大学毕业论文胡雨超

合肥工业大学

毕业（设计）论文

学生姓名 李前锋 学 号 2008222065 专 业 制冷与冷藏技术 班 级 制冷821 指导教师 王敏

二○一一年四月

1

摘要

在现今能源紧缺的时代，整个社会都在提倡低碳环保，随着社会的发展

中央空调越来越普及，所以中央空调节能这一块备受公众关注，有很大的发展前景及空间。本文从中央空调组成结构，工作原理开始让大家了解中央空调的工作流程，并从中央空调水泵系统变频改造模型介绍，中央空调的各种设备的变频改造，中央空调调速节能原理，以及中央空调末端节能改造介绍 等各方面来深入探讨中央空调系统的节能，以达到低碳环保的目的。本文还将各种节能方法的详细数据及图表绘出以便大家能更加清楚的了解到中央空调系统的节能过程，还将改造前后的系统进行了详细的比较，一目了然，给今后的中央空调系统的节能确立一个大致的发展方向，并从这些方面去改造中央空调系统以达到节能的目的

关键词：节能 原理 改造 前景 原理

2

目录

第一章 绪论 …………………………………………………………3

1.1中央空调系统的概述 …………………………………………………………4 1.2中央空调系统的组成结构与分类 ……………………………………………4

第二章 中央空调系统的工作原理……………………………………8

2.1中央空调制冷原理 ……………………………………………………………8 2.2中央空调系统原理 ……………………………………………………………8

第三章 中央空调系统的节能…………………………………………9

3.1调水泵节能介绍…………………………………………………………………9 3.2、中央空调调速节能原理………………………………………………………10 3．3. 中央空调末端节能改造介绍…………………………………………………11

第四章 中央空调节能控制……………………………………………13

4．1泵的特性分析与节能原理……………………………………………………13 4..2中央空调的各种设备的变频改造……………………………………………16

参考文献………………………………………………………………19

3

第一章 绪论

1.1中央空调系统的概述

所谓中央空调系统，是指在同一建筑物中以集中或半集中方式对空气进行净化（或纯化）冷却或加热、加湿或除湿等处理、输送和分配的空调系统。目的就是为了创造一个标准温度、标准湿度、标准洁净度和新鲜度的室内室外空气环境，以满足生活舒适性或成长工艺性等的空气调节要求，中央空调系统由冷热源系统和空气调节系统组成。制冷系统为空气调节系统提供所需冷量，用以抵消室内环境的冷负荷；制热系统为空气调节系统提供用以抵消室内环境热负荷的热量。制冷系统是中央空调系统至关重要的部分，其采用种类、运行方式、结构形式等直接影响了中央空调系统在运行中的经济性、高效性、合理性。

中央空调的发展历史 在二十世纪六,七十年代,美国地区发生罕见的干旱天气,为解决干旱缺水地区的空调冷热源问题,美国率先研制出风冷式冷水机,用空气散热代替冷却塔,其英文名称是:Air cool Chiller,简称为Chiller。

在空调历史中，美国已经发展和改进了有风管的中央单元式系统，并得到了正在现场安装和修理有风管的单元式空调系统的空调设备分销商和经销商的强力支持。WRAC是最简单和最便宜的系统，能够很容易的在零售商店中购得，并在持续高温来的时候自己安装。同时，无风管的SRAC和SPAC自70年代起在有别于美国市场的动力下在日本得到发展和改进。之后，设备设计和制造技术在90年代被转让到中国，这是通过与当地公司(包括主要元件如压缩机、热交换器、电劝机、精细阀和电子控制器的本地制造商)组成的合资公司进行的。在90年代中国也从其它先进国家吸收了较大型空调设备的先进高新技术，并与多数是美国的大公司组成合资企业

1.2中央空调系统的组成结构与分类

中央空调系统的一般组成（1）、采风部分。空调系统必须采用一部分室外的新鲜

的室外的空气，即新风。新风的取入量主要由空调系统的服务用途和卫生要求来决定。新风采入口和空调系统的新风管道及新风虑尘装置构成了系统的进风部分。

（2）、空气的过滤部分。空调系统的新风进入空气处理装置，一般都要经过一次预

过滤器，除去空气中较大的灰尘颗粒。这部分空气的净化处理到何种程度，由中央空调系统所负担工艺条件决定。一般的空调系统设有两级空气过滤器，即一级空气预过滤器和一级中效空气过滤器。

（3）、空气的湿热处理部分。对空气进行加热、加湿和降温、去湿，将有关的处理

过程组合在一起，称为空调系统的空气热、湿处理部分。在对空气进行热、湿处理过程中，有采用表面式空气换热器（在表面式换热器内通过热水或水蒸气的称为表面式空气加热器，简称空气汽水加热器，在表面式换热器内通过低温冷水或制冷剂的称为水冷式表面冷却器和

4

直接蒸发式表冷器），也有采用喷淋冷水或热水的喷水室，还有采用直接喷水蒸气的处理方法，以实现空气的热、湿处理过程。

（4）、空气的输送和分配、控制部分。空调系统中的风机和送、回风管道称为空气

的输送部分，风道中的调节风阀、蝶阀、放火阀、启动阀及风口等称为空气的分配、控制部分。风机是空调系统的主要噪声源，为了保证空调房间内的噪声达到要求的标准，常在空调系统的送、回风管上安装消声器。有的空调系统设置一台风机，此风机既起送风作用，又起回风作用，此种系统称为单风机系统；有的空调系统设置两台风机，一台为送风机，一台为回风机，称为双风机系统。空调系统中的风机和风管一般都需要保温，防止能量的无益消耗。

（5）空调系统的冷热源。空调系统的冷热源一般分为天然和人工两种。

由上述组成部分构成的空调系统称为集中式空调系统（又称为全空气系统）。这种系统在工业上使用得较多，也是最基本的方式，其特点是空气处理设备集中于空气处理室，冷热源也大多集中在一起，处理后的空气用风道分别送到各空调房间，因而系统便于集中管理和维护。

如果将上述空气处理设备和制冷机、风机等组合在一起成为一种整体的机组，称为空调机组。采用空调机组的空调系统又称为局部式空调系统，类似于家用分体机。

具有集中处理新风的新风处理机组和风管、同时又在各空调房间内设有局部处理装置（称为末端装置，如诱导器、风机盘管等）的空调系统称为半集中式中央空调系统。

中央空调系统的分类，中央空调根据不同的分类标准,可以分为如下几类:

1按输送工作介质分类 ① 全空气式空调系统

空调房间内的热湿负荷全部由经过处理的空气负担的空调系统，称为全空气空调系统，又叫做风管式空调系统。全空气空调系统以空气为输送介质，它利用室外主机集中产生冷／热量，将从室内引回的回风（或回风和新风的混风）进行冷却/热处理后，再送人室内消除其空调冷／热负荷。

② 风管式中央空调系统

全空气空调系统的优点是配置简单，初始投资较小，可以引入新风，能够提高空气质量和人体舒适度。但它的缺点也比较明显：安装难度大，空气输配系统所占用的建筑物空间较大，一般要求住宅要有较大的层高，还应考虑风管穿越墙体问题。而且它采用统一送风的方式，在没有变风量末端的情况下，难以满足不同房间不同的空调负荷要求。 ③ 冷/热水机组空调系统

空调房间内的热（冷）湿负荷全部由水负担的空调系统，称为冷/热水式空调系统。冷/热水式空调系统的输送介质通常为水或乙二醇溶液。它通过室外主机产生出空调冷/热水，由管路系统输送至室内的各末端装置，在末端装置处冷/热水与室内空气进行热量交换，产生出冷/热风，从而消除房间空调冷/热负荷。

④ 冷/热水机组中央空调系统

该系统的室内末端装置通常为风机盘管。目前风机盘管一般均可以调节其风机转速（或通过旁通阀调节经过盘管的水量），从而调节送人室内的冷／热量，因此可以满足各个房间不同需求，其节能性也较好。此外，它的输配系统所占空间很小，因此一般不受住宅层高的限制。但此种系统一般难以引进新风，因此对于通常密闭的空调房间而言，其舒适性较差。

5

注：\为变化前参数，H对于风机称有头，第四项又称比例律。

表3 风机、水泵相似工况下参数变化

从管网特性曲线可以看出，一般情况下，风机转速变化相似工况点连线过原点，由于水泵有静扬程存在，当转速变化时，相似共况点连线不通过坐标原点，转速变化前后工况点亦不再保持相似，所以效率也随之不再保持不变，也就是说，此

时不满足比例律，如图2 a、b所示：

当风机或水泵稳定工作在工况点A1（Q1，P1）上，当需要减少流量到Q2时，（1）关小阀门开度，使管网曲线R2。值得注意的是：Q2的实现是靠人为节流引起的损失ΔP的代价换来的。（2）采用变速调节，将速度降到n2时，既可足流量的要求，其功率降低显著。因此，变转速调节是风机、泵经济运行的首选方式。

采用变频调速方式，对普通系列三相异步电动机拖动进行控制，是当前无级调速的主流。它的基本原理如下，当电动机极对数P选定后，运行时改变供电电源F1，就可改变其步转速n1。当同步转速n1改变了，电动机转轴转速n则随之而变。采用变频调速有以下特点

（1） 从基频往下调速，为恒转矩调速方式； （2） 调速范围大；

（3） 电动机转速稳定性能好；

（4） 运行时，电动机转速接近其同步转速，运行效率高； （5） 频率F1可以连续调节，因此为无级调速方式；

（6） 基本上做到负载需要多少功率，就从电源输入多少功率。

3．3. 中央空调末端节能改造介绍

11

中央空调原末端采用比例阀进行机械式调温，调节冷冻水入水口阀门的开度，即控制进入热交换器中冷冻水的流量，风机推动热交换热源一方（即空气），在热交换器中进行热交换，从而达到调节冷风温度的目的，其调节对象为冷源介质。

控制简图如下：

其过程如下：风机盘管出风口处安装一个温度传感器，采样冷风的实际温度，并将该信号送给比例阀控制器，比例阀根据实际检测的温度与设定的温度进行比较，自动调节调节热交换器进水口阀门的开度。实际温度比设定温度高则增加阀门开度，实际温度比设定温度低则减少阀门开度，以达到调温的目的。实际上有些末端并不采用自动调节，而是采用人工调节。感觉冷风不够则增加阀门开度，

而且往往不是采用比例调节，而是以档位方式进行调节。

2、 中央空调末端分析

首先，中央空调末端由比例阀控制器调节热交换器进水口阀门开度的过程中，是以增加进水的阻力来减少流体（冷冻水）在热交换器中的流动速度，这样就以浪费一大部分冷冻水的动能来达到调温，然而浪费的这一部分动能恰恰是中央空调的冷冻泵所给予，冷冻泵电机是要消耗电能，也就是采用比例阀调温浪费了一

部分的电能。

其次，盘管风机是以电机来驱动的，然而电机长期是以满速运行（即以工频运行），这样风机的机械转动部分易产生磨损，机械磨损之后增加了风机电机的负

载，甚至引起电机故障，减少了电机的使用寿命。

最后，有些中央空调末端采用的是开环档位控制，凭感觉调温。感觉温度过高则增加阀门开度，感觉温度过低则减少阀门开度，该调节方式是人工调节而不是

自动恒温调节。另外比例阀性能不稳定也造成调温效果不理想。

3、中央空调末端改造

12

我们现主要针对以上几个问题对中央空调末端进行如下改造：

将原有的中央空调末端采用比例阀进行机械式调温改造为变频器进行电气调温。将进水阀门的开度固定，动态调节风机转速，来达到恒温调节目的，调节的对象为热源。其过程如下：风机盘管出风口处安装一个温度传感器，采样冷风的实际温度，该信号经温度变送器转换为标准的电流信号，送给变频器，变频器将实际检测的温度与上位机给定的温度进行PI运算，运算结果给出控制信号，自动控制风机转速。实际温度比设定温度高则增加风机转速，实际温度比设定温度

低则减少风机转速，以达到调温的目的。控制系统简图如下：

中央空调末端经过改造之后，中央空调末端不是通过调节热交换器进水口阀门开度来调温而是通过电子方式来调温，这样节省了一大部分的电能，而且风机电机不是以满速运行，盘管风机电机是根据室内的负荷变化有效地调节风机电机的转速，来调节风量达到调温目的，这样既节省了电能，又大大地减少风机的机械转动部分磨损，增加了电机的使用寿命；同时还消除了各个热交换器进水口阀门之间的影响。还有在改造之后，风机电机采用交流变频调速技术后，实现了零电流、零电压的软启动，消除了电机启动时对电网的冲击，而且还大大地降低电机运行

时的噪音。 4、改造前后比较 改造前

a、 机械调温效果不明显。 b、 比例阀性能不稳定。

c、 风机长期处于满速运行，风机用久易产生机噪音及电能的浪费。 d、 无法实现温度闭环自动控制 改造后

a、 用电气调温，调温精度高。

b、 响应速度快，调温动态性能好。

c、 风机经常不处于满转速运行，机械损耗小，风机的噪音可降低，风机的用

13

电量可下降。

d、 实现全自动远程监控及温度闭环控制。

e、 实现了软启动、软停止，消除了电机启动时对电网的冲击，而且还大大地降低电机运行时的噪音。

第四章 中央空调节能控制 4.1 泵的特性分析与节能原理

泵类的特性和参数

纯粹用于抽水的功率叫有效功率

有效功率=（1000qh）/（75×60/0.736）=qh/6.11（kw） 式中，q为流量（m3/min）；h为总扬程（m）。 设在扬程内1m3的水的重量为1000kg，因此： 泵的轴功率=（有效功率）/ 泵的效率（kw） 电动机输出功率=（1.05～1.2）×轴功率（kw）

泵是一种平方转矩负载，其转速 n 与流量 Q, 扬程 H 及泵的轴功率 N 的关系如下式所示：

Q1=Q2(n1/n2) H1=H2(n12/n22) N1=N2(n13/n23) (2.1)

上式表明，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比, 泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电动机驱动泵时，电动机的轴功率P(kw) 可按下式计算:

P=ρQH/ηcηF×10-2 (2.2) 式中： P：电动机的轴功率（KW） Q：流量（m3/s）

ρ：液体的密度（Kg/m-2） ηc:传动装置效率 ηF：泵的效率

14

H：全扬程（m） 调节流量的方法：

5.

15

如图2.1所示，曲线1是阀门全部打开时，供水系统的阻力特性；曲线2是额 转速时，泵的扬程特性。这时供水系统的工作点为A点：流量QA，扬程

HA；由（2.2）式可知电动机轴功率与面积OQAAHA成正比。今欲将流量减少为QB，主要的调节方法有两种：

（1）转速不变，将阀门关小 这时阻力特性如曲线3所示，工作点移至B点：流量QB，扬程HB，电动机的轴功率与面积OQBBHB成正比。

（2）阀门开度不变，降低转速,这时扬程特性曲线如曲线4所示，工作点移至C点：流量仍为QB，但扬程为HC，电动机的轴功率与面积OQBCHC成正比。

对比以上两种方法，可以十分明显地看出，采用调节转速的方法调节流量，电动机所用的功率将大为减小，是一种能够显著节约能源的方法。

根据异步电动机原理

n=60f(1-s)/p (2.3)

式中：n:转速 f:频率 p:电机磁极对数 s:转差率

由（2.3）式可见，调节转速有3种方法，改变频率、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。因此改变频率而改变转速的方法最方便有效。

根据以上分析,结合公司中央空调的运行特征，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等组成温差闭环自动控制，对中央空调水循环系统进行节能改造是切实可行，较完善的高效节能方案。

因为中央空调系统是由主机、冷冻水、冷却水等若干个子系统组成的一个较为复杂的系统，所以对每个子系统进行改造时，都要考虑器对整个系统的影响。因此我们在中央空调系统变频改造时采用了神经元网络和模糊控制的方法，保证整个系统的最优化运行。

4．2 中央空调的各种设备的变频改造 ①却水泵进行变频改造

控制原理说明如下：PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度

16

和出水温度读入控制器内存，并计算出温差值；然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的转速，调节出水的流量，控制热交换的速度；温差大，说明室内温度高系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度和流量，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，系统负荷小，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流量，减缓热交换的速度以节约电能。

由于冷冻机组运行时，其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温，再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。冷却水进水出水温差大，说明冷冻机负荷大，需冷却水带走的热量大，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的循环量；温差小，则说明，冷冻机负荷小，需带走的热量小，可降低冷却泵的转速，减小冷却水的循环量，以节约电能。

②变频节能系统图

③三菱FR-F540-37K-CH变频器主要参数的设定

Pr.160 : 0 允许所有参数的读/写 Pr.1 : 50.00 变频器的上限频率为50Hz Pr.2 : 30.00 变频器的下限频率为30Hz Pr.7 : 30.0 变频器的加速时间为30S Pr.8 : 30.0 变频器的减速时间为30S

17

Pr.9 : 65.00 变频器的电子热保护为65A

Pr.52 : 14 变频器DU面板的第三监视功能为变频器的输出功

率

Pr.60 : 4 智能模式选择为节能模块

Pr.73 : 0 设定端子2－5间的频率设定为电压信号0～10V Pr.79 : 2 变频器的操作模式为外部运行

④三菱PLC控制器FX2N-64MR与三菱FR-F540-37K-CH变频器的接线以及I/O分配

X0:1#冷却泵报警信号 X2:2#冷却泵报警信号 X4:1#冷冻泵报警信号 X6:2#冷冻泵报警信号 X10:冷却泵报警复位 X12：冷却泵手/自动调速切换 X14：冷却泵手动频率上升 X16：冷冻泵手动频率上升 X20:1#冷却泵启动信号 X22:2#冷却泵启动信号 X24:1#冷冻泵启动信号 X26:2#冷冻泵启动信号 Y2:冷却泵自动调速信号 Y4:1#冷却泵报警信号 Y6:1#冷冻泵报警信号 Y10:1#冷却泵启动 X1:1#冷却泵运行信号 X3:2#冷却泵运行信号 X5:1#冷冻泵运行信号 X7:2#冷冻泵运行信号 X11:冷冻泵报警复位 X13：冷冻泵手/自动调速切换 X15：冷却泵手动频率下降 X17：冷冻泵手动频率下降 X21: 1#冷却泵停止信号 X23: 2#冷却泵停止信号 X25: 1#冷冻泵停止信号 X27: 2#冷冻泵停止信号 Y3: 冷冻泵自动调速信号 Y5: 2#冷却泵报警信号 Y7: 2#冷冻泵报警信号 Y11:1＃冷却泵变频器报警复位 18

Y12:2#冷却泵启动 Y14:1#冷冻泵启动 Y16:2#冷冻泵启动 Y13:2＃冷却泵变频器报警复位 Y15:1＃冷冻泵变频器报警复位 Y17:2＃冷冻泵变频器报警复位 PLC与变频器接线图

19

⑤

参考文献

【1】 【2】 【3】 2吴业正、韩宝怡等编：《制冷原理及设备》，西安交通大学出版社1987年版。 朱立编著：《制冷压缩机与设备》，机械工业出版社2009年版。

《制冷原理（制冷和空调设备运用与维修专业）》高等教育出版社

【4】 武汉商业学院学报第31期第2卷，20109版 【5】 中国制冷网。 【6】 百度文库

20

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9qv.html