如何实现建筑机械设备节能的研究

如何实现建筑机械设备节能的研究

彭博贵

深圳市第一建筑工程有限公司广东深圳518049

【摘要】通常来讲，建筑机械的节能过程是很漫长的，但节能是非常必要的，因为直接关系到整个行业的可持续发展。本文利用PLC和变频器对传统设计的空调系统进行改造，使用变频交流无级调速和PLC的PID功能来自动调节控制压缩机电机，可实现冷库稳恒温度，改善压缩机组工作品质，节约能源，也为常见机械设备动力节能的改造，提供了一个普遍的方法，供同行参考。

【关键词】建筑机械；PLC控制；变频器；PID运算；压缩机节能；技术

现阶段，随着经济全球化进程的不断推进，机械行业的竞争压力越来越大，能源的消耗方面更是遇到了发展的瓶颈。然而，关于绿色节能，特别是提高机械电气设备能耗的技术，现已日臻成熟。以大型建筑物的空调系统或冷库为例，重型机械设备的耗电量和支出都非常大。即使使用最新的中央空调，其电能消耗也能达到平均占建筑物总使用量的50%以上。且由于任何一套空调系统的设计，都必须在其最大使用量的基础上，再增加10%左右的制冷能力余量进行设计。类似的很多重型机械设备，在实际的使用寿命年限内，满负载条件下工作最多只占5%，甚至不到1%。而绝大部分的工作时间，机械设备的动力电机都在负载功率的70%以下运行。虽然空调等设备的机械结构，在过去的30年里改变不是太大，但电力电子产品发展得很快。特别随着变频技术的日益成熟，利用变频器、PLC等电气电子元件，加之成熟的算法控制，可以搭建出完善的闭环控制系统。使改造后的空调，满足自动调节设定控制输出对象（排气压力或温度）的要求，实现精确节能目的。

1、传统压缩机组工作过程和存在的缺陷

1.1压缩机系统主要参数间的关系

大型建筑物的制冷压缩机组，一般最少由2台压缩机共同工作压缩制冷剂。2台三相异步交流电动机分别推动着各自的活塞或阴阳转子，在压缩机缸内形成了高温高压（排气压力）的气态制冷剂。然后经过油分离、冷凝、节流、冷却，最后制冷循环回到压缩机的进气口时，气压已经变成了比出气口排气压力要低很多的进气压力P2。其中排气压力P1与电机的转速n都成正比。P2则是一个变量，其大小取决于制冷量Q的多少，并与之成为反比。通俗地说，如果空调开动的少了，或者冬天室内外温差不大，导致制冷量Q需求很少的时候，P2循环回压缩机后与P1的差值就变小，如果还保持原来压缩机的压缩速度，则P1就会越来越大。P1的增大，又会导致制冷量的输出增加。这样不仅不安全，而且浪费了没有必要的能量。总之，在制冷量Q较小的情况下，应该把电机的转速n也降到相应的值，反之，则上升。

在压缩机系统中，压缩机的排气压力P1、制冷量Q和转速n之间的关系如图1所示。

从图1中可以看出：当制冷量（Q1<Q2<Q3<Q4）不同时，对应着不同的转速（n1<n2<n3<n4），才能达到我们所需要的恒定排气压力P0，必须让转速随着制冷量的变化而变化，即：转速n随着压力P0的变化而变化（Q的变化引起P1的相应变化）这就是恒压排气（可实现温度稳恒）的原理依据。

1.2主要参数的动态过程

假设开始为稳态，制冷量为Q1转速为n1相应压力为P0（即A点）。某时刻制冷量变大为Q'（用户开空调增多）。如果这时n1不变，压力便会从P0下降到P’这一暂稳态（O点）。这时如果提高压缩机的转速，压力便会逐渐上升，一直达P0(B点）此时转速为n2，压力又重新回到原来稳态压力，制冷量也会增大到Q2。

反之，当制冷量减少时，压力会增大，令压缩机减速。压缩机的压力（正比于减少的制冷量）就减少并降到P0值。在分析过程中所以看到P0→P＇→P0过程中，压力是波动的。但在由PID自动调节的压缩机系统中，制冷量的变化相对不是很快，而PID调节的反应速度却非常快（取决于PLC的运算速度），也就是说，排压力稍有降低或升高，PID调节频率迅速随着变化，电机转速加快或减慢，将压力很快恢复到恒压值，使输出压力几乎恒定不变。

2、改造方案

2002年建造的一座300m2的冷库，由两台功率分别为250kW和110kW的压缩机制冷。控制的方式是温控开关与继电器的上下限启停控制。电机采用星三角降压启动。由于速度无法调节，不仅造成了制冷量和需求量的无端损耗，大大增加了电机的运行电流和工作强度；且只能做到把终极控制的目标——温度控制在一个较大的波动上下限范围之内。再者，在对制冷量需求不大甚至没有的情况下，压缩机无法按最小电流运转以节约能源，运行方式极不合理。

为了解决上述问题，我们对电机的控制采用交流变频无级调速和PID自动调节，实现压缩机的稳恒工作。虽然很多高级变频器都已经带有了PID设置调节功能，我们还是主张采用具有PID功能的PLC与普通变频器组态工作更经济。

2.1PLC选配原则

PLC的选择，首先应根据控制系统的输入输出点位的数量来判断。对于一般的压缩机系统，2个启停按钮和6～8个保护点输入，2组星三角控制最少有6个输出和2个时间继电器的需求。显然用一个小型PLC，比继电器控制更经济美观。现代PLC多带有PID功能，可以搭配没有此功能的变频器互补。注意PLC和变频器最好选用一个厂家的产品。虽然现在电气产品的通讯协议都配备的很全，但是使用时的兼容性经常出现问题。比如西门子的变频器搭配美国AB的PLC。

2.2变频器系统搭配

根据压缩机制冷量的分配使用和变频器实际使用效率的考虑，最佳方案是把主机室内的250kW相对大功率电机设计成主机M1，110kW电机用于辅机M2。选用一台250kW的变频器和压力变送器与限幅器各一个。

设计控制过程为：将压缩机M1和M2排气口的压力（设计控制对象P1）首先送入压力变送器DBY处理，常用PLC自带的DBY都可将其转换成4～20mA的弱电流信号。信号通过补偿导线，经过限幅器控制其上限数额，送入变频器F内处理成合理的转速和电流，分别控制辅机和主机。

压缩机正常运行，是通过压力变送器DBY、限幅器DFF、变频器VVVF和PLC的

PID功能自动调节。当主机满负荷时，限幅器DFF启动辅机，共同工作压缩稳定排气压力。此时主机自动调荷。但当主机电力功率少于140kW（主机250kW额定负载功率减辅机110kW）时，辅机停止工作，主电机仍自动调荷，达到压缩机压力要求。

2.3限幅器的设置

DFF上限（启动辅机的值）对应主机250kW满载时的正常输出压力2.5MPa动作，此时M1满负荷但是排气压力≤2.5MPa；DBY变送转化出电流为20mA传递给变频器和PLC。同理下限对应主机140kW时压力≥2.5MPa动作。

2.4整个系统的要求

PLC和变频器的生产厂家和规格型号很多，但功能不尽相同。本系统选取的PLC和变频器至少应具有以下功能：

（1）有无速度传感器矢量控制。这一控制模式，直接决定了变频器的先进程度和价位。该功能也是电机在实现不同功率转换时，能实现连续平滑过渡的核心。

使用了该技术后输出频率与设备转矩变化的关系曲线图见图2。

（2）PLC的PID算法控制精度。这一功能直接决定的是PLC的先进程度和价位。该功能是电机在实现不同功率转换时，具体插补量计算的核心基础。虽然压力和温度等调节参数由用户设置，但通过传感器得来的数据转化成温度等控制量的算法有很多种。参见图3电机参数控制变化曲线。

在实现控制目标的条件下，有一个电压和电流的满足范围，如何能将U1和I1的交点精确算出，是PLC处理器的档次标志。

3、改造的效果

利用上述原理，对本文前述的300m2冷库设备动力改造，至今运转可靠且节能，此外的增补效果还有：

（1）除了本文采用的排气压力自动控制，还可以进一步选择温度做为对象。例如设定温度在-15℃～+25℃范围内的任意需求值，电机无需人工操作启停。

（2）由于变频器的存在，可以保证设备每次维护使用的良好启动性能。VVVF可以有效地限制电机的启动电流和转矩，增加了电机使用寿命。

（3）电机在满足输出的前提下，以最小电流运行，节约效果明显。

4、结束语

综上所述，目前国内的PLC与变频器节能的理论已经非常成熟，在工业中也有很多的应用。虽然控制的对象及功率范围都不同，但是一法顺则万法通。把握好PLC的PID控制和变频器的正确通讯就可以解决各种实际节能问题。

参考文献：

[1]李长勇.浅谈建筑节能与暖通设计施工的关系[J].山西建筑，2010，(5):189.