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蒸发冷却空调自动控制系统的研究

来源:未知 作者:晨风 2011-06-22 09:10:19
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专题
蒸发冷却空调技术被称为“零费用制冷技术”、“绿色空调”和“仿生空调”,是真正意义上的节能环保和可持续发展的制冷空调技术,..

      文章主要是对蒸发冷却空调系统自动控制方面的研究,首先设计了一个较完善的集中式蒸发冷却空调系统的自动控制方案然后对其进行优化,并引入了变风量系统的设计思路对风机进行变频控制,使得整个空调系统达到了最佳的温湿度控制,同时大大降低了能耗。

 

  1 蒸发冷却技术应用现状及其存在的问题

 

  1.1 蒸发冷却技术简介

 

  盛夏,生活在干燥炎热地区的人们知道,一场雨过后,天气凉爽舒适;在潮湿地区,当人们来到海边或湖边,凉风吹来,顿时让人凉爽舒畅。这是因为雨水或海水吸收了空气中的热量而蒸发,空气温度下降,人们会有不一样的凉爽感受。

 

  蒸发冷却空调正是运用这一自然现象以水作为制冷剂,由于不使用CFCs,因而对大气环境无污染,而且可直接采用全新风,极大地改善了室内的空气品质。同通常的机械制冷原理一样,由制冷剂的蒸发而提供冷量。但是对蒸发冷却来说,是利用水的蒸发取得能量,它不必将蒸发后的水蒸汽在进行压缩,冷凝回到液态水后在进行蒸发。因此与机械制冷相比,蒸发冷却制冷不需要消耗压缩功,这使得它的COP值有时比机械制冷要大得多,从而取得节能效果。

 

  1.2 蒸发冷却技术应用现状

 

  目前蒸发冷却技术的应用相当广泛。最早应用蒸发冷却技术的地区是美国的西南部和澳大利亚等地区,该地区的气候特征虽然温暖但比较干燥,蒸发冷却空调在此得到广泛应用。宾馆、办公室、餐饮、娱乐、体育馆、影剧院等公共场所和一些工业建筑中已广泛应用蒸发冷却技术,仅在新疆地区完成的蒸发冷却工程项目已有近百个。

 

  1.3 蒸发冷却空调常用形式

 

  (1)间接蒸发冷却:由于一次气流中绝对湿度没有增加,间接蒸发冷却可以很好地应用于进入冷却盘管空气的预先冷却。

 

  (2)直接蒸发冷却:它可以在过渡季节的部分时间内利用本身具有的直接蒸发作用降低空调的送风温度,节省机械制冷能耗 (即使是在干燥地区,直接蒸发冷却可以代替常规的机械制冷),又可以在冬季作为加湿器使用。

 

  (3)双级、三级蒸发冷却:将间接蒸发冷却与直接蒸发冷却串联组合的机组称为双级蒸发冷却,如果再加上辅助制冷冷却盘管则称为三级蒸发冷却。在一些湿度温度较高的地区或室内舒适度要求较高的场合,采用双级或三级蒸发冷却能满足办公室、学校、体育馆、宾馆、商场以及其它类型的建筑物的空调要求。

 

  1.4 目前蒸发冷却技术存在的问题

 

  (1)从国内对蒸发冷却的研究来看,虽然在其理论、设备、试验研究及其应用方面已做了大量的工作,但人们对蒸发冷却空调机组和空调系统自动控制方面的研究却较少。目前虽然技术人员能够提出设计方案,但是空调机组各设备的不同安装位置,控制程序编写的通用性差,造成温湿度控制的不理想,因此合理的控制策略和合理的控制流程将会起到非常重要的作用。

 

  (2)另一个目前十分突出的问题是蒸发冷却空调机组的分室控制问题,即如何开发研究适合蒸发冷却空调系统的廉价的变风量末端与主机的控制方案以及室内湿度偏大的问题。

 

  2 集中式蒸发冷却空调系统控制方案设计

 

  2.1 空调系统运行工况分区的分析

 

  冷却蒸发空调机组与机械制冷式机组最大的不同它以水作为制冷剂利用循环水直接喷淋未饱和的湿空气形成增湿、降温,从而降低室内的热负荷,由于对室外空气进行处理,且室外空气状态在一年中的波动范围很大,夏季可分为较热和炎热来对待,而冬季可分为较冷和寒冷来对待,对于舒适性气候可划分为一个分区来考虑。在空气调节技术中,有一个被定义为有效温度的术语,其意为使人感受到舒适的温度,即与人体感受到的冷热相对应的温度。分区的标准可参考表1。

 

  2.2 夏季控制过程

 

  (1)当室外空气温度上升到设置温度转换点上限时,系统进入分级冷却控制,首先开启直接蒸发冷却设备,直接蒸发冷却器水泵开启,室外空气风阀全开,回风风阀全闭,排风风阀全开,是否采用100%的新风取决于室内外空气的焓差,当室外空气的焓值大于室内时,必须使用回风以达到节能。如果室内湿度过大,通过湿度传感器检测出来,可对直接蒸发冷却器的水泵的启停操作来控制,也可以通过旁通阀的开启或关闭去控制湿度。

 

  (2)当室内温度降不到所需的温度时,此过程可通过室内温度传感器来测量。则开启间接蒸发冷却器,间接蒸发冷却器水泵开启,冷却塔风扇开启。如果水泵的功率过大不能采取直接启动,可通过变频来启动,通过对PLC进行编程来控制接触器的接通和断开,具体电路将在下面详细分析。

 

  (3)由于蒸发冷却空调机组适应于低湿度地区,所以当室外湿球温度过高时本控制系统未考虑。

 

  2.3 冬季控制过程

 

  (1)当室外温度下降到冬季温度控制点以下时,间接蒸发冷却器,直接蒸发冷却器水泵关闭,新回风阀的开度预置在(15%和85%)的开度,预热器的预热阀打开。

 

  (2)当室内温度达不到设定值时,有回风温度传感器测定,则开启再加热盘管的控制阀。用出风温度传感器的测量值与PLC内部的设定值比较控制再加热器的加热阀使空气沿等含湿量线被加热到送风态点。如果室内含湿量过低由室内湿度传感器检测到,可直接控制直接蒸发冷却器水泵的开启来控制湿度。

 

  2.4 舒适性气候控制过程

 

  当室外空气温度在舒适性温度范围内,室内主要是满足换气量的要求,可以在全新风条件下运行,风量大小由各末端装置的设定值通过PIC内部的计算确定送风量,通过变频器调节风机的风量。

 

  2.5 集中式蒸发冷却空调系统控制原理图如图3所示

 

  2.6 风机总风量的控制

 

  (1)为了尽量降低控制系统的成本,尽可能采用简单易行的方法。室内末端各风量调节机构采用高、中、低三挡位或更多。风量信号的给定通过室内人员操作控制面板或无线控制方式设置,各末端装置内安装有无线接收模块接收操作人员的指令,然后各末端的无线接收模块接收到的开关量信号通过线路传送到PLC内部,PLC通过对各末端信号的识别对其进行处理,经内部计算输出控制信号控制变频器改变风机转速,最终达到控制风机风量的目的。

 

  (2)传统的变风量末端装置,室内末端送风量大小的设定如高、中、低三挡位是与风量调节阀阀位一一对应的,即处于不同挡位时的流量与调节阀位的高低成正比。例如,当室内人员根据自身舒适度感受自行将风量挡调至高档位,则风量调节控制机构控制风量调节阀到相应的阀位处。这一过程需要控制机构确定执行机构什么时刻到指定的阀位处停止,这就造成了末端控制设备成本的增加。可以将风量设定装置与风量调节机构的控制相独立,即不通过风量调节阀来调节风量的大小,而是通过风量设定装置来调节。各末端的风量设定值被PLC检测到,通过PLC内部的加法器相加,并与系统设计时的最大风量相比,得到实际所需风量相对于最大风量的百分比。将此百分比按一定比例变换成电压信号或是相关的开关信号去控制变频器的输入端,从而控制风机的送风量。

 

  (3)当室内的送风量设定值为零时,即要求关闭风阀,此开关量控制信号一方面被PLC接收,一方面控制风量调节阀关闭,此控制可用继电器来完成。同理如果在其它的风量挡位应控制风阀全开这一过程,也可以通过对继电器的控制来完成,不需要考虑风阀的位置信号反馈给定问题,同时电动风阀的全开或全闭都有限位开关防止电机过载或机械损坏。

 

  2.7 风机的变频控制问题

 

  控制风机的风量必须要调节变频器的输出频率必须首先向变频器提供改变频率的信号,这个信号称为给定信号。而所谓给定方式,是调节变频器输出频率的具体方法,也就是提供给定信号的方式。

 

  2.7.1 模拟量给定方式

 

  直接电压(或电流)给定,由外部仪器设备直接向变频器的给定端输出电压或电流信号,如本控制通过对各末端风量设定值的检测由PLC内部经过计算由DkA转换模块输出相应的电压控制变频器的输出频率。

 

  2.7.2 数字量给定方式

 

  如果变频器的外接输入控制端中,有功能预置端,可以将若干个输入端作为多挡转速控制端。根据这若干个输入端子的状态(接通或断开),可以按二进位方式组合成3~16挡每一挡可预置一个对应的工作频率,则风机的转速的切换可以用开关器件通过改变外接输入端子的状态及其组合来实现,所以本控制可用此方式来实现,假设输入端子X1、X2、X3被预置为多挡转速的信号输入端,则通过继电器KAl、KA2、KA3的不同组合,可输入7挡或8挡转速信号(0状态不计时为7挡,计人时为8挡),如图4所示。

 

  2.7.3 转速挡与各输入端状态之间的关系(如表2所示)

 

  2.7.4 在使用多挡转速功能时,必须进行两步预制

 

  第一步,通过预制,确定哪几个输入端子为多挡转速输入端子;

  第二步,预制与各挡转速对应的工作频率(即进行频率给定)。

 

  2.8 新风、回风、排风风阀的控制问题

 

  通常风阀的自动控制,风阀上都安装有行程位置传感器,通过风阀行程位置传感器的信号来控制风阀的开度从而达到适当的新回风比要求。由于控制系统要对模拟信号进行模数转换,内部还要进行计算,最后经模数转换来驱动风阀电机到相应的位置,从而达到要求。其程序设计比较复杂且风阀成本也比较高。由于本系统用PLC当主控制器,可以用开关量信号取代模拟量信号,且PLC用梯形图编程,程序编写比较容易,且易实现。新风、回风、排风风阀在全开或全闭处都有开关量阀位信号且在15%、30%、60%、85%处都有开关量阀位信号送入PLC内部,由于新风和排风可以联动控制,可以省去排风阀的阀位信号。例如:要求新回风风阀开度在(15%,85%)时,PLC的输出端输出开关量信号控制继电器或接触器,控制新回风风阀电机的转动,当到达15%、85%时,15%、85%开关量阀位信号送人PLC内部,PLC内部由于程序的控制,控制新回风风阀电机的停止。这些阀位的控制都是在不同的运行工况下进行的有程序的编写来完成。

 

  2.9 交流异步电动机的直接启动和变频启动问题

 

  (1)交流异步电动机直接启动控制线路简单、经济、操作方便,但受到电源容量的限制,仅适用于功率在1OKW以下或满足全压启动经验公式的电动机。当电动机容量较大(大于10KW),启动时产生较大的启动电流,会引起电网电压的下降,因此必须采用降压或变频启动的方法,限制启动电流。

 

  (2)由于本控制系统风机采用变频启动所以不会对电网造成影响,但是如果间接蒸发冷却水泵功率超过10KW或不满足全压启动经验公式就不能直接启动。可以通过PLC对变频器的控制实施“1拖X”控制(由一台变频器控制多台电机)。工作情况是:当蒸发冷却空调机组启动时,首先有变频器启动送风机电机。当满足一定工况时控制系统要求启动间接蒸发冷却水泵,这时由PLC控制,把送风机电机切换至工频运行,然后把间接蒸发冷却水泵电机切换到变频器中,变频器的输出频率由OHZ逐渐上升直至工频来减小启动电流。经过一定的延迟由PLC内部计时,再把送风机电机接人变频器中,如图5所示。如果不采用这样的控制也可以用PLC控制间接蒸发冷却水泵电机,以Y/△的降压启动方式。

 

  3 控制设备介绍说明

 

  PLC是以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置,它具有可*性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列的优点,因而在工业、能源、化工、电力等领域中有着广泛的应用。本控制系统选用三菱FX系列PLC可编程逻辑器件,FX系列PLC的系统配置灵活,价格便宜,用户除了可以选用不同型号的FX系列PLC外,还可以选用各种扩展单元和扩展模块,组成不同I/O点和不同功能的控制。

 

  3.1 各功能模块介绍

 

  3.1.1 FXON-60MK-D型主单元PLC

 

  FXON—60MR—D可组成24~128个I/O点,用户存储器容量为2000步。FXON有20条基本指令,2条步进指令,55条功能指令。FXON有较强的通信功能,可与内置RS~232C通信接口的设备通信。使用FXON一485ADP模块,与计算机可实现1:N (最多8台)的通信。

 

  3.1.2 模拟量输入模块FX2N-4AD

 

  FX2N一4AD是模拟量输入模块,有四个输入通道,分别为通道1(CHl)、通道2(CH2)、通道3(CH3)、通道4(CH4)。每一通道都可进行A/D转换,其分辨率为12位。输入的模拟电压值范围从直流-10~+IOV,分辨率为5mV。若为电流输入,则电流输入范围为4~20mA或-20~20mA,分辨率为201xA。FX2N一4AD内部共有32个缓冲寄存器(BFM),用来与主机FX2N主单元PLC进行数据交换,每个缓冲寄存器的位数为16位。

 

  3.1.3 模拟量输出模块FX2N-4DA

 

  FX2N—4DA是模拟量输出模块,有4个输出通道,分别为通道1(CHl)、通道2(CH2)、通道3(CH3)、通道4(CH4)。每一通道都可进行D/A转换,其分辨率为12位。输出的模拟值范围,电压为-10~+10V,电流为OmA~20mA,分辨率前者为5mV,后者为20μA。FX2N—4DA内部共有32个缓冲寄存器(BFM),用来与FX2NPLC之间进行数据交换,每个BFM的位数是16位。

 

  3.2 UO电气接口图(如图6所示)

 

  3.3 UO地址表

 

  该系统的输入信号有启动开关、各运行工况开关、风阀位置开关、末端设定风量开关、温度、湿度传感器(T1、T2、T3、H1)等。输出信号控制的对象有水泵、水阀、送风风机、风阀等,采用FX系列PLC控制,其输入、输出地址如表3所示。

 

  3. 控制系统的调试

 

  PLC控制系统的安装接线,只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连。PLC软件设计和调试大多可在实验室里进行,用模拟试验开关代替输入信号,其输出状态可以观察PLC上的相应发光二极管,也可以另接输出模拟试验板。模拟调试好后,再将PLC控制系统安装现场,进行联机调试,这样即省时间又很方便。由于PLC本身的可*性高,又有完善的自诊断能力,一旦发生故障,可以根据报警信息,迅速查明原因。

 

  4 结束语

 

  该文章设计了集中式蒸发冷却空调自控系统,并给出了具体的控制方案,在一些具体细节问题上给出了具体的控制思路,下一步的工作将是通过对程序优化来加以完善,使得整个空调系统达到最佳的温湿度控制,同时大大降低其能耗。

 

  参考文献

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  2 贺进宝.黄翔.梁才航.家用蒸发冷却变风量中央空调送风系统自动控制方案的探讨.建筑科学,2004;20(增刊):160~165

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  4 玉琪.王强.刘旭等.中央空调选型、调试、控制和维修,北京:人民邮电出版社,2003;350-351

  5 张燕宾.电动机变频调速图解北京:中国电力出版社,2003;66~67

  6 张燕宾.电动机变频调速图解.北京:中国电力出版社,2003;69~70

  7 汉琪.盛党红.邓东华.电器控制与可编程序控制器应用技术.南京:东南大学出版社,2003;67~67

  8 汉琪.盛党红.邓东华.电器控制与可编程序控制器应用技术.南京:东南大学出版社,2003;143

  9 汉琪.盛党红.邓东华.电器控制与可编程序控制器应用技术.南京:东南大学出版社,2003;155~157

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