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智能化国防工程空调设备的节能控制

放大字体  缩小字体 发布日期:2012-04-01  来源:中国建筑电气网  作者:刘顺波 杨志国

摘 要 文章介绍了智能化国防工程通风空调设备状态监测系统的硬件选型与软件设计,实现了对工况参数和设备性能状态的测量、计算和评估。对国防工程通风空调节能控制中的新风量控制和变频冷却水泵控制进行了分析,指出二者均可以获得50%的节能效果。

关键词 国防工程 通风空调 状态监测 节能控制

1 前言

随着社会经济的发展和军事要求的提高,国防工程不同程度地实现了智能化管理。智能化国防工程以军事化任务为核心,由军事指挥、安全防卫、设备管理和网络通信等分系统组成。其中设备管理是指对发电、变配电、给排水和通风空调等设备的自动化管理。智能化国防工程是一个网络化的集成系统,其人员、设备、信息是一个有机的整体,实现了资源、功能、任务共享,具有安全、高效、快捷的特点。国防工程是典型的地下工程,国防工程中的通风空调系统能够在战时正常工作。

通风空调系统承担国防工程内部环境保障任务,其主要设备包括冷冻除湿机、通风机和水泵等,此外还有过滤、滤毒、加热、加湿、消声、氧气再生等设备。通风空调系统的自动化管理包含参数测量、状态评价、运行控制和故障诊断等内容,自动化管理是24h全天候管理。空调设备的运行控制分为启停机控制、联锁控制、舒适性控制和节能控制等。设备控制以设备参数测量和技术性能状态评估为基础,只有运行正常的系统才能够进行节能控制。

2 通风空调设备状态监测

对通风空调设备进行状态监测,一方面是为了了解设备的工作过程和进行设备的工作性能评价,另一方面是为了对工作参数进行控制,以便得到所需的空气品质。状态监测也为通风空调系统节能运行和适时维修提供依据。通风空调设备状态监测应根据监测对象类型及其工作状态,选择适当的传感器、监测点和监测方法,实时采集制冷循环、空气热湿处理过程和冷却水循环的工况参数。

2.1 状态监测

通风空调系统由各种机械设备和部件相互耦合而成,反映其状态变化的参量既有模拟量(如温度、湿度、压力、功率等),也有开关量(如压差开关、水流开关、过载信号等),而且这些状态参量分布在各种设备和部件上,监测的对象为流体机械系统和电气控制系统。前者包括对制冷剂、通风及水流参数的测量,后者包括对电气信号敏感元件、处理器件和控制部件的监测。

状态监测硬件平台设计分为传感器或变送器、信号处理模块、PLC控制器模块和执行机构的选用,PLC控制器与中央服务器连接方式的选择和中央处理器的配置。通风空调系统状态监测结构如图1所示。

软件设计包括PLC监控软件和中央服务器软件设计。PLC监控软件包括参数测量、状态监控、数据处理、数据通信等模块。PLC控制器根据设备状态反馈信息和传感器采集信号,通过控制程序对各种执行机构进行调节。

中央服务器软件设计分为监控界面、数据处理、数据通信和数据库等模块的设计。在中央服务器上可以实时监控除湿机各部分的状态,建立、查看或保存数据库信息,同时可以根据系统相关信息(如故障报警等)迅速做出反应控制相关设备,同时进行相应处理。

图2为调温除湿机运行参数测量点位图。同样地,可以实现对通风机、水泵、加热器、加湿器等设备的运行参数测量。

2.2 性能计算与工作状态判断

获得工况参数以后,通过计算可以得到除湿机、水泵、风机等设备的工作性能。除湿机的性能指标用COP表示。COP是制冷量与功耗之比,反映了制冷系统的效率,可作为系统性能检测和故障判断的依据。制冷量采用焓差法计算,功耗通过功率传感器测得。

水泵的性能指标用泵总效率表示。泵总效率是出水的总位能增量与泵的轴功率之比,水的总位能通过测量流量、压差后计算得到,泵的轴功率是电机功率(可测)与效率(近似常量)之积。风机性能指标用风机总效率表示。风机总效率可以通过测量风机全压、风量和电机功率后计算得到。

通风空调设备工况参数与性能指标正常是系统进行节能控制的基础,只有对运行正常的设备进行节能控制,才能达到预期的目的。如对于使用R22制冷剂的冷冻除湿机来说,其高低压正常范围分别为1.1~2.1MPa和0.4~0.6MPa,压缩机排气温度≤145℃,蒸发器出风侧的温度≥4℃.除湿机COP值随进风温湿度和风量、冷却水进口温度和水量、供电电压和频率的变化而变化,一般变化区间为2.5~4.0.但是对于具体的除湿机和特定的运行工况,COP值是确定的,除湿机运行过程中一旦COP值明显低于预定值,就说明其偏离了正常运行工况,将会消耗更多的能量。所以,在工作过程中,通过监测高低压力、过热度、过冷度、进风温湿度、风量、蒸发器出风温度、耗电量等数据对除湿机性能进行监测。

3 通风空调设备的节能控制

通风空调设备节能控制含有丰富的内容,如制冷压缩机、风机、水泵的变容量控制,风系统避免冷热抵消、除湿加湿抵消的控制,水系统避免有用能损失的冷冻水旁通、热水旁通的控制等。根据国防工程的特点,下文主要讨论具有显著节能效果的新风量控制和变频冷却水泵控制。

3.1 新风量控制

我国中部地区国防工程环境保障的主要任务是“防潮除湿”,工程内部空调负荷主要是湿负荷,工程运行过程中空气需要降湿。一般采用冷冻除湿机对空气进行降湿,而当室外空气的含湿量比较低时,也可以使用通风的方法对空气进行降湿。很显然,通风降湿与除湿机降湿相比,所节约的能耗就是除湿机组的耗电量,一般地,除湿机组的功率大于风机的功率,如此运行可以节能50%以上。

一年中室外气象条件变化是很大的,一般将一年划分为夏季、冬季和过渡季三种空调季节。夏季多是雨季,应尽量少使用新风。冬季虽然干燥,但由于室外空气温度太低,也不宜长时间进行全新风运行,而过渡季却可以使通风系统全新风运行。一天中室外空气的含湿量也是变化的,一般在后半夜达到最低值。根据工程外气象条件的变化特点,以及工程内人员及设备运行规律,适时调节新风量,能够达到运行节能的目的。

国防工程通风空调系统可以采用无新风、维护新风量、根据工程内CO2浓度连续调节新风量、以及全新风四种运行模式。新风量控制流程如图3所示。首先,新风量必须满足工作区域人体呼吸的需要,由CO2浓度传感器控制新风量的大小;然后,根据工程内外含湿量d外、d内的比较,决定全新风(d外<d内)或无新风(d外≥d内)。这里需要说明的是,基于维护的需要,每周要定期进行维护通新风。

以上只是考虑了一个空调区域的情况。实际上,国防工程中存在多个空调区域,不同区域的新风要求也各自不同。此外,雨雪、风沙天气不宜大量使用新风,因而新风控制更复杂。上述新风控制策略的实现,需要借助于国防工程设备自动化管理系统,而且还需要准确的气象观测数据的支持。

3.2 变频冷却水泵的控制

调温除湿机是出风温度可以调节的除湿机,配备风冷和水冷两个冷凝器,其电控系统采用PLC控制器。水冷冷凝器的冷却水量是由除湿机的出风温度控制的,当设定出风温度高时减少冷却水量,反之则会增加冷却水量。

大型国防工程往往采用十多台甚至更多调温除湿机同时运行,每一台的运行工况随着室外气象条件、室内负荷的变化而发生较大变化,这时对冷却水的需求也会发生较大变化。调温除湿机冷却水系统原来的设计是,无论除湿机工作工况如何,均按设计负荷定水量供应冷却水。如果除湿机运行过程中需要的冷却水少了,则通过水量调节阀将多余的冷却水旁通掉,造成水泵部分能耗浪费。

变频冷却水泵的控制方式为:以水冷冷凝器供水压力为目标,控制水泵的运行。当由于水冷冷凝器需水量减小而使供水压力升高时,PLC控制变频器频率降低使电机转速降低,从而使水泵供水量减少。反之,使水泵供水量增加,以实现系统的节能运行。变频冷却水泵控制示意图如图4所示。

笔者在一个国防工程中进行了试验,一年8760h中除湿机的工作时间为2630h,工作过程中的平均负荷率为50%,水冷冷凝器的平均负荷率为60%.通过变频冷却水泵的年节电率为52%.

4 结束语

智能化国防工程的现场测控网络为空调设备的自动化管理提供了良好的基础,通过硬件选型与软件设计,搭建了通风空调设备状态监测系统,实现了对工况参数和设备性能状态的测量、计算和评估。根据国防工程通风空调系统特点,对节能控制中的新风量控制和变频冷却水泵控制,并进行了分析和设计,得出二者均可以获得50%的节能效果。

参考文献

1 刘顺波.防护通风与空气调节 陕西科技出版社,2006
  2 王有才.冷冻除湿机的状态监测与故障诊断研究.二炮工程学院硕士论文,2008

 
 
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