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冰蓄冷中央空调及其相关系统
摘要
冰蓄冷中央空调系统是现代化大型建筑物不可缺少的配套设施之一，冰蓄冷空调主要在夜间低谷电力时段将建筑物所需空调冷量部分或全部制备好，并以冰的形式储存起来，在非电力低谷时段融冰供冷的一种空调系统。
由于低谷电力时段电价较低，用户得以大幅度降低空调使用费。
由于冰蓄冷中央空调行业是一个刚刚形成的行业，冰蓄冷中央空调在我国具有很好的发展前景。
本文的意义在于以便使冰蓄冷中央空调行业能迅速发展，同时宏观上起到移峰填谷的作用，平衡电网需求侧的运行。
随着科学技术的日益成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量，达到节能目的的提供了可靠的技术条件。
关键词：
PLC，冰蓄冷技术，中央空调，控制功能
ABSTRACT
Ice-Thermal-StorageCenterAirConditioningSystemisoneofmodernlarge-scalebuildingessentialsupportingfacilities,Ice-Thermal-StorageCenterAirConditioningSystemisamachinesystemthatcanturnelectricityintocoldenergyatnightwhentheneedforelectricityislowandstorethecoldenergyinthestateofice.Inthedaytimethattheneedofelectricityishighthesystemprovidescoldairforthebuildingbymeltingtheice.Inthiswaytheusercansavealotofmoneyonaccountthattheelectricityfeeishighindaytimethanatnight.SothewriterdrawstheconclusionthatIce-Thermal-StorageCenterAirConditioningSystem,asnewproduct,hasabrightbusinessfutureinChina.TheconclusiondrawnbythewriterinthisthesiscanbeusedasreferencefortheIce-Thermal-StorageCenterAirConditioningSystembusiness;thegovernmentofficercanbalancetheneedofelectricitybetweendaytimeandnighttheoreticallyusingtheprinciplesannouncedbythewriter.
Alongwiththescienceandtechnologymatures,usingorganiccombinationofinverter,PLC,digitalanalogconversionmodule,temperaturesensorandtemperaturemoduletothermoelectricclosed-loopautomaticcontroltechnologywhichcanadjustoutputflowrateautomaticallytosaveenergy.
Keywords:
PLC；Theicestoragetechnology，Thecentralairconditioning，Controlfunction
目录
绪论-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
1冰蓄冷空调的简介-------------------------------------------------------------------------------------------2
1.1冰蓄冷空调的原理----------------------------------------------------------------------------------------2
1.2冰蓄冷空调的系统构成图-----------------------------------------------------------------------------2
1.3冰蓄冷空调的应用----------------------------------------------------------------------------------------3
1.4冰蓄冷空调的实用性------------------------------------------------------------------------------------3
1.5冰蓄冷中央空调与传统中央空调的区别--------------------------------------------------------4
2冰蓄冷中央空调的制冷机组---------------------------------------------------------------------------6
2.1制冷压缩机的分类-----------------------------------------------------------------------------------------6
2.2冰蓄冷中央空调的离心式制冷压缩机--------------------------------------------------------------6
2.3离心式制冷压缩机的工作原理------------------------------------------------------------------------7
2.4制冷机组的主要性能指标-------------------------------------------------------------------------------7
2.5制冷机组的节能--------------------------------------------------------------------------------------------7
3冰蓄中央空调的蓄冷系统---------------------------------------------------------------------------------9
3.1冰蓄冷系统的分类-----------------------------------------------------------------------------------------9
3.2冰蓄冷系统的控制目的、范围及主要受控设备-------------------------------------------------9
3.3冰蓄冷系统的形式---------------------------------------------------------------------------------------10
3.4系统的控制与监视----------------------------------------------------------------------------------------11
3.5工况功能的分类-------------------------------------------------------------------------------------------11
3.6数据的记录和打印功能---------------------------------------------------------------------------------12
3.7优化控制的功能-------------------------------------------------------------------------------------------12
3.8板换的防冻保护原因及其措施----------------------------------------------------------------------12
3.9系统的远程监控------------------------------------------------------------------------------------------12
4冰蓄冷中央空调的控制调节系统------------------------------------------------------------------14
4.1冰蓄冷中央空调的系统控制方式-------------------------------------------------------------------14
4.2PLC控制系统结构组成---------------------------------------------------------------------------------14
4.3PLC系统的功能--------------------------------------------------------------------------------------------14
4.4PLC控制系统的优点-------------------------------------------------------------------------------------15
4.5常用的PLC控制系统软件------------------------------------------------------------------------------17
5结论------------------------------------------------------------------------------------------------------------------18
参考文献--------------------------------------------------------------------------------------------------------------19
致谢----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------20
绪论
中央空调的高能耗以及波及全球的能源危机催生了中央空调节能技术的变革。
一种“夜间用电低谷制冰、白天用电高峰制冷”的“冰蓄冷”技术应运而生。
该技术已经引发全球研发、推广热潮。
据统计，北美、日本蓄冷空调的市场占有率分别达到70%和75％。
“传统耗能大户——中央空调却还有几近30％的节能潜力没有被挖掘！
”
冰蓄冷中央空调是将电网夜间谷荷多余电力以冰的冷量形式储存起来，在白天用电高峰时将冰融化提供空调服务。
由于我国大部分地区夜间电价比白天低得多，所以采用冰储冷中央空调能大大减少用户的运行费用。
冰蓄冷中央空调系统配置的设备比常规空调系统要增加一些，自动化程度要求较高，但它能自动实现在满足建筑物全天空调要求的条件下将每天所蓄的能量全部用完，最大限度地节省运行费用。
在智能化的中央空调系统中，采用PLC（ProgrammableLogicController）控制系统是切实可行的，冰蓄冷中央空调系统用PLC控制可以有效地保证其工作稳定、可靠、便于维护，且性能价格比高，同时以PLC为核心的高可靠的监控系统实现了对空调主机的控制以及两台主机之间的协调控制，具有先进、可靠、经济、灵活等显著特点。
1冰蓄冷空调的简介
1.1、冰蓄冷空调的原理
冰蓄冷实际上是对能源的一种储备——在用电低谷、电价较低（或中央空调不需要工作）时开始制冰，蓄存冷量；而在用电高峰、电价较高（中央空调需要工作）时停止制冰、同时依靠冰的融化来制冷，从而完成能源利用在时间上的转移，节省运行费用，降低运行成本。
冰蓄冷中央空调技术是转移高峰电力、开发低谷用电、优化资源配置、保护生态环境的一项重要技术措施，符合中国的长期国策。
冰蓄冷空调技术的原理即是在电力负荷很低的离峰时段或称用电低谷期启动压缩机运转，采用制冷机冷却冰水制冰，利用制冷介质的显热或潜热特性，用一定方式将冷量存储起来。
在电力负荷较高的白天，也就是用电高峰期，需要使用空调，而又不适宜运转冷气机组的时间，即可让夜间所储存的冰溶化，吸收空调冰水的热量，把储存的冷量释放出来，达到冰水冷却的效果，如此即可将白天尖峰时段的冷气用电需量，转移至夜间离峰时段，以满足建筑物空调或工艺技术的需要。
1.2、冰蓄冷空调的系统构成图
图1-1冰蓄冷系统构成图
冰蓄冷空调系统一般由制冷机组、蓄冷设备（或蓄水池）、辅助设备以及调节控制装置等组成。
冰蓄冷空调系统设计种类多种多样,无论采用哪种形式,其最终的目的是为建筑物提供一个舒适的环境。
另外,系统还应达到能源最佳使用效率,节省运转电费,为用户提供一个安全可靠的冰蓄冷空调系统。
1.3、冰蓄冷空调的应用
冰蓄冷空调系统于美国、日本等国家己发展使用30年以上，即使在台湾也已发展25年之久，其对于电力电网的波峰谷平衡调整，及投资设置者的电费回收效益，已是明显且成熟的技术。
基于空调系统的耗电，约占商业大楼用电的40%-50%，且集中于夏天，对于尖峰电力的需求造成很大的负担，因此发展冰蓄冷空调系统，除了符合国家政策需求外，另外还具有提高商业效益等优点。
1.4、冰蓄冷空调的实用性
1.4.1、转移尖峰时间耗电量
压缩机利用夜间（离峰时间），转移白天（尖峰时间）耗电量。
具有平衡电力负载功能，符合国家削峰填谷的用电政策。
1.4.2、节约基本电费及外线补偿费（增容费）
利用非空调设备的契约电力容量（照明、电梯等），在离峰电力时段移转给储冰系统使用，如此可降低契约电力容量，节约基本电费。
另因电力设备使用时段措开，因此可将受电设备容量降低，包括：
无熔丝开关、电磁开关、管线、变压器等设备，及施工费用均可减少（各种设备电力、设备容量、设备费用、电力申请费用、基本电费和施工费用等，全部降低约20%）。
1.4.3、节约流动电费
透过使用二段式（离峰、尖峰）和三段式（离峰、半尖峰、尖峰）时间电价，享受波峰谷电费差价措施。
1.4.4、提升机组运转效率
传统空调系统，冰水主机容量选定都是以尖峰负荷为依据，但是实际上尖峰负荷全年不超过60天，主机绝大多数时间是在部份负荷下运转，在春天和秋天时，负荷更可能低至50%以下，采用储冰空调系统，主机满载运转至储冰完成，机组完全在100%容量下运转，避免卸载运转时的效率损失（传统机组当容量卸载至50%时，其耗电量仍高达75%）。
1.4.5、具扩充能力
冰蓄冷空调在不增加设备的情况下，在空调使用时段时，只要增强机组辅助运转，即可立即增加空调能力。
1.4.6、低温的冰水供应
可提供1℃到5℃冰水，供冷藏、低温除湿及制程冷却系统使用。
同时在相同室温条件下，可拉大供风及供水的温度，减少供风量及水量，降低风车马达及水帮浦的耗电量，并可减少管路工程费用。
1.4.7、可应付短时间的超大瞬间负荷
储存的大量冰可立刻溶解，应付高于常态负荷数倍的瞬间负荷。
例如︰教堂、大型体育馆、机场、百货公司、博物馆、大型办公楼等等。
1.5、冰蓄冷中央空调与传统中央空调的区别
传统中央空调作为传统耗能大户，由于长期以来人们对其节能不够重视，能源浪费的现象仍然相当严重且普遍。
随着人们对工作环境、生活环境舒适度的要求越来越高，国内建筑物中央空调的普及率也在逐步上升。
与此同时，中央空调普遍存在的高能耗问题却让人触目惊心。
如今高能耗已经成为制约中央空调健康发展的一大瓶颈，解决中央空调的高能耗问题已迫在眉睫。
而冰蓄冷中央空调具有全部或部分转移制冷机组的用电时间，起到“移峰填谷”作用，也解决了用电高峰期和低谷期的负荷相差很大所引起的能量浪费的有效手段.
1.5.1、使用案例（化学工厂）
（1）空调负载特征
常态性为24小时运转的系统，其特别在于化学反应发生时，在短期间、单一时限内，会产生的大冷却负荷的需求，其余时间则仅需提供尖峰负荷时，约20％的维持性冷却负荷即可。
（2）案例比较
表1-1传统空调和冰蓄冷空调系统
机组
传统空调
冰蓄冷空调
化学反应发生时的冷却负荷
420-RT/Hr
420-RT/Hr
常态期的维持性冷却负荷
80-RT/Hr
80-RT/Hr
冰水机组能力
420RT
80RT（常态期的维持性冷却用途）
冰水机组及附属设备用电量
470KW
127KW（27％）
运转模式说明
常态时期由80RT冰水机组提供制冷维持能力，另20-RT储冰机组连续运转22Hr，可储存350RT-Hr制冷能力，待化学反应发生时，由两者联合提供350+80=430RT-Hr的冷却负荷。
1.5.2、冰蓄冷空调与传统空调相比的优缺点
一、冰蓄冷空调的优点
（1）可以转移制冷机组的用电时间，起到了转移用电高峰期用电负荷的作用；
（2）空调蓄冷系统的制冷设备容量和装置的功率小于常规空调系统。
一般可减少30%-50%；
（3）断电时利用一般功率发电机仍可保持室内空调的运行；
（4）可以快速达到制冷效果；
（5）降低噪乱冷水流量与循环风减少，即减少空调机组运行时运转振动及噪音的降低；
（6）实用寿命比普通空调长；
（7）空调蓄冷系统中制冷设备满负荷运行的比例增大，状态稳定，提高可设备利用率。
二、冰蓄冷空调的缺点
空调蓄冷系统增加了蓄冷设备的费用及其占用的空间，使其一次性投资比常规空调系统要高。
1.5.3、冰蓄冷空调的效益
一、宏观效益
（1）转移电力高峰用电量，平衡电网峰谷差
（2）减少新建电厂投资
（3）减少环境污染，有利于生态平衡
（4）充分利用有限的不可再生资源
二、微观效益
（1）减少主机装机容量和功率可达30%—50%
（2）相应减少冷却塔的装机容量和功率
（3）设备满负荷运行比例增大，可充分提高设备利用率
（4）减少一次电力投资费用，包括电贴费、变压器、配电柜等
（5）利用分时电价，可节省大量的运行费用可作为应急冷源，停电时可利用自备电力启动水泵融冰供冷
2冰蓄冷空调的制冷机组
空调压缩机原理是借助外力维持制冷剂在制冷系统内的循环，空调压缩机吸入来自蒸发器的低温、低压的制冷剂蒸气。
空调压缩机压缩制冷剂蒸气使其温度和压力升高，并将空调压缩机的制冷剂蒸气送往冷凝器，在热量吸收和释放的过程中，空调压缩机就实现了热交换。
离心式压缩机根据压缩机中安装的工作轮数量的多少，分为单级式和多级式。
如果只有一个工作轮，就称为单级离心式压缩机，如果是由几个工作轮串联而组成，就称为多级离心式压缩机。
在空调中，由于压力增高较少，所以一般都是采用单级，其它方面所用的离心式制冷压缩机大都是多级的。
2.1、制冷压缩机的分类
在工程实际中，常用的制冷压缩机有活塞式、离心式、螺杆式、涡旋式四种类型。
（1）活塞式制冷压缩机是使用历史最长的压缩机，我国的生产、制造的技术很成熟，运行管理经验也很丰富，造价较低廉，应用普遍，突出的缺点是热效率相对较低。
其目前用于工程的单机制冷量在5．8～1745KW之间。
（2）螺杆式压缩机与活塞式制冷压缩机相比，具有易损件少、体积小、重量轻、单机压缩比大、对湿行程不敏感、振动小、热效率较高等许多优点，而且制冷量可在1O～100的范围内无级调节。
较突出的缺点是噪音较大，耗油量大，价格相对较昂贵。
其制冷量主要在150～1500KW范围内。
（3）涡旋式压缩机属于新型的压缩机，其结构简单、动力平衡性能好、没有吸气阀片、易损件少、容积效率最高、转速变化范围很大，价格相对较高，目前主要应用在5～70KW的中等冷量范围内。
（4）离心式压缩机与活塞式压缩机相比，具有转速高、制冷量大、易损件少、维护简单、连续工作时间长、振动小、对基础要求低、润滑油和制冷剂基本不接触等优点，通常可在3O%～100%范围内无级调节。
其主要缺点是单机制冷量不宜太小，一般用于350KW以上的场合，在1500KW以上的大冷量场合有着不可比拟的优势。
2.2、冰蓄冷中央空调的离心式制冷压缩机
2.2.1、离心式制冷压缩机的结构图
空调用单级离心式制冷压缩机的构造主要由工作轮、主轴、扩压器和蜗壳等所组成
图2-1离心式制冷压缩机的结构图
2.3、离心式制冷压缩机的工作原理
压缩机工作时制冷剂蒸汽由吸气口轴向进入吸气室2，并在吸气室2的导流作用引导由蒸发器（或中间冷却器）来的制冷剂蒸汽均匀地进入高速旋转的工作轮3（工作轮也称叶轮，它是离心式制冷压缩机的重要部件，因为只有通过工作轮才能将能量传给汽体）。
汽体在叶片作用下，一边跟着工作轮3作高速旋转，一边由于受离心力的作用，在叶片槽道中作扩压流动，从而使汽体的压力和速度都得到提高。
由工作轮3出来的汽体再进入截面积逐渐扩大的扩压器5（因为汽体从工作轮3流出时具有较高的流速，扩压器5便把动能部分地转化为压力能，从而提高汽体的压力）。
汽体流过扩压器5时速度减小，而压力则进一步提高。
经扩压器5后汽体汇集到蜗壳4中，再经排气口引导至中间冷却器或冷凝器中。
完成吸气一压缩一排气过程。
2.4、制冷机组的主要性能指标
（1）工作温度：
对蒸气压缩式制冷机为蒸发温度和冷凝温度，对气体压缩式制冷机和半导体制冷器为被冷物体的温度和冷却介质的温度。
（2）制冷量：
制冷机单位时间内从被冷却物体移去的热量。
（3）功率或耗热量、制冷系数：
衡量压缩式制冷机经济性的指标，指消耗单位功所能得到的冷量。
（4）热力系数：
衡量吸收式和蒸汽喷射式制冷机经济性的指标，指消耗单位热量所能得到的冷量等。
现代制冷机以蒸气压缩式制冷机应用最广。
2.5、制冷机组的节能
2.5.1、制冷机组节能原则
（1）发温度，降低冷凝温度在满足设备安全和生产需求的前提下，尽量提高蒸发温度和降低冷凝温度。
为此加大了冷却塔的改造，以保证冷却水效能。
（2）防止和减少管道结垢以提高冷凝器和蒸发器的换热效率补充水如果水处理做的不好，碳酸氢钙和碳酸氢镁受热产生的碳酸钙和碳酸镁会沉积在管道上。
使导热性能下降，影响冷凝器和蒸发器的换热效率，并使设备运行电费大幅度上升。
此时除了采用水处理技术外，还可以利用管道定期自动清洗设备进行管道清
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