西安某办公楼蒸发冷却半集中式空调自控系统设计方案.pdf

一 3 6 一 节 能 E NE RGY C0NS ER VAT 1 0N 2 0 1 0年第6期 总第 3 3 5期 西安某办公楼蒸发冷却半集中式空调 自控系统设计方案 卢永梅 ， 黄翔 ， 强天伟 西安工程大学 环境与化学工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 4 8 摘要 以西安某办公楼 为研究对象 ， 提 出了蒸发冷却半集 中式空调 系统即干工况风机盘管 蒸发冷却 新风机组 自 控 系统的设计方案， 将蒸发冷却空调的具体应用和 自动控制紧密的结合起来， 保证了系统 的安全和最佳 节能效果。 关键词 空调 系统； 蒸发冷却 ； 新风机组 ； 干工况风机盘 管； 蒸发式冷水机组 ； P L C； K I N GV I E W 中图分类号 T U 8 3 1 ． 3 1 ； T U 2 4 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 7 9 4 8 2 o l o o 6 0 0 3 6 0 4 引言 蒸发冷却空调机组在使用过程 中受外界状况 影响较大。为了保障空调机组工作的稳定性 ， 需要 其 自身运行状态要随着外界状况的改变而进行 自 我调节 ， 这样就必须引入 自动控制技术 ， 而 自动控 制技术的应用又能大大提高蒸发冷却系统的节能 效果。 本文以西安某办公楼的蒸发冷却半集 中式空 调系统为对象， 提出了蒸发冷却半集中式空调即干 工况风机盘管 蒸发冷却新风机组 自控系统的设 计方案 ， 实现了该 系统的全面智能化节能控制， 保 证了系统的安全和最佳节能效果。 1蒸发冷却半集中式空调系统 1 ． 1蒸发冷却半集中式空调系统结构 见图1 室外空自 蒸发式高温 冷水机组 风机 而 一 恫接 蒸 发 I直 接 蒸 发 r 。 I 冷 却 段 l 冷 却 段 l 空 气 源热 广 7 泵 1 泵机组 回 ，／仃 ．。 亳垂堡盔 新风人 E 房间 圈1 蒸发冷却半集中式空调系统示意图 蒸发冷却新风机组各个功能段依次为 过滤 段、 高温表冷器、 低温表冷器、 直接蒸发冷却器、 送 风机。蒸发式高温冷水机组各个功能段依次为 第 一 级表冷器、 第二级表冷器、 直接蒸发冷却器。 该工程为西安某办公楼空气调节系统 ， 该办公 楼空调自 控系统主要采用干工况风机盘管 蒸发 冷却新风机组的空调方式进行 自动化控制和监控。 冷源由蒸发式高温冷水机组 和空气源热泵机组共 同提供。空气源热泵机组和风机盘管不纳入中央 站的监控 ， 其中风机盘管采用各房间就地控制， 各 房间的温度可由使用人员的喜好 自由调整 ， 能较好 地适应局部环境 ， 节约能耗。采用分布控制、 中央 监控的方式对上述系统的设备运行状态及运行工 况进行智能化的监控。 1 ． 2蒸发冷却半集中式空调系统冷源 蒸发冷却半集中式空调系统在夏季运行时， 其 冷源是由蒸发式高温冷水机组和空气源热泵机组 共同来提供的， 即蒸发式高温冷水机组和空气源热 泵机组共同提供给干工况风机盘管高温冷水。蒸 发冷却新风机组高温表冷器中的高温水是通过干 工况风机盘管升温后的高温水来提供的， 低温表冷 器中的水 由空气源热泵机组来提供 ， 最终回到蒸发 式高温冷水机组 中进行喷淋。经过蒸发式高温冷 水机组冷却降温后的水温介于湿球温度和露点温 度之间， 作为系统高温冷源。蒸发冷却半集中式空 调的水系统， 由高低温冷水共同供给 ， 这是一种机 械制冷与蒸发冷却相结合 的复合式空调系统。这 2 0 1 0年第 6期 总第 3 3 5期 节 能 E NERGY CONS E RVAT【 0N 一3 7 一 种空调方式可以有效降低高品位能源的消耗 ， 提高 系统的能效比。 在冬季， 蒸发式 高温冷水 机组停止运行 ， 打开 蒸发冷却新风机组 的高温表冷段和直接蒸发冷却 段。空气源热泵机组作为热源 ， 为高温表冷段和干 工况风机盘管提供热水。 1 ． 3系统控制过程 1 夏季控制过程。 夏季运行时， 干工况风机盘管仅仅承担室 内的 显热负荷 ， 而新风机组承担新风负荷及室内的全部 潜热负荷和剩余部分 的显热负荷 。新 风机组夏季 开启的功能段为 高温表冷器 低温表冷器 送风 段 。 该系统夏季空气处理过程如图2所示。 9 0 ％ l O O ％ ，／ l ， rP w一室外状 态点 ； Wl 一高温表冷 器处理后的空气状 态点 ； Ⅳ 一 室内状态点 ； 彳 一风机盘管处 理后 的状态点 ； 0 一送 风状 态点 ； L 一 露点 ； 一考虑温升后 的状态点 。 图2 蒸发冷却新风机组 干工况风机盘管夏季运行模式 2 过渡季节控制过程 。 过渡季节运行 时， 根据室外空气 的状况 ， 可 以 分为两种运行模式。当室外空气的温度比较低时 ， 可以直接采用一级蒸发冷却进行等焓加湿处理后 直接送入室内。而当室外空气的温度相对 比较高 ， 一 级蒸发冷却的温 降有限难 以满足室 内温湿度要 求时， 则可以先采用一级 间接等湿冷却 ， 再 开启直 接蒸发冷却填料段进行加湿处理。由于一年中大 部分时间处于过渡季节 ， 因此过渡季 的空调能耗所 占的比例也相 当大。在过渡季 节采用蒸发冷却全 新风的空调方式， 既可以有效改善室内空气品质， 又可 以充分利用 自然 冷源实现 “ 免费供冷”， 与传 统机械制冷系统相 比节能 8 0 ％左右 。新风机组过 渡季节开启的功能段为 高温表冷器 低温表冷器 直接蒸发冷却器 送风段。 过渡季节运行模式如图 3所示。 W ． a 直接蒸发冷却 9 0％ 90 ％ b 间接 直接蒸发 冷却 一 室外状态点 ； Wl 一高 温表冷器处理后 的空气状 态点 ； Ⅳ 一 室 内状态点 ； 三 一露点 。 图 3 过渡季节运行模式 3 冬季控制过程。 冬季运行时 ， 新 风机组先对室外 空气 进行预 热 ， 同时开启填料段进行加湿处理 ， 以满足冬季室 内空气对湿度 的要求。新风机组冬季开启的功能 段为 低温表冷器 直接蒸发冷却器 送风段。 冬季空气处理过程模式如图 4所示。 w一室外状态点 ； W1 一高温表冷器处理后 的空气状态点 ； JⅣ 一 室内状态点 ； M一风机盘 管处理后 的状态 点 ； c 一送 风状态 点； 卜 加湿后 的状态点 。 图4 蒸发冷却新风机组 干工况风机盘管冬季运行模式 2系统自控方案设计 可编程控制器 P L C以其性价 比高 、 运算 速度 快 、 可靠性高 ， 而且具有功能强大的 自由编程功能、 体积小 、功耗低 、 设计施工周期短等优点受到用户 的青睐。该工程 自控系统采用西门子可编程控制 器 S 7 2 0 0作为控制设备 ； 西门子 S 7 2 0 0对应的 组态软件是 WI N C C， 但是在蒸发冷却半集 中式空 调 自控系统中并未采用 WI NC C。而选用了 K I NG 一 38 一 节 能 ENERGY C0NS ERVAT1 0N 2 0 1 0年第6期 总第 3 3 5期 V I E W6 ． 5 3组态软件来设计用户的监控界面。 2 ． 1考虑因素 1 K I NG V I E W 与 WI N C C相比， 具有价格优 势。蒸发冷却系统具有较低的冷却设备成本 ， 较通 常的机械制冷系统节能 8 0 ％左右。因此若要通过 WI NC C组态 ， 需要增加整个监控系统的费用。 2 K I N G V I E W 内置了众多设备制造商的硬 件驱动程序 包括 S 7 2 0 0 。 3 国内采用 s 72 0 0和 K I N G VI E W 的成功 案例已经很多， 而且已经成熟 ， 因此不需要担心兼 容的问题。 图 5所示为蒸发冷却半集 中式空调 自控系统 硬件总体结构。 图 5 蒸发冷却半集中式空调 系统硬件总体 结构 图 2 ． 2实现功能 2 ． 2 ． 1蒸发冷却新风机组监测 图6所示为蒸发冷却新风机组 P L C系统流程。 图 6 蒸发冷却新风机组 P L C系统流程图 1 蒸发冷却新风机组送风温度 。选用具有 D C 4～2 0 mA信号输 出的温度变送器 ， 接在 P L C A I 通道上。 2 风机的运行状态和故障报警 。送风机 的 工作状态采用压差开关 P d A监测的， 风机事故报 警采用电流 继电器常开 触点作 为 D I信号 ， 接到 P L C系统中。在风机控制柜 A C上有 手／ 自动显 示 DI 、 运行状态显示 D I 、 风机故障显示 D I 和风机 启停控制 D O。 3 蒸发冷却新风机组过滤段报警。压差开 关 P d S测量过滤网两端压差 ， 通过压差超限报警 器 P D A发出声 、 光报警信号 ， 通知管理人员更换或 清洗。当过滤器阻力增大时， 压差开关吸合， 从而产 生通的开关信号， 通过 D I 通道接入 P L C系统中。 4 低温防冻报警。T s为防冻开关 ， 冬季加 热器后温度低于或等于某一设定值时 ， T S常闭节 点断开， 风机停转 ， 新风阀 自动关闭， 同时， 打开电 动阀， 运行循环泵。T s可通过 D I 通道接人 P L C 系统中。 5 联锁控制。新风 阀通过电动 执行机构与 风机连锁 ， 当风机开启后 阀门 自动打开 ， 当风机停 止运转 ， 阀门 自动关 闭。通过 D O通道接人 P L C 系统中。 2 ． 2 ． 2蒸发式高温冷水机组的监测 蒸发式高温冷水机组的出水温度控制是通过 风机的变频控制来实现的。图 7所示为蒸发式高 温冷水机组 P L C系统流程。 图 7 蒸发式高温冷水机组 P L C系统流程图 1 风机的运行状态和故障报警。风机的工 作状态采用压差开关 P d A监测 的， 风机事故报警 采用电流继电器常开触点作为 D I 信号 ， 接到 P L C 系统 中 。 2 风机 变频 控制。风机变频器设 6个控 制点 变频器电源控制设 3个点 即手动／ 自动开 关状态 D I ， 电源通 、 断控制 DO， 电源状态 DI ； 变 频器进行监控设 3个点 即频率控制 AO， 频率反 馈 A I ， 故障报警 D I 。 2 ． 2 ． 3控制、 调节功能 蒸发冷却半集 中式空调系统共有 3个闭环调 节系统 1 蒸发冷却新风机组送风温度控制 。蒸发 冷却新风机组的送风温度可通过控制蒸发冷却新 风机组的低温表冷器 电动阀来控制。当送风温度 2 0 1 0年 第 6期 总第 3 3 5期 节 能 ENERGY CONSERVAT1 0N 一3 9 一 高于设定值时 ， 低温表冷器 电动阀开大 ； 当送风温 度低于设定值 时， 低温表冷 器电动 阀关小 。通 过 AI 通道接人 P L C系统 中。 2 蒸发式高温冷水机组 控制。主要是对 蒸 发式高温冷水机组 的出水温度进行控制。此温度 通过变频器来控制蒸发式高温冷水机组风机的转 速来实现。当出水温度高于给定值时 ， 变频器频率 增大 ， 风机转速增大； 当出水温度低于给定值时 ， 变 频器频率减小 ， 风机转速减小 。对 风机 变 频 控 制 ， 压差报警 DI ； 变频器运行监控采 用频率控制 A O、 频率反馈 A I 和故障报警 D I 。 3 风机盘管人 水温度控制。根 据实际工程 需要， 风机盘管人水温度要保持一恒定值 。此时可 以通过控制空气 源热 泵机组冷水 的流量来 实现。 当风机盘管的入水温度高于给定值时， 可通过电动 阀开大空气源热泵机组的冷水流量 ； 当风机盘管的 入水温度低于给定值时 ， 可通过 电动阀减小空气源 热泵机组的冷水流量 。通过 AO通道接入 P L C系 统中。 通过 P L C时采集蒸发冷却半集 中式空调系统 中温度等参考信号， 并将蒸发冷却半集 中式空调 自 身的信号通 过 A ／ D 转换器 进行 模／ 数 转 换输 入 P L C装置 ， P L C装 置通过预先装入 的程序软件对 各种信号进行统计 、 运算 ， 再通过 D ／ A进行数／ 模 转换 ， 将控制信号输送给蒸 发冷却半集 中空 调系 统 ， 完成空调系统随时根据外界情况的改变而实现 自动控制的功能。同时 P L C程序还对设备 的运行 状况及故障及时进行反馈和报警。图 8所示为蒸 发冷却半集 中式空调 自动控制原理图。 输入 输 出 图 8蒸 发 冷 却 半 集 中式 空 调 自动 控 制 原 理 图 2 ． 2 ． 4中央控 制 系统 中央站的监控画面选用 K I N G VI E W 来完成 ， 它充分利用 Wi n d o w s的图形 编辑功能 ， 方便 地构 成监控画面 ， 并 以动画方式显示控制设备的状态 ， 具有报警窗 口、 实时趋势曲线等 ， 可方便 的生成各 种报表 ， 它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组 态方式 、 数据链接功能。图 9所示为 P C机和现场 设备 P L C之间的通信原理。 P C机 图 9 P C机 和现场控 制设备 P L C之 间的通信原理图 在 P C机上运行 K I NG V I E W 来生成满足用户 要求的监控画面 ， 将 图形对象 与 P L C中的存储地 址联系起来 ， K I N G VI E W 通过 串行 口与 P L C进行 通信 ， 访 问 P L C相关的寄存器地址。可 以用 画面 中的图形对象来实现 P C机与 P L C的连接 、 通信 ， 进行数据处理和数据 交换 ， 实现集 中控制 、 数据记 录和打印等功能。在监控主页面不但可以形象地 看到整个空调系统的布局， 以及当前各个设备的运 行状况 、 故障实时保护报警及记录 、 室 内温度实时 数据曲线 ， 并将现场运行数据实时存人数据库 ， 可 以随时打印数据 ， 也可以检索以前的历史数据。而 且提供了人机对话的窗 口， 可以在 P C机上的监控 画面中修改 P L C控制程序中的参数。P L C可以向 P C机传递设备 的实时状况 ， 接受并执行 P C机实 时控制指令 ， 实现控制 系统运行时 P L C与人机界 面之间的 自由数据交换 。这些都为现场设备维护 人员提供了详细的资料 ， 使操作、 维护工作变得更 加简单。 3结论 1 提出了蒸发冷却半集中式空调系统 ， 即干 工况风机盘管 蒸发冷却新风机组 自控系统 的设 计方案 ， 将蒸发冷却空调的具体应用和 自动控制紧 密的结合起来 ， 保证 了系统的安全和最佳节能。 2 引入了组态技术 ， 使 中央站的监控画面更 加形象化 ， 更利于系统的监控和管理。取代传统的 封闭式系统 ， 具有适应性强 、 开放性好 、 易于扩展、 经济、 开发周期短等优点 。 3 大大减少 了工程维 护管理人员的劳动强 度 ， 减少设备运行能耗 ， 提高设备运行的可靠性 ， 全 面的提高了工程的维护管理水平。 下转 第 7 5页 2 0 1 0年 第 6期 总第 3 3 5期 节 能 ENERGY CONS ERVAT1 0N 驱动热泵 、 回收循环水低位热量 、 加热锅炉进风 ， 可 在电厂实现废热“ 减量化 、 再利用 、 资源化” 的循环 经济理念 。由以上数据分析 ， 此方案能降低电厂冬 季采暖的煤耗量 ， 在一定程度上也降低了冷却塔的 热负荷和噪声污染 、 减少循环水的蒸发损失。 2 随着锅 炉排 污 的 回收 和煤耗 量 的降低 ， C O 、 S O 、 烟尘 、 灰渣和锅炉排污等的排放量也有 所减少 ， 同时通过冷却塔向大气排放的废热也减少 了 ， 降低了温室效应 ， 起到了保护环境 的作用。 3由 计 算 可 知 循 环 水 带 走 的 热 量 为 8 0 0 G J ／ h ， 而热泵回收用于加热锅炉进风的热量远 小于循环水带走的热量 ， 那么循环水的剩余热量该 如何利用 ， 有待于进一步研究。 4 锅炉暖风器在性能设计 、 制作 及安装 、 管 理等方面还存在一些问题， 其在实际运行中常会出 现泄漏 、 水击 、 堵灰等问题。热泵系统和暖风器 系 统结合之后 ， 暖风器管 内工质 由蒸汽转变为热水 ， 不会发生相变 ， 因此不会发生汽 、 水的反复混合 的 现象 ； 同时管内外工质温差有所 降低 ， 使传热管 的 热胀冷缩幅度减小 。这些改变对改善锅炉暖风器 在运行时出现的泄漏 、 水击等问题应该有所帮助 ， 但能否改善 ， 仍需进一步分析验证 。 参考文献 [ 1 ] 李勤道 ， 刘志真． 热力发电厂热经济性计算分析[ M] ． 北京 中国电力出版社 ， 2 0 o 8 ． [ 2 ] 中国电力企业联合会科技服务中心， 华中科技大学能 源与动力工程学院． 热力系统节能[ M] ． 北京 中国电 力 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 季杰， 刘可亮， 裴刚， 等． 以电厂循环水为热源利用热 泵 区域供热的可行性分析 [ J ] ． 暖通空调， 2 0 0 5 ， 3 5 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