一、中央空調(diào)和HVAC的應(yīng)用背景

（一）概述

1、中央空調(diào)的概念

中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用領(lǐng)域，在賓館、酒店、寫字樓、商場(chǎng)、住院部大樓、工業(yè)廠房中的中央空調(diào)系統(tǒng)，其制冷壓縮機(jī)組、冷凍循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等的容量大多是按照建筑物比較大制冷、制熱負(fù)載選定的，且再留有充足裕量。在沒有使用具備負(fù)載隨動(dòng)調(diào)節(jié)特性的控制系統(tǒng)中，無(wú)論季節(jié)、晝夜和用戶負(fù)載的怎樣變化，各電動(dòng)機(jī)都長(zhǎng)期固定在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)行，造成了能量的巨大浪費(fèi)。近年來(lái)由于電價(jià)的不斷上漲，使得中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用急劇上升，致使它在整個(gè)大廈營(yíng)運(yùn)成本費(fèi)用中占據(jù)越來(lái)越大的比例，加之目前各生產(chǎn)、服務(wù)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，多數(shù)企業(yè)利潤(rùn)空間不夠理想，因此電能費(fèi)用的控制顯然已經(jīng)成為經(jīng)營(yíng)管理者所關(guān)注的問題所在。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中央空調(diào)的用電量占各類大廈總用電量的70%以上，其中中央空調(diào)水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的20%～40%，故節(jié)約低負(fù)載時(shí)壓縮機(jī)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(fù)載變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)變化的變流量變頻空調(diào)水系統(tǒng)和自適應(yīng)智能負(fù)載調(diào)節(jié)的壓縮機(jī)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸顯示其巨大的優(yōu)越性。采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能使空調(diào)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(dá)30%以上，能帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

中央空調(diào)系統(tǒng)一般主要由制冷壓縮機(jī)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(fēng)機(jī)系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等組成。制冷壓縮機(jī)組通過壓縮機(jī)將制冷劑（冷媒介質(zhì)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(jìn)行間接熱交換，這樣原來(lái)的常溫水就變成了低溫冷凍水，冷凍水送到各風(fēng)機(jī)風(fēng)口的冷卻盤管中吸收盤管周圍的空氣熱量，產(chǎn)生的低溫空氣由盤管風(fēng)機(jī)吹送到各個(gè)房間，從而達(dá)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(fù)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(duì)其進(jìn)行自然冷卻或通過冷卻塔風(fēng)機(jī)對(duì)其進(jìn)行噴淋式強(qiáng)迫風(fēng)冷，與大氣之間進(jìn)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(shí)，中央空調(diào)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(fēng)機(jī)盤管中，即可實(shí)現(xiàn)向用戶提供暖熱風(fēng)。

2、HVAC的概念

HVAC的概念包括采暖（Heating）、通風(fēng)（Ventilation）、空調(diào)（Air Condition），因此與中央空調(diào)相比具有更廣義的概念。HVAC是人與環(huán)境這對(duì)矛盾對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系歷經(jīng)漫長(zhǎng)歲月發(fā)展所凝聚而成的一種重要的環(huán)境與保障技術(shù)。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(shè)備、輸熱管道、調(diào)控構(gòu)件等。

2）技術(shù)職能：輸入熱能至空間，補(bǔ)償其熱損失，到達(dá)室內(nèi)溫度要求。

（2）通風(fēng)（Ventilation）

1）系統(tǒng)組成：通風(fēng)機(jī)、進(jìn)排或送回口、凈化裝置、風(fēng)道與調(diào)控構(gòu)件等。

2）技術(shù)職能：通風(fēng)換氣、防暑降溫、改善室內(nèi)環(huán)境、防止內(nèi)外環(huán)境污染。

（3）空氣調(diào)節(jié)（Air Conditioning）

1）系統(tǒng)組成：冷熱源、空氣出來(lái)設(shè)備與末端裝置、風(fēng)機(jī)、水泵、管道、風(fēng)口、調(diào)控構(gòu)件等。

2）技術(shù)職能：依靠經(jīng)過全面處理并且適宜參數(shù)與良好品質(zhì)的空調(diào)介質(zhì)與受控環(huán)境空間進(jìn)行能量、質(zhì)量

的傳遞與交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣溫度、濕度、速度、潔凈度和其他參數(shù)的按需調(diào)控。

3）系統(tǒng)分類：一次回風(fēng)、二次回風(fēng)、全新風(fēng)。

經(jīng)過多年的發(fā)展，HVAC的應(yīng)用已經(jīng)深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高人民生活水平起到重要保證作用，有時(shí)甚至是關(guān)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(lái)?yè)Q取節(jié)能，而是通過綜合資源規(guī)劃（IRP）方法和能源需求側(cè)管理（DSM）技術(shù)的應(yīng)用，提高建筑的能量效率，用有限的資源和比較小的能量消費(fèi)代價(jià)獲得比較大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效率，滿足日益增長(zhǎng)的環(huán)境需求。

（二）變頻器在中央空調(diào)中的應(yīng)用

同時(shí)具有精確控制和大幅度節(jié)能的特點(diǎn)，因此也成為中央空調(diào)系統(tǒng)和HVAC的標(biāo)準(zhǔn)控制手段。

在中央空調(diào)系統(tǒng)中加裝變頻器時(shí)要考慮的問題完全不同于工業(yè)應(yīng)用，一般來(lái)說(shuō)，在裝有中央空調(diào)的高檔公共設(shè)施里有大型電子敏感設(shè)備，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電視接收系統(tǒng)和電信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這就要對(duì)變頻傳動(dòng)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(diào)綠色智能控制系統(tǒng)，可實(shí)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(dòng)能量?jī)?yōu)化軟件可使暖通空調(diào)系統(tǒng)中的綜合節(jié)電率達(dá)到50%左右。同時(shí)，由于電磁兼容性好，因此能減少對(duì)周邊電路儀器的干擾并降低噪聲，而且其內(nèi)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(jī)場(chǎng)、廣電大樓、醫(yī)院、地鐵等高檔場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)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(shè)定；內(nèi)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(yùn)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備配置龐雜的問題；能實(shí)現(xiàn)春夏秋冬4種運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換，具有一機(jī)多控、遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)場(chǎng)控制多重控制功能，既能滿足樓宇自控對(duì)風(fēng)機(jī)水泵的要求，又不失樓宇自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立操作的靈活性。

在中央空調(diào)系統(tǒng)中，用變頻器進(jìn)行流量（風(fēng)量）控制時(shí)，可節(jié)約大量電能。中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)是按現(xiàn)場(chǎng)比較大冷量需求量來(lái)考慮的，其冷卻泵、冷凍泵也是按單臺(tái)設(shè)備的比較大工況來(lái)考慮的，在實(shí)際使用中有90%多的時(shí)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(dòng)閥調(diào)節(jié)，不僅會(huì)增大系統(tǒng)節(jié)流損失，而且調(diào)節(jié)是階段性的，會(huì)造成整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)工作在波動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并可通過變頻節(jié)能收回投資。同時(shí)，變頻器的軟起動(dòng)功能及平滑調(diào)速的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，并延長(zhǎng)機(jī)組及網(wǎng)管的使用壽命。

（三）變頻器在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

在供熱系統(tǒng)中，變頻器可用于熱力站循環(huán)泵、補(bǔ)水泵和鍋爐房的鼓引風(fēng)機(jī)、循環(huán)泵等耗能負(fù)載的水量，風(fēng)量調(diào)節(jié)，可使熱網(wǎng)供熱質(zhì)量穩(wěn)定高效，能有效避免局部熱網(wǎng)過冷過熱問題，還能消除鼓引風(fēng)機(jī)風(fēng)門產(chǎn)生的噪聲，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，較大幅度地降低了系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。

通過變頻器內(nèi)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(duì)周圍設(shè)備的電磁干擾，更為重要的是具有自動(dòng)能量?jī)?yōu)化功能，可大量節(jié)約能源。

二、中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)

大部分建筑物在一年當(dāng)中，只有幾十天時(shí)間，中央空調(diào)處于比較大負(fù)載。中央空調(diào)冷負(fù)載，始終處于動(dòng)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(shí)時(shí)影響中央空調(diào)冷負(fù)載。一般，冷負(fù)載在5%～60%范圍內(nèi)波動(dòng)，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(diào)，因系統(tǒng)設(shè)計(jì)多數(shù)以比較大冷負(fù)載為比較大功率驅(qū)動(dòng)。這樣，造成實(shí)際需要冷負(fù)載與比較大功率輸出之間的矛盾，產(chǎn)生巨大能源浪費(fèi)，增加經(jīng)營(yíng)的成本，降低經(jīng)營(yíng)競(jìng)爭(zhēng)力。

下面介紹了一種新穎的智能變頻控制設(shè)備，它采用國(guó)際上比較為流行的成熟的交流調(diào)速技術(shù)、PLC控制技術(shù)，能對(duì)中央空調(diào)的泵組實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)閉環(huán)控制。由于采用了先進(jìn)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(jìn)行簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)。

（一）中央空調(diào)系統(tǒng)的控制方式概述

圖2所示為中央空調(diào)水循環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成，主要分為冷凍主機(jī)、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(duì)象為冷凍水（熱水）回路和冷卻水回路。

圖2：中央空調(diào)水循環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)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(jī)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(nèi)進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)熱量，從而使房間內(nèi)的溫度下降。

冷凍水泵的控制方式為：比較高層（或比較不利端）壓力控制。

在高層的中央空調(diào)系統(tǒng)中， 各層的空調(diào)機(jī)是相對(duì)應(yīng)于熱負(fù)載的變動(dòng)開閉冷水進(jìn)口閥， 以調(diào)節(jié)室溫

的，由于冷凍水的流量經(jīng)常發(fā)生變化，會(huì)引起比較高層水壓的較大變化，因此為了解決該問題，應(yīng)控制冷水泵的出水閥，以保持比較高層水壓大致恒定。但大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)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(huì)導(dǎo)致壓力損失，效率低。此時(shí)，若采用轉(zhuǎn)速控制，以保持比較佳壓力，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(jī)組成進(jìn)行熱交換，在水溫冷卻的同時(shí)，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(jìn)行熱交換，然后再將降了溫的冷卻水，送回到冷水機(jī)組。如此不斷循環(huán)，帶走冷水機(jī)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(cè)水溫不能準(zhǔn)確地反映冷凍機(jī)組產(chǎn)生熱量的多少，所以，對(duì)到冷卻水泵，以進(jìn)水和回水的溫差作為控制依據(jù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水和回水間的恒溫差控制是比較合理的。溫差大，說(shuō)明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水的循環(huán)速度；反之則應(yīng)該降低轉(zhuǎn)速。

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

1、PLC控制原理

關(guān)于中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)的PLC控制原理如圖3所示，包括DP210人機(jī)界面、PLC的K80S CPU模塊和G7F