一、中央空调和HVAC的应用背景

（一）概述

1、中央空调的概念

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、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。

据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的70%以上，其中中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20%～40%，故节约低负载时压缩机系统和水系统消耗的能量，具有很重要的意义。所以，随着负载变化而自动调节变化的变流量变频空调水系统和自适应智能负载调节的压缩机系统应运而生，并逐渐显示其巨大的优越性。采用变频调速技术不仅能使空调系统发挥更加理想的工作状态，更重要的是通常其节能效果高达30%以上，能带来良好的经济效益。

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。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）将常温水泵入蒸气热交换器的盘管，通过与蒸气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暖热风。

2、HVAC的概念

HVAC的概念包括采暖（Heating）、通风（Ventilation）、空调（Air Condition），因此与中央空调相比具有更广义的概念。HVAC是人与环境这对矛盾对立统一关系历经漫长岁月发展所凝聚而成的一种重要的环境与保障技术。HVAC定义如图1所示。

图1：HVAC定义

（1）供暖（Heating）

1）系统组成：热源、散热设备、输热管道、调控构件等。

2）技术职能：输入热能至空间，补偿其热损失，到达室内温度要求。

（2）通风（Ventilation）

1）系统组成：通风机、进排或送回口、净化装置、风道与调控构件等。

2）技术职能：通风换气、防暑降温、改善室内环境、防止内外环境污染。

（3）空气调节（Air Conditioning）

1）系统组成：冷热源、空气出来设备与末端装置、风机、水泵、管道、风口、调控构件等。

2）技术职能：依靠经过全面处理并且适宜参数与良好品质的空调介质与受控环境空间进行能量、质量

的传递与交换，实现对室内空气温度、湿度、速度、洁净度和其他参数的按需调控。

3）系统分类：一次回风、二次回风、全新风。

经过多年的发展，HVAC的应用已经深入到国民经济的各个部门，对促进经济发展、提高人民生活水平起到重要保证作用，有时甚至是关键性的保证作用。

在HVAC中的节能观念并不是以降低环境或抑制能量需求来换取节能，而是通过综合资源规划（IRP）方法和能源需求侧管理（DSM）技术的应用，提高建筑的能量效率，用有限的资源和最小的能量消费代价获得最大的社会、经济效率，满足日益增长的环境需求。

（二）变频器在中央空调中的应用

同时具有精确控制和大幅度节能的特点，因此也成为中央空调系统和HVAC的标准控制手段。

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节，使系统工作状态稳定，并延长机组及网管的使用寿命。

（三）变频器在供热系统中的应用

在供热系统中，变频器可用于热力站循环泵、补水泵和锅炉房的鼓引风机、循环泵等耗能负载的水量，风量调节，可使热网供热质量稳定高效，能有效避免局部热网过冷过热问题，还能消除鼓引风机风门产生的噪声，减轻了工人的劳动强度，较大幅度地降低了系统的维护费用。

通过变频器内置直流电抗器能使功率因数接近于1，并可有效抑制谐波，避免对周围设备的电磁干扰，更为重要的是具有自动能量优化功能，可大量节约能源。

二、中央空调水循环系统的控制设计

大部分建筑物在一年当中，只有几十天时间，中央空调处于最大负载。中央空调冷负载，始终处于动态变化之中，如每天早晚、每季交替、每年轮回、环境及人文等，实时影响中央空调冷负载。一般，冷负载在5%～60%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载为最大功率驱动。这样，造成实际需要冷负载与最大功率输出之间的矛盾，产生巨大能源浪费，增加经营的成本，降低经营竞争力。

下面介绍了一种新颖的智能变频控制设备，它采用国际上最为流行的成熟的交流调速技术、PLC控制技术，能对中央空调的泵组实现全自动闭环控制。由于采用了先进的SAJ8000G系列可编程序控制器，并可通过中文文本操作器（或触摸屏）进行简洁明了的操作和控制，从而决定了本控制方式不仅在系统的抗扰性、可靠性上大有保证，而且在操作的界面上更符合HMI标准。

（一）中央空调系统的控制方式概述

图2所示为中央空调水循环控制系统的构成，主要分为冷冻主机、冷冻水（热水）循环系统、冷却水循环系统，智能变频柜主要控制的对象为冷冻水（热水）回路和冷却水回路。

图2：中央空调水循环控制系统的构成

1、冷冻水循环的控制

冷冻水循环系统由冷冻水泵及冷冻水管道组成。从冷水机组流出的冷冻水由冷冻水泵加压送入冷冻水管道，在房间内进行热交换，带走房间内热量，从而使房间内的温度下降。

冷冻水泵的控制方式为：最高层（或最不利端）压力控制。

在高层的中央空调系统中， 各层的空调机是相对应于热负载的变动开闭冷水进口阀， 以调节室温

的，由于冷冻水的流量经常发生变化，会引起最高层水压的较大变化，因此为了解决该问题，应控制冷水泵的出水阀，以保持最高层水压大致恒定。但大多数应用场合，都是保持出水阀门开度一定，任随压力变化的，如果这样，会导致压力损失，效率低。此时，若采用转速控制，以保持最佳压力，则可防止压力损失并较大幅度提高效率并取得好的节能效果。

2、冷却水循环的控制

冷却水循环系统由冷却水泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷水机组成进行热交换，在水温冷却的同时，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。冷却水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，然后再将降了温的冷却水，送回到冷水机组。如此不断循环，带走冷水机组释放的热量。 冷却水泵的控制方式为：恒温差控制。

由于冷却塔的水温是随环境温度而变化的，其单侧水温不能准确地反映冷冻机组产生热量的多少，所以，对到冷却水泵，以进水和回水的温差作为控制依据，实现进水和回水间的恒温差控制是比较合理的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；反之则应该降低转速。

（二）中央空调水循环控制系统的PLC、变频器及人机界面

1、PLC控制原理

关于中央空调水循环系统的PLC控制原理如图3所示，包括DP210人机界面、PLC的K80S CPU模块和G7Fu2014u2014ADHA模拟量模块。其中DP210人机界面负责数据设定（压差或温差设定）、数据显示（温度、温差、压力、压差）、状态设定和显示，以及维修说明书等帮助材料；K80S-CPU模块负责包括内置PID的顺序程序控制；G7Fu2014u2014ADHA模拟量模块为2入1出，输入量为温度1和2或压力1和2（1：进水回路；2：出水回路），输出量为电动机转速信号（控制变频器的信号）。

2、模拟量和PID控制

本系统采用K80S PLC内置的PID功能。所谓PID控制，就是使一个过程按预设值（SV）保持其为稳定状态的控制过程，通过设定值SV和过程反馈值PV进行比较，当两项值有差别时，控制器输出执行值MV来减少这种差异。PID包括3个控制量：比例P、积分I、微分D。

K80S PLC的内置PID具有如下的功能：

（1）PID功能内置于CPU中，不需要分开的PID模块，使用指令PID8或PIDAT就可以执行PID功能；

（2）向前向后运行都有效；

（3）可任意选择P操作、PI操作、PID操作和ON/OFF操作；

（4）手动输出有效，用户可以定义强制输出；

（5）通过正确的参数设定，无论外界有无干扰，都可以保持稳定的运行；

（6）根据系统特性运行扫描时间（PID控制器从执行机构得到采样值的时间间隔）是可变的。

由中央空调水循环系统的控制图可以看出，本智能控制设备采用恒压或恒温差PID控制，模拟信号输入和输出通过G7Fu2014u2014ADHA模块，设定数据通过DP210操作，具体示意如图4所示。

3、变频器选型

由于本系统采用PLC的PID控制功能，所以对变频器的选型并无特殊要求，只需选用通用变频器，如SAJ8000G系列变频器。

（三）节能预估

根据流体力学原理，流量Q与转速n的一次方成正比，管压H与转速n的二次方成正比，轴功率与转速 n的三次方成正比。

当所需要流量减少，离心泵转速降低时，其功率按转速的三次方下降。当所需流量为额定流量的80%时，转速也下降为额定转速的80%，而轴功率降为51.2%；当所需流量为额定流量的50%时，轴功率降为12.5%。当然，转速降低时，效率也会有所下降，同时还应考虑控制装置的附加损耗等影响。 即使如

此，这种节电效果也非常可观。

综合实际运行效果，对冷冻泵拖动系统、冷却泵拖动系统、风机（包括室内风机和冷却塔风机）拖动系统实施变频控制后的基本节能效果为35%～55%，最小节能为35%，最大达55%。

三、中央空调变频风机的几种控制方式

目前的中央空调系统中，变频风机正在被广泛使用，其中如下突出的优点：节能潜力大，控制灵活，可避免冷冻水、冷凝水上顶棚的麻烦等。然而变频风机系统需要精心设计、精心施工、精心调试和精心管理，否则有可能产生诸如新风不足、气流组织不好、房间负压或正压过大、噪声偏大、系统运行不稳定、节能效果不明显等一系列问题。

下面介绍在中央空调中变频风机的几种控制方式的原理和适用场合。

（一）变频风机的静压PID控制方式

送风机的空气处理装置是采用冷热水来调节空气温度的热交换器，冷、热水是通过冷、热源装置对水进行加温或冷却而得到的。大型商场、人员较集中且面积较大的场所常使用此类装置。图5所示给出了一个空气处理装置中送风机的静压控制系统。

在第一个空气末端装置的75%～100%处设置静压传感器，通过改变送风机入口的导叶或风机转速的办法来控制系统静压。如果送风干管不只一条，则需设置多个静压传感器，通过比较，用静压要求最低的传感器控制风机。 风管静压的设定值（主送风管道末端最后一个支管前的静压）一般取250～375Pa之

间。若各通风口挡板开起数增加，则静压值比给定值低，控制风机转速增加，加大送风量；若各通风口挡板开启数减少，静压值上升，控制风机转速下降，送风量减少，静压又降低，从而形成了一个静压PID控制的闭环。

在静压PID控制算法中，通常采用两种方式，即定静压控制法和变静压控制法。定静压控制法是系统控制器根据设于主风道2/3处的静压传感器检测值与设定值的偏差，变频调节送风机转速，以维持风道内静压一定。变静压控制法即利用DDC数据通信技术，系统控制器综合各末端的阀位信号，来判断系统送风量盈亏，并变频调节送风机转速，满足末端送风量需要。由于变静压控制法在部分负载下风机输出静压低，末端风阀开度大，因此风机节能效果好、噪声低，同时又能充分保证每个末端的风量需要。

控制管道静压的好处是有利于系统稳定运行并排除各末端装置在调节过程中的相互影响。此种静压PID控制方式特别适合于上下楼层或被隔开的各个房间内用一台空气处理装置和共用管道进行空气调节的场合，如商务大厦的标准办公层等。

四、总结

中央空调水循环控制系统采用恒参数（压力、压差、温度、温差等）工作，当参数减小或增加时，本自动化系统通过降低或增加水泵转速减小或增加供水（或风）量，以保持空调管网参数恒定，从而达到高效节能目的。

本系统具有以下特点：

（1）自动化程度高，功能齐全，使用、管理简便；

（2）采用了先进优质的进口变频器和PLC，数字化操作、直观简便，无须人员看管；

（3）循环软起动采用自补偿切换技术，系统电器及机械冲击小，能显着延长电控元器件及水泵的寿命；

（4）有定时的开关机功能；

（5）有定时换泵功能；

（6）有自动巡检功能；

（7）有故障自诊功能；

（8）设备紧凑、占地少、节省投资；

（9）界面友好、方便实用。