中央空调冷却水循环节能控制系统设计 （混合控制）毕业设计（论文）word格式

1、中央空调冷却水循环节能控制系统设计中央空调冷却水循环节能控制系统设计 （混合控制）（混合控制） 摘要摘要 在现代工厂企业、办公大楼、商厦、酒店等环境中，中央空调系统是不可缺少的， 因此，中央空调的节能问题也是有待解决的关键技术问题。中央空调系统除主机的耗 能外风机、冷冻、冷却水泵是第二大耗能设备，因此为使中央空调系统温度稳定，需 要按实际使用情况的变化对风机、冷冻、冷却泵进行调节，这就需要有较好的自动控 制模块。现在，随着电力电子技术、微电子技术的发展，应用变频调速技术与 plc 自 动控制系统可以大幅度节约电能和提高系统的自动化程度，并使系统具有运行可靠、 结构简化、维护维修方便等优点。 本

2、文简单阐述了中央空调系统的工作原理，并具体研究冷却水循环控制系统在节 能方面的自动控制模块。主要对冷却水进出温度差和进水温度进行混合控制，最终使 中央空调冷却水循环节能控制系统达到节能的目的。 关键词：关键词： 中央空调节能；冷却水循环控制系统；变频器 ；plc；混合自动控 制 the design of energy-efficient central air- conditioning cooling water circulation control system (mixed control) abstract in the environment of modern enterpri

3、se factories, office buildings, commercial buildings, hotels, and so on, the central air-conditioning system is indispensable. therefore, the energy issues of central air-conditioning is also the key to technical problems which to be resolved. in addition to the host of central air-conditioning syst

4、em, the host fans, refrigeration, cooling water pump are the second largest energy-consuming equipments. in order for the temperature of central air-conditioning system stability and in order to adjust fans, refrigeration pumps, cooling pumps according to the changes in actual usage, system needs to

5、 have better automatic control module. with the development of power electronics technology and microelectronic technology, the application of vvvf technology and plc automatic control system can save energy greatly and improve the degree of automation systems , and makes the system has the advantag

6、es of reliable operation, simplified structure, easy maintenance and so on . this article elaborates the working principle of the central air-conditioning system simply, and researches automatic control module of cooling water control system in energy saving, and mainly mixed controls of the differe

7、nce temperature between entering and leaving water and the temperature of entering water, and ultimately makes the energy-efficient central air-conditioning cooling water control system to achieve the purpose of energy saving. key words: energy-efficient central air-conditioning cooling water contro

8、l system inverters plc mixed automatic control 目录目录 1 绪论.1 1.1 研究的课题.1 1.1.1 课题研究的意义 .1 1.1.2 主要任务 .2 1.1.3 具体设计要求 .2 1.2 相关技术的发展状况.3 1.2.1 空调的发展过程和现状 .3 1.2.2 中央空调国内外发展状况 .3 1.2.3 变频调速技术 .4 2 中央空调系统简介.7 2.1 中央空调系统的结构及其工作原理.7 2.1.1 中央空调系统的结构 .7 2.1.2 中央空调系统的工作原理 .8 2.2 中央空调系统的控制方式.9 2.3 冷却水循环控制系统.12

9、 3 变频调速系统.15 3.1 概述.15 3.2 变频器的选型原则.16 3.3 变频器在中央空调变频调速中的应用.17 3.3.1 变频器的节能原理 .17 3.3.2 变频器在中央空调变频调速中的应用 .18 4 中央空调节能系统方案.20 4.1 节能的意义.20 4.2 节能的方案.21 4.2.1 冷冻水泵系统的闭环控制 .21 4.2.2 冷却水系统的闭环控制.22 5 冷却水循环节能系统的软硬件设计.24 5.1 系统的工作过程.24 5.2 方案的选择.24 5.3 硬件设计.25 5.3.1 系统硬件构成及其工作原理 .25 5.3.2 变频器的选型及其各个端子的功能介绍

10、 .27 5.3.3 plc 的选型及其 i/o 分配表 .29 5.3.4 温度传感器的选型 .30 5.3.5 pid 控制器 .31 5.3.6 系统主回路和控制回路构成 .32 5.4 软件设计 .34 5.5 系统总电路图.35 6 总结和展望.36 6.1 总结.36 6.2 展望.36 参考文献 .37 附录 a.38 附录 b.39 致谢 .51 中央空调冷却水循环节能控制系统设计（混合控制） 1 1 绪论绪论 1.1 研究的课题研究的课题 在实际生活当中，大部份建筑物的中央空调在一年当中，只有几十天时间处于最 大负荷。中央空调冷负荷，始终处于动态变化之中，如每天早晚，每季交替

11、，每年轮 回，环境及人文，实时影响中央空调冷负荷。一般，冷负荷在 560%范围内波动，大 多数建筑物每年至少 70%是处于这种情况。而大多数中央空调，因系统设计多数以最 大冷负荷为最大功率驱动。这样，造成实际需要冷负荷与最大功率输出之间的矛盾， 实际造成巨大能源浪费，给使用方造成巨额电费支出，增加经营者的成本，降低经营 竞争力。 本课题以中央空调冷却水控制系统的工作机理和工作特点为依据，实时跟踪制冷 机的排热需求和冷却塔排热能力的动态变化，建立系统节能的复合控制方案。通过采 集冷却水温度信息，实现跟踪制冷机排热需求变化的优化节能，最大限度地降低冷却 水泵的能耗。 1.1.1 课题研究的意义课题

12、研究的意义 作为建筑内部重点耗能设备，中央空调系统的耗电一般要占整座建筑电耗的 60% 以上。由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留 10-20% 设计余量，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，存在较大的富 余，所以节能的潜力就较大，其中，冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷 冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节，存在很大的浪费。因此空调系统 采用变水量控制可以节约大量泵输送能耗，中央空调的节能改造显得尤为重要。 水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成，因此，不可避免地存在较大 截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能

13、，而且还造成中央空 调最末端达不到合理效果的情况。为了解决这些问题需使水泵随着负载的变化调节水 流量并关闭旁通。再因水泵采用 y- 起动方式时，电机的起动电流均为其额定电流的 3 4 倍，如：一台 90kw 的电动机其起动电流将达到 500a ，在如此大的电流冲 击下，接触器、电机的使用寿命大大下降，同时，起动时的机械冲击和停泵时水锤现 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 2 象，容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、 备件费用。 综上，为了节约能源和费用，中央空调系统的节能改造是势在必行。 中央空调冷却水控制系统属建筑物冷热电联产系统中的一个子系统，该控制方

14、式 已经应用于中央空调节能控制装置变频调速智能控制节能工作站中，该装置应用 中实现了中央空调控制，经检测：通过各智能控制子系统，在保证向用户提供优质安 全的空调服务同时，对中央空调的转换效率、系统耗能指标进行优化，使系统设备的 运行状况获得极大改善。 1.1.2 主要任务主要任务 本设计课题是，冷却水循环控制系统。该系统由冷冻主机、冷却水泵、冷却水管、 冷却塔和冷却塔风机组成。冷却水在通过冷冻主机后，吸收了冷冻主机释放的热量使 自身温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔进行热交换而降温，降了温的冷 却水又流过冷冻主机，如此不断循环。 设计的主要任务是，当中央空调冷却水出水温度高时(可事先设

15、置)，加大冷却水流 量；当中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量，从而达到节能目的；当中央 空调冷却水出水温度超过某一限值时(通常为 37 度左右)，整个系统必须保护性跳闸停 机。 中央空调冷却水系统节能混合控制的要求是：实时跟踪制冷机的排热需求和冷却 塔排热能力（即冷却水的进水温度）的动态变化。最大限度地降低冷却水泵的能耗。 系统实施节能控制的策略和算法，以其工作过程的热力和动力学机理为基本依据。 1.1.3 具体设计要求具体设计要求 1、三台冷却水泵电动机，5.5kw，380v。1 号水泵先单台变频运行，当频率上限 信号(相对于进出水设定温差上限值)动作后转为工频运行，并起动 2 号水

16、泵变频运行； 当频率下限信号(相对于进出水设定温差下限值)动作后，1 号水泵停机，2 号泵继续变 频运行。当频率上限信号又动作时，2 号泵转换为工频运行，起动 3 号泵作变频运行， 不断地如此循环转换。 2、变频转工频运行时，为保证安全，应先让变频器约 0.3 秒后才断开变频接触器， 再延时 0.5 秒后闭合工频接触器，再延时 0.5 秒后投入另一台变频器工作。 中央空调冷却水循环节能控制系统设计（混合控制） 3 3、采用 plc 或单片机+变频器的控制结构，或继电器+变频器的控制结构均可。 4、系统中应具有”手动”及”自动”操作功能；各种保护，确保系统的安全运行。例 如，变频与工频接触器应设

17、置电气和机械两种互锁；水泵电动机主电路应接有各种保 护装置等。 1.2 相关技术的发展状况相关技术的发展状况 空调技术的研究发展很快，开发出了种类繁多的空调产品，下面就对几类主流的 先进空调进行介绍。 1、变频空调 变频空调器是通过内装的变频器改变频率，从而控制空调器压缩机的转速。使压 缩机转速连续变化，实现压缩机能量的无级调节。与一般空调相比变频空调有着高 性能运转、舒适静音、节能环保、能耗低的显著特点，改善了人们的生活质量，提高 了人们的生活水平。随着世界科学技术的发展，尤其是网络与数字技术的飞速发展， 变频空调技术将密切跟踪世界最新技术，开发出最新的变频空调技术。 2、燃气空调 以燃气为

18、能源的空调设备简称燃气空调。燃气空调发展前景非常广阔。燃气空调 的优势被全球能源专家和空调专家一致认同。许多国家已经或正准备实施一系列燃气 空调推广措施。 3、太阳能空调 70 年代后期。世界各国对太阳能利用的研究蓬勃发展。太阳能空调技术也随之出 现。随着太阳能制冷空调关键技术的成熟特别在太阳能集热器和制冷机方面取得了 迅猛发展，太阳能空调也得到了快速发展。 1.2.1 空调的发展过程和现状空调的发展过程和现状 世界空调的发展可分为四个阶段。首先是后风扇时代。典型特征是，功能仅限制 于制冷制热，技术含量低；接下来是纯空调时代。这个时代的最显著标志是空调成为 真正意义的空气调节器；随着各国政府对

19、空调的能耗标准提出要求。空调进入了超空 调时代，其显著特点是空调不仅仅是空调。还能满足节能环保的要求；在以网络信息 代表的 2l 世纪。作为家电产品的空调器也必将随之步入网络信息时代。 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 4 1.2.2 中央空调国内外发展状况中央空调国内外发展状况 1、我国中央空调业的 3 种发展趋势 回眸 2004 制冷年度，我国中央空调业至少有 3 种发展趋势让人津津乐道。趋势一： 中央空调接过传统空调的“接力棒”，其行业前景令市场垂涎；趋势二：在土洋比拼中， 本土品牌频频占领市场的制高点，咄咄之势实属空前；趋势三：经过市场的残酷洗礼 后，中央空调业重新洗牌，竞争优势重

20、新回归到品牌和技术，市场份额越来越集中到 少数企业手中，中央空调“大鳄”腾空而出。 2、中央空调的品牌竞争 前几年还是约克、大金、开利等国外品牌占领国内商用空调市场，近几年已风生 水起，海尔、美的、格力、松下、lg 等企业纷纷进入这一领域，以争取更多主动权。 大金集团以欧洲、亚洲、中国、日本、美国为中心，积极有力展开全球化事业。 现已在世界各地拥有 92 个子公司及相关公司。上海大金空调有限公司是集空调机制造、 销售和服务为一体的大型合资企业。作为空调专业制造厂家，大金在不断推出新产品 的同时，还推出先进空调管理系统，为空调维护给出全新理念。 我国中央空调仍处于起步阶段，目前其销售对象主要集中

21、在城市高收入消费群体 和房地产开发商，由于其生产及安装成本较高，大范围普及尚需时日，这对争先上马 该项目的企业不能不说是个考验。此外，与普通家用空调相比，中央空调对核心技术、 资金要求更高，所以欲真正立足于该领域并非易事。 1.2.3 变频调速技术变频调速技术 当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。能源的 紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问 题。由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一的电 机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达 4 亿千瓦，年耗电量达 6000 亿千瓦时，约占工业耗电量

22、的 80%。我国各类在用电机中，80%以上为 0.55- 220kw 以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发 达国家 50 年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达 500 亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。 目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市 中央空调冷却水循环节能控制系统设计（混合控制） 5 场的大部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内变频调速系统的发展，就需 要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解。 1、全数字化控制系统 随着计算机技术的发展，无论是

23、生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程 度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。 它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结 合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控 制。 2、pwm 技术 pwm 控制是交流调速系统的 控制核心，任何控制算法的最终实 现几乎都是以各种 pwm 控制方式 完成的。目前已经提出并得到实际 应用的 pwm 控制方案就不下十几 种，关于 pwm 控制技术的文章在 很多著名的电力电力国际会议上， 如 pesc，iecon，epe 年会上已 形成专题。尤其是微处理器

24、应用于 pwm 技术并使之数字化以后，花 样是不断翻新，从最初追求电压波 形的正弦，到电流波形的正弦，再 到磁通的正弦；从效率最优，转矩 图 1.1 pwm 控制技术 脉动最少，再到消除噪音等，pwm 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的 过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。 其中，空间矢量 pwm 技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在 交流调速系统中得到了越来越多的应用。 3、高压大容量交流调速系统 在小功率交流调速方面，由于国外产品的规模效应，使得国内厂家在价格上、工 艺上和技术上均无法与之抗衡。而在高压大功率方面，国外公司又

25、为我们留下了赶超 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 6 的空间。首先，国外的电网电压等级一般为 3000v，而我国的电网电压等级为 6000v 和 10000v；其次，高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产，而国外的劳 动力成本，特别是具有一定专业知识的劳动力成本较高。 目前，研究较多的大功率逆变电路有： a、多电平电压型逆变器；b、变压器耦合的多脉冲逆变器；c、交交变频器；d、 双馈交流变频调速系统。 4、高性能交流调速系统 在小功率交流调速方面，由于国外产品的规模效应，使得国内厂家在价格上、工 艺上和技术上均无法与之抗衡。而在高压大功率方面，国外公司又为我们留下了赶超 的空间。

26、首先，国外的电网电压等级一般为 3000v，而我国的电网电压等级为 6000v 和 10000v；其次，高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产，而国外的劳 动力成本，特别是具有一定专业知识的劳动力成本较高。 中央空调冷却水循环节能控制系统设计（混合控制） 7 2 中央空调系统简介中央空调系统简介 中央空调系统已广泛应用于工业与民用领域，在宾馆、酒店、写字楼、商场、住 院部大楼、工业厂房中的中央空调系统，其制冷压缩机组、冷冻循环水系统、冷却循 环水系统、冷却塔风机系统等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制热负载选定的， 且再留有充足裕量。在没有使用具备负载随动调节特性的控制系统中，无论季节

27、、昼 夜和用户负载的怎样变化，各电动机都长期固定在工频状态下全速运行，造成了能量 的巨大浪费。近年来由于电价的不断上涨，使得中央空调系统运行费用急剧上升，致 使它在整个大厦营运成本费用中占据越来越大的比例，加之目前各生产、服务业竞争 激烈，多数企业利润空间不够理想，因此电能费用的控制显然已经成为经营管理者所 关注的问题所在。 2.1 中央空调系统的结构及其工作原理中央空调系统的结构及其工作原理 2.1.1 中央空调系统的结构中央空调系统的结构 图 2.1 中央空调系统结构图 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 8 中央空调系统主要由以下几个部分组成： 1、冷冻机组：通往各个房间的循环水由冷冻

28、机组进行“内部热交换”作用，使冷冻 水降温为 57 。并通过循环水系统向各个空调点提供外部热交换源。内部热交换产 生的热量，通过冷却水系统在冷却塔中向空气中排放。内部热交换系统是中央空调的 “制冷源”。 2、冷冻水塔：用于为冷冻机组提供“冷却水”。 3、 “外部热交换”系统：主要由两个循环水系统组成： a、冷冻水循环系统 由冷冻泵及冷冻管道组成。从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻 泵加压送入冷冻水管道，在各个房间内进行热交换，带走房间内的热量，使房间内的 温度下降。 b、冷却水循环系统 由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻机组进行热交换， 使水温冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，

29、使冷却水温度升高， 冷却泵将升了温的冷却水压入水塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降 了温的冷却水，送回到冷冻机组，如此不断循环，带走冷冻机组成释放的热量。 4、冷却风机 a、室内风机：安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷冻水冷却了的冷空气吹 入房间，加速房间内的热交换； b、冷却塔风机 用于降低冷却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气 中去。 2.1.2 中央空调系统的工作原理中央空调系统的工作原理 1、制冷压缩机组通过压缩机将制冷剂(冷媒介质如 r134a、r22 等)压缩成液态后 送蒸发器中。 2、冷冻循环水系统通过冷冻水泵将常温水泵入蒸发器盘管中与冷媒进行间接热交

30、 换，这样原来的常温水就变成了低温冷冻水，冷冻水被送到各风机风口的冷却盘管中 吸收盘管周围的空气热量，产生的低温空气由盘管风机吹送到各个房间，从而达到降 温的目的。 3、冷媒在蒸发器中被充分压缩并伴随热量吸收过程完成后，再被送到冷凝器中去 恢复常压状态，以便冷媒在冷凝器中释放热量，其释放的热量正是通过循环冷却水系 中央空调冷却水循环节能控制系统设计（混合控制） 9 统的冷却水带走。 4、冷却循环水系统将常温水通过冷却水泵泵入冷凝器热交换盘管后，再将这已变 热的冷却水送到冷却塔上，由冷却塔对其进行自然冷却或通过冷却塔风机对其进行喷 淋式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水变回常温，以便再

31、循环使用。 5、在冬季需要制热时，中央空调系统仅需要通过冷热水泵(在夏季称为冷冻水泵) 将常温水泵入蒸汽热交换器的盘管，通过与蒸汽的充分热交换后再将热水送到各楼层 的风机盘管中，即可实 现向用户提供供暖热风。 2.2 中央空调系统的控制方式中央空调系统的控制方式 1、常用的中央空调控制方法 其实，中央空调的能源浪费的症结既不在于其设计余量的大小，也不在于末端负 荷的变动性。为了保障中央空调在夏季和冬季极端气候条件下的空调效果，空调设计 容量的冗余是必需的，不可缺少的。末端使用情况的变化是十分正常的、不可避免的， 不变是不现实的。问题的关键在于中央空调缺乏先进的控制方式，如果中央空调的冷 （热）

32、量供应，能够实现根据末端需要的多少而自动调节，那么，不论空调设计余量 如何，也不论空调负荷如何变化，都不会产生能量的浪费。 目前，国内的中央空调系统，由于没有先进的技术手段支持，基本上都采用传统的定 流量控制方式，即空调冷冻（温）水流量、冷却水流量和冷却风风量都是恒定的。也 就是说，只要启动空调主机，冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机都在 50hz 工频状态下 运行。 定流量控制方式的特征是系统的循环水量保持定值不变，当负荷变化时，通过改 变供水或回水温度来匹配。定流量供水方式的优点是系统简单，不需要复杂的自控设 备。但这种控制方式存在以下问题： （1） 无论末端负荷大小如何变化，空调系统均在设计

33、的额定状态下运行，系统 能耗始终处于设计的最大值，能源浪费很大。 （2） 舒适性中央空调系统是一个多参量、非线性、时变性的复杂系统，由于末 端负荷的频繁波动，必然造成系统循环溶液（载冷剂、冷却剂、制冷剂溶液）的运行 参量偏离空调主机的最佳工作状态，导致主机热转换效率（cop 值）降低，系统长期 在低效率状态下运行，也会增加系统的能源消耗。 （3） 在工频状态下启停大功率水泵，冲击电流大，不利于电网的安全运行，且 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 10 水泵等机电设备长期在工频额定状态下高速运行，机械磨损严重，导致设备故障增加 和使用寿命缩短。 2、通用变频器 pid 控制方法 中央空调系统

34、定流量控制方式的这些缺陷是显而易见的，那么，能不能找到一种 更先进的中央空调运行控制方式，以减少其浪费，实现中央空调的高效节能运行呢？ 回答是肯定的。 长期以来，人们为了降低空调的运行成本，减少宝贵的能源浪费，中央空调的运 行管理工作者、暖通空调的设计工作者和节能科技工作者们，都进行了艰苦不懈的努 力。 一些有经验的中央空调系统操作和维护人员，在没有技术手段的情况下，常常采 用人工控制的方法来进行节能。如：空调负荷减少时，减少投入运行的主机台数和水 泵台数，或者使主机间断工作，这可以收到一定节能效果，但这种人工步进式的调节 非常粗糙，实时性差，且受设备配置的限制和人的因素影响较大。 近年来，随

35、着大功率电力电子器件的出现，促进了通用变频器的小型化和实用化，为 降低中央空调系统的能源浪费，人们开始采用通用变频器来控制空调系统的水泵和风 机，通过供、回水压差或温差的采集，对水泵和风机进行 pid（比例、积分、微分） 调节，以达到节能效果。这种基于精确数学模型的 pid 控制，历史悠久，原理简单， 使用方便，价格较低。 但其不足之处在于： 中央空调是一种多参量、非线性、时变性且参量间耦合很强的复杂系统，不 易获得较精确的数学模型，近似的或粗糙的模型难以实现精确控制。 pid 调节中最重要的工程参数比例系数 kp、积分时间常数 ti 和微分时间常 数 td，一旦选定之后，如果人不去调节，它是

36、固定不变的，不可能跟随受控参量的变 化而自动调整。也就是说，工程参数整定之后，就用同一种参数去对付各种不同的运 行工况，因此，不可能达到最佳的节能效果。 pid 只能实现单参量（温度或压力）的简单控制功能，在一些单参量工业生 产过程的控制中效果较好，当用于控制中央空调这样的多参量、非线性、时变的且参 量间耦合很强的复杂系统时，很容易引起中央空调系统振荡，使控制温度在较大范围 内起伏，长时间都不能到达设定值的稳定状态，既影响了系统的稳定性，又降低了空 调效果的舒适性。 中央空调冷却水循环节能控制系统设计（混合控制） 11 中央空调实现节能有两个基本的前提条件： （1） 确保中央空调系统主机和外围

37、设备的安全运行，因为节能固然重要，但安 全应是第一位的； （2） 确保空调末端用户环境的舒适性，效益固然重要，但服务超越一切。 这两个条件是保护用户的根本利益所在，如果不能满足这两个前提条件，所实现 的“节能”，则是以牺牲用户的利益（即系统的安全性及空调效果）为代价的。 可以想到，如果能寻求到一种新的控制方法，使得中央空调主机的冷量（或热量）供 应都能跟随负荷的变化而同步变化，就能够在保证空调舒适性的前提下，实现空调系 统的最大节能。 3、智能模糊控制方法 它与当今普遍使用的定流量中央空调控制模式相比，具有以下技术特点： （1） 实现空调高效节能控制 突破了传统中央空调冷媒系统的运行方式，通过

38、对中央空调能源运行系统的动态 监测和闭环控制，将空调主机的定流量运行改为变流量运行，实现空调主机冷媒流量 跟随末端负荷需求而同步变化，在空调系统的任何负荷条件下，都能既确保中央空调 系统的舒适性，又实现最大的节能。 （2） 保障空调主机始终保持高的热转换效率 众所周知，随着中央空调系统负荷的变化，必将导致整个空调系统运行参数偏离 空调主机的最佳设计参数，导致主机热转换效率降低，这一直是传统中央空调运行方 式无法解决的一大难题。 智能模糊控制的一个基本思想就是按照中央空调主机所要求的最佳运行参数去控 制中央空调系统的运行，根据系统的运行工况及制冷工质参数的变化，通过模糊控制 器动态调整空调系统运

39、行参数，确保空调主机始终处于优化的最佳工作点上，使主机 始终保持具有高的热转换效率，有效地解决了传统中央空调系统在低负荷状态下热转 换效率下降的难题，提高了系统的能源利用率。 （3） 实现中央空调全系统综合性能优化和协调运行 中央空调系统是一个较复杂的系统工程，要实现中央空调系统的最佳运行和节能， 从局部去解决问题（如采用通用变频器 pid 控制）是不可能办到的，必须针对空调系 统的各个环节（包括主机、冷冻水系统、冷却水系统等）统一考虑，全面控制，使整 个系统协调运行，才能实现最佳综合节能。 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 12 为此，智能模糊控制从系统工程学的理念出发，不仅对中央空调各

40、部分进行全面 控制，而且通过系统集成技术将各个控制子系统在物理上、逻辑上和功能上互连在一 起，实现它们之间的信息综合、资源共享，在一个计算机平台上进行集中控制和统一 管理，实现中央空调全系统的协调运行和综合性能优化。 2.3 冷却水循环控制系统冷却水循环控制系统 冷却水循环系统 ：由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组 成。如图 2.2 冷冻主机在进行热交换、使水温冷却的同时， 必将释放大量的热量。该热量被冷却水吸收使冷却水温度 升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却 塔中与大气进行热交换，然后再将降温了的冷却水，送回 到冷冻机组。如此不断循环，带走了冷冻主机释放的热量。 流进冷冻主机的冷

41、却水简称为“进水”，从冷冻主机流回冷 却塔的冷却水简称为“回水”。同样，回水的温度将高于进 水的温度形成温差。 1、冷却水温度对冷水机组制冷量的影响 我们都知道:从运行费来讲，在蒸发温度和压缩机转数 一定的情况下，冷凝温度越低，制冷系数越大，耗电量就 越 小。据测算，冷凝温度每增加 1，单位制冷量的耗功 率约 增加 3%-4%.所以，从这一角度来讲，保持冷凝温度稳定对 提高冷水机组的制冷量是有益的。但为达到此目的，需采 图 2.2 冷却水循环控制系统 取以下措施:增加冷凝器的换热面积和冷却水的水量;或提高 冷凝器的传热系数，但是，对于一个空调冷却系统来说，增加冷凝器的面积几乎是不 可能的。增加

42、冷却水的水量势必增加水在冷凝器内的流速，这将影响制冷机的寿命， 同时还增加了冷却水泵的耗电和管材浪费等一系列问题，而且效果也不尽理想。增大 冷却塔的型号，考虑一定量的富余系数尚可，但如果盲目加大冷却塔的型号，以追求 降低冷却水温也是得不偿失的，而且，冷却水温度还受当地气象参数的限制。提高冷 凝器冷却水侧的放热系数，是实际和有效的，而提高放热系的有效途径是减小水侧的 污垢热阻，对冷却水补水进行有效的处理. 中央空调冷却水循环节能控制系统设计（混合控制） 13 2、冷却水的水质 目前，由于空调冷却系统大多数为敞开式循环系统，它效果好，造价低，在工程 中得到广泛应用，但是经蒸发冷却后浓缩，水中的 c

43、,mg,cl,si 等离子，溶解固体，悬 浮物相应增加，由于空气中和水福化接触，溶氧量增加，co 大量散失，游离的 co 含 量降低，碳酸钙浓度降低，如不加强管理，空气中污染物如灰尘、杂物进人系统，会 繁殖徽生物绿澡及粘泥，此时污垢和粘泥可引起垢下腐蚀，而腐蚀产品又形成污垢， 最后造成设备及管道演蚀穿孔而被停机，冷却水的水指标。目前尚无确切的资料和标 准，空调冷却水对水质的要求幅度较宽，主要应从冷却水对设备腐蚀，积垢堵塞及设 备清洗难易等情况考虑。 针对以上分析，冷却水在冷却塔内蒸发散热的过程中水质不断发生变化，引起积 垢、腐蚀和堵塞，目前，空调冷却补水多采用自来水，对于大型的空调冷却水系统，

44、 仅靠补充少量优质自来水是不起作用的，冷却水必须进行处理。 3、循环冷却水处理 由于空调冷却水系统的结垢、腐蚀和藻类滋生不是在短期内形成的，也不会在短 期内对系统有破坏性的影响，所以，往往得不到运行管理人员足够的重视。另外，由 于空调冷却水系统比较简单，设计人员对其重视不够，并且，冷却水的处理是给排水 专业和暖通专业均相关的专业，而冷却水系统多是由暖通专业人员搞，所以，难免造 成先天设计不尽合理 .在设计过程中针对空调冷却水系统易结垢腐蚀和菌藻滋生的特点， 其处理方法也与冷冻水系统有所不同。冷却水的处理方法可分为化学法和物理法。 4、冷却水系统的管道布置 冷却水系统的管道布置虽然比较简单，但如

45、果考虑不周，也会出现一些问题。由 于循环冷却水系统是开式系统，如果冷却塔集水盘容积小或冷却塔距水泵距离太远及 并联运行的冷却塔出水管阻力平衡严重失调，就会使空气混入水中，进入水泵并压入 管道中，引起严重的水锤致使水泵出水管及其管件损坏。所以，冷却水系统应注意下 列几个问题: a. 冷却塔并联使用时管道阻力平衡，冷却塔与泵的距离不能太远； b.选择冷却塔时首先应注意产品样本给出的性能参数与该产品实际性能的差距； c.冷却塔一般安装在高层建筑的裙房屋面； d. 选择冷却水泵时要根据冷却水系统的循环阻力，输水高差及自由水头决定，不 宜富裕过多； 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 14 e.关于冷

46、却水系统的集水池，以往在设计冷却水设备时，其集水池的容积大多按 冷却水量的 10%设置(见空调制冷手册)； 5、冷却水系统变频控制的必要性 大型中央空调系统，通常按最大负荷来设计，但是，系统大部分时间是在部分负 荷下工作。空调冷却水系统一般是定流量系统，部分负荷下动力输送能耗不变，使制 冷系统综合能效比大大下降。常规控制方式是对冷却塔出水温度进行调节。冷却水温 度的调节，一般可采用冷却塔出水温度控制风机的启闭，或者在冷却塔进水管上安装 两通电动调节阀，旁通部分水量，保证供制冷机的冷却水混合温度，同时又控制风机 的启闭。 在实际设计选择水泵时，我们常常将流量、扬程计算值分别附加 1020，如 果

47、再考虑上计算过程的保守，就导致经常发生系统流量扬程高于系统需求值，需要用 阀门来调节，造成很大浪费。 6、冷却水系统变频控制的可行性 对冷却水泵采用变频调速控制，辅以冷却塔风机的通断控制或变频调速控制，将 大幅度减少冷却水系统的能耗。 对于电制冷机组，冷却水系统的下限流量可定为额定流量的 70。对于蒸汽双效 溴化锂吸收式制冷机组，下限流量可以更低，国产双良的机组下限流量可为 60，远 大的机组下限流量可为 30，远大机组中还为冷却水泵和冷却塔风机提供了变频信号 输出和控制软件。 中央空调冷却水循环节能控制系统设计（混合控制） 15 3 变频调速系统变频调速系统 3.1 概述概述 （freque

48、ncy changer / frequency converter）是一种用来改变交流电频率的 电气设备。此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。 过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。随着半导 体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。 变频器通常包含 3 个组成部分：整流器（rectifier）和逆变器（inverter）,还 有直流部分(dc )。其中，整流器将输入的交流电转换为直流电，逆变器将直流电 再转换成所需频率的交流电。除了这2 个部分之外，变频器还有可能包含变压器 和电池。其中，变压器用来改变电压并可以隔离输入/输出的电路，电池用来补偿 变频器内

49、部线路上的能量损失。不同的变频器能够处理的电源功率是不一样的，从 几瓦到几兆瓦都有。 变频器主要是由主电路、控制电路组成。 图 3.1 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体 上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。 电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分 构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉 动的平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 （1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。 也可用两组晶体管变流

50、器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 16 （2）中间直流电路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源 6 倍频率的脉动电 压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和 电容吸收脉动电压（电流） 。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以 省去电感采用简单的平波回路。 （3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率， 以所确定的时间使 6 个开关器件导通、关断就可以得到 3 相交流输出。以电压型 pwm 逆变器为例示出开关时间和电压波形 控制电路是给异步电动机供电（电压、频

51、率可调）的主电路提供控制信号的回路， 它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测 电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电 路”组成。 （1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比 较运算，决定逆变器的输出电压、频率 （2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。 （3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、 关断。 （4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg 等)的信号为速 度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机

52、按指令速度运转。 （5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了 防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。 3.2 变频器的选型原则变频器的选型原则 变频器选型时要确定以下几点： 1) 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。 2) 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲 线决定了应用时的方式方法。 3) 变频器与负载的匹配问题； i.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。 ii. 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特 中央空调冷却水循环节能控制系统设计（混合控制） 17

53、殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能 力。 iii.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。 4) 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输 出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。 5) 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响， 避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输 出端安装输出电抗器。 6) 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频 器容量要放大一挡。 3.3 变频器在中央空调变

54、频调速中的应用变频器在中央空调变频调速中的应用 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制 装置。 3.3.1 变频器的节能原理变频器的节能原理 变频器是输出频率可变的交流电力拖动设备。变频器调速的主要工作原理是将供 给电机定子的三相交流工频电经大功率整流变成直流，再将直流电用正弦波脉宽调节 技术逆变为频率可调、幅度也随之改变的三相交流电，以此为电源再供给电机使用。 由水泵的工作原理可知，风机、水泵特性为： q c h 2 p 3 即流量与转速成正比，压力与转速的平方成反比， 轴功率与转速的三次方成正比。根据转速公式： n = n1 (1-s)=60f(1-s)/p

55、 式中 f电源频率，在我国工频为 50 hz p极对数 s转差率 调节电动机电源频率就可调节电动机转速，调节电机转速也就是调节它的负载转 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 18 速，因此，根据风机、水泵特性可知，调节风机水泵的转速可以达到调节流(风)量的目 的，同时，可显著调节轴功率。通过在水泵上加装变频器，可实现自动调节控制，使 系统工作平缓稳定，并通过变频节能收回投资。随热负载而改变水流量的变流量空调 水系统显示了巨大的优越性，其流量与功率消耗关系图如图 3.2 所示。 图 3.2 流量与功率消耗关系图 这是因为变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化而随之调整水泵电机的转速， 在满足中

56、央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵和冷却水泵作出相应调节，以达到 节能的目的。水泵电机转速下降，电机从电网吸收的电能就会大大减少。 3.3.2 变频器在中央空调变频调速中的应用变频器在中央空调变频调速中的应用 在中央空调系统中加装变频器时要考虑的问题完全不同于工业应用，一般来说， 在装有中央空调的高档公共设施里有大型电子敏感设备，如计算机系统、电视接收系 统和电信网络系统。这就要对变频传动装置提出工业环境中不需要考虑的特殊要求， 即电磁兼容问题。 以变频器为主组成的中央空调绿色智能控制系统，可实现温度、温差、压力、压 差、湿度、流量等多种参数集中控制，通过自动能量优化软件可使暖通空调系统中的

57、 综合节电率达到 50%左右。同时，由于电磁兼容性好，因此能减少对周边电路仪器的 干扰并降低噪声，而且其内置直流电抗器还可有效抑制谐波，提高功率因数。 以三晶 saj8000g 为例，在机场、广电大楼、医院、地铁等高档场合得到广泛应 用。该系统集数据传感、双 pid 控制和控制执行于一体，反馈值及给定值可直接按单 位设定；内置 rs485 通信协议，可直接接收 modbus 协议，并留有选件接口，成功解 决了传统变频器运用于暖通空调系统设备配置庞杂的问题；能实现春夏秋冬 4 种运行 中央空调冷却水循环节能控制系统设计（混合控制） 19 模式转换，具有一机多控、远程控制和现场控制多重控制功能，既

58、能满足楼宇自控对 风机水泵的要求，又不失楼宇自控系统出现故障时现场独立操作的灵活性。 在中央空调系统中，用变频器进行流量（风量）控制时，可节约大量电能。中央 空调系统在设计时是按现场最大冷量需求量来考虑的，其冷却泵、冷冻泵也是按单台 设备的最大工况来考虑的，在实际使用中有 90%多的时间，冷却泵、冷冻泵都工作在 非满载状态下。如果用阀门、自动阀调节，不仅会增大系统节流损失，而且调节是阶 段性的，会造成整个空调系统工作在波动状态，而通过在冷却泵、冷冻泵上加装变频 器则可一劳永逸地解决该问题，还可实现自动控制，并可通过变频节能收回投资。同 时，变频器的软起动功能及平滑调速的特点可实现对系统的平稳调

59、节，使系统工作状 态稳定，并延长机组及网管的使用寿命。 变频系统只涉及冷冻水机组和冷却水机组的变频调节控制。 1、 冷冻水系统 它的水温取决于蒸发器的设定值，回水温度取决于蒸发器接收的热量，中央空调 冷冻水出的温度与冷冻水的回水温度设计最大温差为 5c(出水为 8c，回水为 13c)。 现采用在蒸发器的出水管和回水管上装有检测温度的变送器。再与 pid 温度调节器、 plc 和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差来控制，使冷冻水泵机组的转速 相应于热负载的变化而变化，当第一台电机已达到工频时，还达不到要求时就可起动 第二台电机，工频运行，然后调控第一台电机。这样不断调整控制，使其达到最佳的

60、 效果。 2、 冷却水系统 降低水的温度取决于冷却塔的工作状态，我们只需控制高温冷却水的温度(冷凝器 出水口)即可控制温差。现采用温度变送器，pid 调节器，plc 变频器组成的闭环控制 系统，冷凝器出水温度控制在 t2，(例如 38c)，使冷却水泵的转速相应于热负载的变 化而变化。同样，当第一台电机已达到工频时，还达不到要求时，就可起动第二台电 机实行工频运行，然后调控第一台电机，使之达最佳的状态。 3、 系统的特点及效果 变频节能系统由于采用闭环控制，电机按需要设定温度，使设备容量随时间季节 变化，热负荷通过转速调节能在满足要求的前提下最大限度的节能，并减少对电网的 冲击。 广东技术师范学