中央空调水控制系统总体方案设计

钟建伟

摘要：本文首先对中央空调制冷系统的结构和原理、中央空调冷冻水变水量调节的原理及特点进行分析；通过对比传统的中央空调水控制系统，设计了基于PLC的带有远程监控功能的分布式中央空调水控制系统。

1.中央空调制冷系统的结构及原理

中央空调制冷系统主要由制冷机组、冷却水循环系统、冷冻水循环系统和冷却塔风机系统构成，系统原理如图1所示:

图1中央空调制冷系统

在中央空调制冷过程中，制冷剂通过蒸发器制冷，冷冻水与制冷剂在蒸发器中进行热交换之后带走冷量，此时制冷剂为常温低压气态，通过压缩机之后，制冷剂变成高温高压气态。制冷剂进入冷凝器之后，在冷凝器的盘管中与冷却水完成热量交换，冷却水将带走热量，此时制冷剂由高温高压的气态冷凝为高压液体流出冷凝器。高压液体制冷剂通过电子膨胀阀后压力降低，在降压过程中，液态制冷剂气化温度降低，在蒸发器中进行冷量交换，这个冷量交换的过程就是中央空调的制冷过程。

冷却水在冷凝器中完成热交换后，将制冷剂的热量带出，流经冷却塔时与大气充分接触，从而释放冷却水中的热量到大气中，经冷却水泵的作用后重新进入冷凝器。冷却塔在冷却水循环的过程中有重要作用，它使冷却水与大气的接触面积增大，能够起到自然降温的目的，冷却塔的风扇也具有降温作用。

冷冻水循环是一个相对封闭的循环系统。在冷冻水的循环过程中，冷冻水泵将冷冻水送入蒸发器，在蒸发器中，冷冻水与制冷剂完成热量交换后冷冻水温度降低，通过冷冻水泵将冷冻水输送到整个冷冻水循环系统中，之后在风机盘管中进行热交换，达到降低空气的温度的目的。低温空气通过风机吹送到房间以达到降低房间的温度的目的，从而达到调节室内温度的效果。

2中央空调冷冻水变流量调节

2.1变水量调节的特点

在中央空调水系统控制中，与常用的定流量系统相比，变流量系统具有以下的特点：（1）中央空调系统冷量负荷发生变化时能够实时调节冷水量，实现冷水量根据负荷改变而变化，从而降低水泵的能耗，起到节能的作用。（2）随着中央空调系统冷量负荷发生变化，空调系统运行工况将会改变，往往没有运行在设计的最佳运行参数下，变流量控制的思路就是改变水量，使制冷机组可以在最佳运行参数下工作，从而保持主机一直处于高效运行状况下。

2.2变水量调节的原理

通过文献可知，变流量系统主要从两种方式调节流量的变化:一是根据管路特性曲线，调节阀门的开度大小；另一种是根据水泵特性曲线，调节水泵的转速。从节能的效果看，应用最广泛的是通过变频调节水泵转速从而降低整个空调水系统的能耗，并且随着变频技术和自动化控制的快速发展，变频调节的效果也越来越好。

本次研究课题中，空调末端热交换的媒介为水，所以在研究构成中采用变水量控制，变水量系统运行的基本原理是:

式2-1中:

Q代表制冷系统的冷负荷;

W代表制冷系统的冷水流量;

C代表制冷系统的冷水比热;

∆t代表制冷系统的供回水温差

由热力学第一定律知，设计师在设计中央空调水控制系统时，其冷负荷选取的是建筑的最大冷负荷，即在上式中Q为定值，而在实际的生产运行过程中，整个空调系统的负荷是变化的。季节的变化、天气的原因、入住率的不同都会造成其负荷的变化，即中央空调的实际负荷Q是低于设计负荷的。此时可以通过变流量系统满足负荷变化的要求，即保持供回水温差不变，改变冷水流量W；也可以通过定流量系统满足负荷变化的要求，即保持冷水流量W不变，改变供回水温差不变。改变供回水温差需要靠冷水主机完成，而冷水主机的控制是一个复杂的过程，控制难度大，因此理想的水系统是保持供回水温差不变，而冷水流量能够随着负荷的变化而变化。

2.3中央空调监控系统的组成部件及功能

随着科技与时代的进步，计算机技术随之得到大力发展，使硬件成本得到减少，其功能性得到增强，在生产控制系统，得到大量的使用。DCS是一项多技术集成的控制系统，其中涉及到计算机、控制、通信网络等技术的融合，其结构也相对合理，功能性更高，运用计算机可实现现场数据收集、实时监控等，保证生产效率与质量的提高。采用组态工具中的图像编辑功能，便于完成系统功能的模块化组态，满足了多环境下的控制要求及算法，保证控制系统安全的运行与调试。集散控制系统还可对现场过程进行记录，运用网络将数据上传至控制中心，便于计算机对其做出处理与控制。

感器、湿度传感器，可对现场数据进行测量，并上传给现场控制器，其测试信号是模拟量数据，因此，还需经A/D转换模块转化，才能将现场数据传输给现场控制器。

现场被控对象有制循环水泵、风机启停控制、风阀开度、水阀开度等，开关控制可连接现场控制器，模拟性控制的控制信息需要经D/A转换模块转换为电信号，再由执行器对信号大小进行判断，才能对其做出处理。

2.4中央空调水控制系统的总体设计方案

2.4.1传统的中央空调水控制系统的方案

（1）继电器控制

传统的中央空空调水控制系统的是通过使用继电器实现的，采用直接接线的方式来控制水泵的启停。通过继电器的串联、并联和延时继电器组合形成整个控制系统，其连接关系十分复杂，并且继电器的数量多、体积大，功耗也大。系统设计完成后，难以实现功能的改变和增加，并且继电器的触点数量少，扩展性较差。常规继电器工作时，频率低、易出现抖动;时间继电器容易受到恶劣环境的影响造成定时精度降低，从而造成较大的误差。在使用继电器做中央空调水控制系统时，设计、施工和调试必须按顺序进行，施工周期长并且修改难度大。

（2）PLC控制

随着可编程逻辑控制器技术的进步，在中央空调水系统的控制中，采用传统的继电器的方式对水泵进行控制渐渐被淘汰，使用PLC控制越来越多。PLC控制器中的软件继电器的触点多，并且可通过扩展模块来增加触点，通过程序实现继电器的断开和闭合，不会出现抖动问题;软件计时的精度高且不受环境影响，与传统的继电器相比，功耗大大减小。在工程项目中，完成系统设计之后，现场施工和程序编写便可同步进行，缩短工期，调试和修改也容易实现。但控制器出现故障时，将导致整个系统不能运行;当控制对象比较分散时，整个系统的布线工作量大；在数据传输和存储方面没有明显优势;不易实现与远程监控设备通信。

2.4.2分布式中央空调水控制系统的设计方案

针对传统的中央空调水控制系统的缺点，本文设计的中央空调水控制系统，将冷却水系统以及冷冻水系统进行联动控制;与传统方式相比，增加了根据温度调节冷却塔风机的启停和楼层支管控制系统，在冷冻水控制系统中运用了模糊PID的控制算法，对整个中央空调水控制系统的运行数据进行保存。通过采用分布式控制的方式，实现对中央空调水系统的控制。整个控制系统采用三层控制结构，处于顶层是核心控制板，中间层为各子系统控制板，下层为执行机构和传感器。核心控制板和控制子板采用现场总线的方式是进行通信，各控制子板与执行机构和传感器直接连接，控制系统与远程监控服务器的通信通过以太网实现。

核心控制板通过分布式的方式将冷却水系统与冷冻水系统集成在一起，并根据中央空调系统的负荷变化进行联动控制。核心控制板扩展的触摸屏上通过图形化的界面显示整个控制系统中设备的运行状态，并且能够保存相关的运行数据。

小结：

冷却水泵控制板根据回水温度控制冷却水泵的变频运行，并将相关的温度信息和水泵的运行状态发送至核心控制板。冷却塔控制板根据供水温度控制冷却塔风扇的启停，以减少能源的浪费，并将风机的运行状态发送至核心控制板。冷冻水泵控制板根据压差对冷冻水进行变频控制，并上传压差信息与水泵的运行状态至核心控制板；楼层支管控制板根据支管回水管道上的温度传感器改变支管阀门的开度。