中央空调节能设计方案_毕业论文(编辑修改稿)

中央空调节能设计方案_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

机是温度升高，这时用水将温度降下来，这部分水称为冷却水，冷却水通过冷冷却水泵把制冷主机所产生的热量带走，再经过冷却塔把热量 释放到空气中，然后回到冷水机组，这样构成一个冷却水循环系统，在这个系统上的泵是冷却水泵。 要清楚，空调系统通过三个循环把室内的热量传到室外：冷冻水循环，制冷剂循环，冷却水循环。 冷却塔： 冷却塔是利用水和空气的接触，通过蒸发作用来散去制冷主机所产生的废热的一种设备。 通过冷却水泵将温度较高的水送上冷却塔，通过冷却塔喷头，让水自上而下流动，一方面，通过自然空气带走水中热量；另一方面，通过冷却风机带动空气加速运动，通过空气带走热量的同时加快蒸发，让水温降低。 温度降低后的冷却水再次循环进入制冷主机，带走制 冷主机产生的废热，如此循环。 风机盘管： 丰 机盘管空调系统是将由风机和盘管组成的机组直接放在房间内，工作时盘管内根据需要流动热水或冷水，风机把室内空气吸进机组，经过过滤后再经盘管冷却或加热后送回室内，如此循环以达到调节室内温度和湿度的目的。 （ 1）变频器工作原理 简介 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。 低压变频器主要采用交 — 直 — 交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供 给电动机。 变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4 个部分组成。 整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 通过变频器可以自由调节电机的速度。 如图 31为变频器内的控制电路框图。 河北工程大学科信学院毕业设计说明书 5 图 31 变频器内的控制电路框图 （ 2）变频节能分析 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（ 1s） /p，（式中 n、 f、 s、 p分别表示转速、输入频率、电机转差 率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。 通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速 n与流量 Q，压力 H以及轴功率P 具有如下关系： Q∝ n ， H∝ n2， P∝ n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。 如图 32所 示为压力 H流量 Q 曲线特性图 :风机、泵类在管路特性曲线 R1 工作时，工况点为 A，其流量压力分别为 Q H1，此时风机、泵类所需的功率正比于 H1 与 Q1的乘积，即正比于 AH1OQ1 的面积。 由于工艺要求需减小流量到 Q2，实际上 通过增加管网管阻，使风机、泵类的工作点移到 R2上的 B点，压力增大到 H2，这时风机、泵类所需的功率正比于 H2与 Q2的乘积，即正比于 BH2OQ2 的面积。 显然风机、泵类所需的功率增大了。 这种调节方式控制虽然简单、但功率消耗大，不利于节能，是以高运行成本换取简单控制方式。 图 32 压力 H流量 Q曲线特性图 河北工程大学科信学院毕业设计说明书 6 n1代表电机在额定转速运行时的特性； n2代表电机降速运行在 n2转速时的特性；R1代表风机、泵类管路阻力最小时的阻力特性； R2代表风机、泵类管路阻力增大到某一数组时的阻力特性。 若采用 变频调速，风机转速由 n1 下降到 n2，这时工作点由 A 点移到 C 点，流量仍是 Q2，压力由 H1 降到 H3，这时变频调速后风机所需的功率正比于 H3 与 Q2的乘积，即正比于 CH3OQ2的面积，由图可见功率的减少是明显的。 对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下两种方式进行计算：若采用变频调速，风机转速由 n1下降到 n2，这时工作点由 A点移到 C 点，流量仍是 Q2，压力由 H1 降到 H3，这时变频调速后风机所需的功率正比于 H3 与 Q2的乘积，即正比于 CH3OQ2 的面积，由图 32 可见功率的减少是明显的。 中央空调系 统节能研究现状 （ 1） 冷却水系统的不足 从设计角度考虑，冷却水泵电机的容量是按照最大换热量 (即环境气温最高、且所有场所的空调都开足 )的情况下，再取一定的安全系数来确定的。 而通常情况下，由于季节和昼夜气温的变化以及开机数目的不足，实际换热量远小于设计值，因此，电机容量远大于实际负荷，出现了大马拉小车的情况。 再从冷却水流量考虑，冷却水的作用是要及时将冷凝器中的热量带走，以保证制冷机能正常工作。 从节能的角度看，只要能保证制冷机能正常工作，冷却水流量越小，所做的无用功就越少，节能也就越明显。 根据流量公式 Q=SV，过去由于交流电机的转速不可调，只能通过调节节流阀、改变管道截面积 S的方式来调节流量 Q，节流阀的存在对水流产生阻力，从而产生节流损耗，并且会引起机械振动和产生噪音。 （ 2） 冷冻水系统的不足 冷冻水泵的作用是将经制冷机降温的冷冻水通过输送管道送到中央空调的各出风口处的风机盘管组件中，对环境起降温作用，冷冻水的流量与冷冻水泵的转速成正比，当冷冻水泵转速高时，冷冻水的流量大，流速也快。 因此，当冷冻水流过风机盘管组件时，还没有充分的时间将所携冷量全部释放完，就又返回到制冷机去了，因此冷冻水泵电机做了很多无用功，这些 都是不必要的能耗。 若能够调节冷冻水泵电机的转速，根据实际热负荷的大小来调节冷冻水的流量 (实际上是调节交换冷量的大小 )和流速，以便让冷冻水在风机盘管组件中有充分的时间释放与热负荷大小相当的冷量，冷冻水泵电机的功耗可大大降低。 中央空调虽然存在以上不足，但因其在保持大楼立面外观、保证室内空气品质和综合空调效果等方面的优越性而一直是空调方案的首选，广泛采用中央空调系统的同时，节能问题不容忽视。 不同的中央空调系统，分别有各自具体的节能措施，例如： 河北工程大学科信学院毕业设计说明书 7 对于办公楼中央空调系统，它的使用特点是上班时人员集中、而下班后仅极少 部分人员加班。 目前常用的办公楼中央空调系统在一定程度上存在着使用不灵活、能耗较大的问题。 对办公楼中央空调系统的节能改造，除应能满足大负荷时的用冷外，还应能高效微量供冷。 对于家用中央空调系统，其存在的问题包括： ①由于没有住宅中央空调设计标准，很多工程都不能进行科学合理的计算，而是参照公共建筑的冷热量指标进行估算，这样势必造成设备容量选择偏大，从而造成初投资和能源的浪费； ②我国居民的消费习惯使得家用中央空调的同时使用系数低，这就要求机组具有良好的住宅负荷跟踪特性，而现有产品很少可以满足。 对它的节能改造，可 以是在满足住宅室内热环境舒适的前提下，降低采暖空调能耗。 对于旅游饭店中央空调系统，它的节能问题应从建筑设计、空调系统设计和运行管理等三方面综合分析，采取相应的对策和措施，使之既提高能量利用效率又满足合理要求。 现代大楼中央空调系统，它的节能途径是：①合理匹配中央空调系统的装机容量，系统在大部分时间里满负荷或接近满负荷工作将减小额外能耗。 ②空调系统额外能耗应包括显性额外能耗和隐性能耗两种。 空调系统最佳启停时刻的控制和针对负荷的不同分别选择主机功率，对水泵进行变频调速和冷却塔进行温控等技术手段可有效地降低系统的显性额外能耗。 而采取有效措施减少冷却塔的蒸发耗水和飞水，则能明显地减少空调系统的隐性能耗。 当系统配置固定后，主要从运行方式和加强管理方面寻求节能途径。 ③利用微机整体优化控制整个中央空调系统各个设备有利于系统的整体节能，新技术的应用也将极大地减小系统的能耗。 商住楼中央空调系统，它的主要目的是创造一个舒适的室内空气环境。 我国商业建筑建设量大，商业建筑的能耗也较大。 因此，商业建筑节能刻不容缓、且潜力很大。 常用的节能措施有：①减少冷热负荷；②充分利用自然冷源；③提高冷源效率；④减少水泵电耗；⑤减少管路阻力；⑥加 强管理、减少风机 (柜 )电耗。 2． 4 本课题的主要研究内容 本课题是以中央空调系统的节能控制为基础，经过部分改进，采用变频技术实现对冷冻水系统及冷却水系统的控制，采用 RS一 485 总线通信技术，设计了中央空调变频节能控制系统。 研究工作的具体内容如下 : （ 1）对变频技术用于大型中央空调系统的可行性进行分析，以图书馆中央空调系河北工程大学科信学院毕业设计说明书 8 统为研究对象，确定空气处理机及冷冻冷却循环水泵采用变频技术的具体方案； （ 2）确定实施变频节能技术改造的具体措施，在确保不影响中央空调系统正常运行的前提下，完成技术改造，特别是要处理好工 频和变频之间的相互切换问题； （ 3）进行技术经济分析，核算技术改造的总投资和产生的经济效益，对所进行的变频节能技术改造的经济性作出评价。 节能的可行性分析 风机水泵类负载： P（负载） =Q（流量） H（扬程），当电机转速从 N降至 N’时，流量 Q’，扬程 H’及轴功率 P’的关系如下： Q’ =Q（ N39。 N N） H’ =H（ N39。 N ） 2， P’ =P（ N39。 N ） 3 根据上面公式可以看出，当电机转速下降时，流量按线性关系 变化，而电功率按立方关系方式变化，例如，电机功率为 15KW，当其转速为原来的 4/5时，耗电功率为 ，即耗电为原来的 %，节电 %，从而大大节约电能。 那么根据上面的公式分析，如果我们能根据负载情况实时改变电机的转速即可达到节能的目的。 根据异步电动机原理： n=60f/p(1s)，式中 n:转速， f:频率， p:电机磁极对数，s:转差率。 由上式可见，调节异步电机的转速有 3种方法，改变电源频率、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，也最容易控制，所以变频调速也是目前应用最为成熟的。 3 中央空调系统主控制器 中央空调控制系统主控制器采用 PLC 控制，由于 PLC 编程简单，扩展能力强，并且程序容易修改，所以越来越多的被应用在中央空调系统中，取代原来的 DDC 控制器，并且可通过 PLC 的通讯接口接入上位监控系统，便于在主控室查看各节点运行状态，并且很容易进行电能消耗、运行时间统计以及故障监视及分析。 下面对 PLC 的发展及功能特点进行阐述 河北工程大学科信学院毕业设计说明书 9 PLC 的发展 PLC（ Programmable Logic Controller） ,是一种电子装 置，早期称为顺序控制器“ Sequence Controller” ,1978 年 NEMA(National Manufacture Association)美国国家电气协会正式命名为 Programmable Logic Controller（可编过程控制器。 简称 PLC） ,其定义为一种电子装置，主要将外部的输入装置如：按键、感应器、开关及脉冲等的状态读取后，依据这些输入信号的状态或数值并根据内部存储预先编写的程序，以微处理机执行逻辑、顺序、计时、计数及算式运算，产生相对应的输出信号到输出装置如：继电器（ Relay）的开关，电磁阀及马达驱动，控制机械或程序的操作，达到机械控制自动化或加工程序的目的。 并籍由其外围的装置（计算机 /程序书写器）轻易地编辑 /修改程序及监控装置状态，进行现场程序的维护及试机调整。 PLC 与继电器控制系统的有很大的关系。 由于在复杂的继电器控制系统中，故障的查找很排除非常困难，若工艺发生变化，控制柜内的组件与接线需作相应的变化，这种改造的工期长，费用高，以至于有的用户宁愿扔掉旧的控制柜，另外做一台新的控制柜。 1968 年，美国最大的汽车制造厂家 — 通用汽车公司 (GM)提出了研究 PLC 的基本思想，即： 编程简单，可在现场修改程序维护方便，采用插件式结构可靠性高于继电器控制柜体积小于继电器控制柜成本可与继电器控制柜竞争可将数据直接送入计算机可直接采用 115V 交流输入电压输出采用 115V 交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等负载通用性强，扩展方便能存储程序，存储器容量可达 4KB， 1969 年，美国数字设备公司（ DEC）研制出了世界上第一台 PLC。 70年代初期出现了微处理器，它的体积小，功能强，价格便宜，很快被用于 PLC，使它的功能增强，工作速度加快，体积减小，可靠性提高，成本下降。 PLC借鉴微型计算机的高级语 言，采用极易为工厂电气人员掌握的梯形图编程语言。 现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有 数学 运算、数据处理、运动控制、模拟量 PID控制，通讯联网等功能。 PLC 已经广泛应用在各种工业部门，其应用范围已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。 随着电子技术和 计算机技术 的进步， PLC 的发展趋势有：向高性能、高速度、大容量发展，大力发展微型 PLC，不断增强微型 PLC 的功能， PLC 编程语言的标准化， PLC与其它工业控制产品相互融合， PLC 与个人计算机（ PC）的融合， PLC 与集散控制系统的融合， PLC 与 CNC 的融合，大力开发智能型 I/O 子系统， LC与现场总线相融合，强通讯联网功能 河北工程大学科信学院毕业设计说明书 10 PLC 的特点 (1) 编程方法简单易学，指令丰富 梯形图是使用得最多的 PLC。