小， 甚至没有影响。冷却水泵变频对机组单位制冷量耗电的影响。对1 8 5 0 k w 的离心式 冷水机组的冷却水采取变频全年供水测试，随着负荷的变化，相应改变冷却水量， 对综合能耗的下降没有超过3 5 ，取得节能的效果比较明显。实验结果也证明了 这一结论。故对冷水机组的冷却水系统进行变流量运行是完全可行的，由于冷却水 量要比冷水流量大2 0 一3 0 ，其节能效果会更加显著。 变频器调节水泵节能效果明显，回收快，而且管理方便，是适宜发展和推广的 有效节能措施n 们。同时，采用变频系统后，使交流电机软起动，以减少电网电压的 波动；水泵实现软起、软停，避免了对水泵的冲击；提高电机的效率，改善其运行 条件r 延长使用寿命；减少冷却水用量，减少排污；降低电机和冷却塔的噪声；使 用和维护方便u 引。 ( 2 ) 空调风机变频调速节能实现原理 在空调系统中风机的风量控制过去很少采用转速控制方式，多数由鼠笼式异步 电动机拖动，当需要调节风量时，采用的方法是调节出口风阀开启度；调节风机入 中南大学硕士学位论文 第二章工业空调变频节能技术原理分析与系统实现 口倒叶的角度；调节风机的转速n6 l 。前面两种控制方式虽然简单，但节流损失大， 从节能的观点看，是很不经济的。采用调节电机转速来调节风量，对节约能源、提 高经济效益具有重要意义n 7 l 。 调节风机电机的转速可以节能，现在用改变转速与调节风阀开度对比的方法来 分析它们的节能效果。图2 4 为风机调速节能原理图。 图2 - 4 风机调速节电原理图 图中，曲线1 为风机在恒速下的风压一风量( h q ) 特性曲线；曲线2 为恒速 下的功率一风量( p s - q ) 特性曲线；曲线3 为管网风阻特性( 风门全开) u 引。 设风机在设计时工作在a 点，效率最高，此时输出风量q 为1 0 0 ，轴功率为 p s 。，与q 。、h 。的乘积成正比，即p s ，与a h ，o q 。所包围的面积成正比n9 。当需要调节 风量时，例如，所需风量从1 0 0 减少到额定风量的5 0 ，即从q 。减少到q z 时， 如采用调节风门的方法来调节风量，使管网阻力曲线由曲线3 变为曲线4 。就是说， 减少风门开度增加了管网阻力。此时，系统的工作点由原来的a 点移至b 点。可以 看出，风量虽然降低了，但风压增加了，轴功率p s ：与面积b h ：o q ：成正比，它与p s 。 相比减少很多啪。 如果采用调节转速来调节风量的方法，风机转速由原来的n 。降到n ：。根据风机 参数的比例定律，可以画出在转速n 2 下的风压一风量( h q ) 特性曲线5 ，风机工 作在c 点。可见在满足同样风量q 。的情况下，风压将大幅度降低到h 。，轴功率p s 。 ( 与面积c h 。o q 。成正比) 也明显降低。所节约的功率与面积a h 。o q 。和c h 。0 q ：之差成 正比。由此可见，用调速的方法来减少风量的经济效益是十分显著的瞳。 当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。如所需风量 1 4 中南大学硕士学位论文 第二