武汉理工大学本科毕业论文
第一章 绪 论
本章首先简单介绍了本课题的研究背景和发展现状、研究意义，然后对PLC、变频器在冷却水泵节能循环方面的应用近年来国内外的研究进行了分析，最后介绍了本文的主要研究内容。
1.1本课题的研究背景及意义
《PCL、变频调速技术在中央空调冷却水泵系统中的应用》针对社会发展中出现的热点和难点问题选题研究，现如今的社会，讲究环保、节能、可持续发展，如何在给人类提供方便舒适的生活环境下而尽量的节约能源成为了社会的热点话题，空调是现代化楼宇中不可缺少的一部分，随着我国经济的不断发展和城市化进程的不断推进，中央空调的应用会越来越广泛。但是中央空调的能耗非常大，约占整个建筑总用电量的60%-70%。对中央空调系统的节能研究、节能改造显得尤为重要。
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。[1]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。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，而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。
再因水泵采用的是Y-△起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的3～4倍，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垂现象，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，需对水泵系统进行改造，经市场调查与了解采用成熟的变频器来实现，以便达到节能和延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。这是因为变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整水泵电机的转速，在满足中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，以达到节能目的。
1.2 PLC、变频器在冷却水泵节能方面研究现状
1.2.1本课题在国内外的现状
中央空调在正常运行时，需要根据室内外的工作环境温度、使用空调的空间大小和设定的温度、冷却水温度的变化量等变量的变化，不断调整自身的运行状况，从而实现既能保证空调的舒适性又能尽量降低能耗的双重目标。故此，中央空调的控制系统对于一个空调的性能起了至关重要的作用。
大部分中央空调的冷水机组基本都是由人工设定的钟控装置控制，系统定时启动和定时关闭，每天长时间全开或者全关，轮流运行，这样对电网频繁的冲击，不仅恒温效果不佳，让人感到不舒适，同时也浪费了大量的电能，工程设计人员进行空调系统节能控制方面的研究，在目前应用的系统中往往偏重于设备的运行控制管理办法，，因为得到了广泛的应用。
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1.2.2 本课题在国内外的发展趋势
变频节能空调近几年来成为我国空调市场上的新宠，拥有变频调速系统的中央空调能够通过温度反馈改变电机的转速使制冷量和环境达到一个平衡，具有更节能、更舒适、更环保的特点。
变频空调在日本的市场占有率已超过90%以上，在欧美等发达国家的市场占有率也超过50%。2009冷年以来，变频空调在我国国内市场的发展更是日新月异，销售增速达56.24％,销量已占空调总销量的17.33％。据有关专家预测,2010冷冻年度变频空调市场份额有望达25％。
据统计，我国电动机装机总容量约4亿多KW，其用电量占当年全国发电量的60%～70%，而风机、水泵设备装机总功率达1.6亿KW，年耗电量3200KW·h，约占当年全国电力消耗总量的1/3。而应用变频器节电率一般在20%～60%，投资回收期1～3年，经济效益相当可观。所以大力推广应用变频调速技术不仅是当前推进企业节能降耗、提高产品质量重要手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。
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第二章 理论分析
2.1 中央空调系统的一般结构与工作原理
中央空调系统一般主要由制冷压缩机系统、冷媒(冷冻和冷热)循环水系统、冷却循环水系统、盘管风机系统、冷却塔风机系统等组成。其工艺结构流程图如图2.1所示，在图2.1中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，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。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统的冷却水带走。
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，以便再循环使用。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
图2.1中央空调系统工艺结构流程图
的风机盘管中，即可实现向用户提供供暖热风。理解中央空调系统工艺流程对于节能改造的实现至关重要，从因果关系角度上看，冷冻水系统、冷却水系统、冷却塔风机系统均是主压缩机系统的从动系统。当主压缩机系统的负荷发生变化时，对冷冻水、冷却水的需求量和冷却塔需求的冷却风量也发生相应的变化，正因如此，我们才有节能改造的必要前提条件，才有实现“按需分配”控制方案的可能。
2.2 中央空调冷水机组系统的组成以及工作原理
用水特点在供水系统中，用户抽用的水是消耗掉的。它并不回到水泵的进水口，对拖动系统毫无反馈作用。
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在供水系统中，当通过改变转速来调节流量时，扬程也随之改变，并且，扬程是和转速的平方成正比。
功率与扬程和流量的乘积成正比，而流量和转速成正比，因而功率与转速的三次方成正比：Q1／Q2=nl／n2。
在循环水系统中，所用的水是并不消耗的，从水泵流出的水又将流回水泵的进口处，并且回水本身具有一定的动能和位能，将反馈到水泵的进水口。在通过改变转速来调节流量时，扬程并无变化。更准确地说在循环水系统中，用扬程来描述水泵的做功情形是不够准确的。功率与扬程和流量的乘积成正比，流量和转速成正比，此处扬程不变。所以，在循环水系统，水泵的功率是和转速的平方成正比。由上式可知，在中央空调循环系统中，当循环泵转速下降1／2时，流量下降1／2，功率下降1／4，即功率与转速成2次方的关系下降。如果不用关小阀门的方法，而是把电机的转速降下来，那么随着泵的输出压力的降低，在输送同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就可完全避免。在不装变频器时，泵的出口流量靠阀门控制调节，流量小时，靠关小阀门调节，增加了泵管压差，使部分能量白白消耗在出口阀门上。使用变频器后，可以降低泵的转速，泵扬程也相应降低，电动机输出功率也降低了，从而消除了原来消耗在泵出口阀门上的管压差。例如：将供电频率由50/Hz降为40 Hz，则P40/Pso=(40/50)2=0.640，即P加=0.640×P50(P为电机轴功率)；将供电频率由50 Hz降为30 Hz，则P30／Pso=(30/50)2=0.36，即P30=0.36×P50(P为电机轴功率)。
由以上内容可以看出，用变频器进行流量控制时，可节约大量电能。而用阀门、自动阀调节不仅增大了系统节流损失，而且由于对空调的调节是阶段性的，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。同时变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对系统的平稳调节，使系统工作状态稳定，并延长机组及网管的使用寿命。根据负荷变化的反馈信号经PLC进行PID调节与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，尤其在北方地区，春、秋两季及早晚温差较大，变频调速节能的效果更加显著。
风扇房间冷冻水回水冷却塔盘管风机冷却水进水2.2 中央空调冷水机组系统组成
冷却水管道冷却泵冷冻主机冷冻水管道冷冻泵压缩机冷却水回水冷冻水出水 4
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（放热）高压气体冷凝器32℃冷却水37℃热力膨胀阀（吸热）蒸发器12℃冷冻水7℃ 高压液体M压缩机低压气体低压液体图2.3 制冷压缩机系统的原理图
由图2.2可以看出，中央空调的冷水机组主要有两个水循环系统构成，即冷却水循环系统和冷冻水循环系统，压缩机（图2.3）不断地从蒸发器中抽取制冷剂蒸汽，低压制冷剂蒸汽在压缩机内部被压缩为高压蒸汽后进入冷凝器中，制冷剂和冷却水在冷凝器中进行热交换，制冷剂放热后变为高压液体，通过热力膨胀阀后，液态制冷剂压力急剧下降，变为低压液态制冷剂后进入蒸发器，在蒸发器中，低压液态制冷剂通过与冷冻水的热交换吸收冷冻水的热量，冷冻水通过盘管吹出冷风以达到降温的目的，温度升高了的循环水回到冷冻主机又成为了冷冻水，而变为低压蒸汽的制冷剂，在通过回气管重新吸入压缩机，开始新的一轮制冷循环。而冷却水在与制冷剂完成热交换之后，由冷却水泵加压，通过冷却水管道到达散热塔与外界进行热交换，降温后的冷却水重新流入冷冻主机开始下一轮的循环。
2.3中央空调系统的节能原理
中央空调系统按负载类型可分为两大类，①变转矩负载:如冷却水系统、冷冻水系统、冷却塔风机系统等风机、水泵类负载;②恒转矩负载:如主制冷压缩机系统。不同的转矩类型具有完全不同的转矩功率关系特性，我们知道风机、水泵类变转矩负载特性满足流体动力学关系理论，即以下数学关系成立: n1/n2∝q1/q2 ,h1/h2∝(n1/n2), p1/p2∝(n1/n2) ,其中，n、h、q、p分别表示转速、流量、扬程、轴功率。它们之间的关系曲线如图2.4所示。
由式(1)可知，若转速下降到额定转速的70%，那么，扬程将下降到额定值的50%，同时，轴输出功率下降到额定值的35%。从图2.4中可以看出，管网的阻尼随扬程的降低而减小。在满足系统基本扬程需求的情形下，若系统的流量需求减少到额定流量的50%时，在变频控制方式下，其对应输出功率仅约为额定功率的13%。这就为实施变频节能技术改造提供了数学理论上的可行性保障空间。
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