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深入浅出之中央空调体系架构及楼宇自控系统

article 2024/11/13 12:02:30

一、关于建筑节能

1、建筑能耗

在中国，建筑能耗占社会总能耗45.5%。来源：《中国建筑能耗研究报告（2022）》

2、空调、采暖、照明占比最高

建筑节能是指在保证、提高建筑舒适性和生活质量的条件下，在建筑物使用的全过程中合理的、有效的使用能源，即降低能耗，提高能效。这里所说的建筑用能包括采暖、空调、热水供应、照明、电梯、炊事、家用电器等方面的能耗。其中采暖、空调和照明能耗占50%~70%，因此建筑节能的重点是建筑采暖、空调和照明的节能。

3、空调占比最高

经过对各商业体能耗的综合分析，中央空调能耗占公区总能耗的30%-50%，中央空调节能是商业体节能减碳的关键举措。

本章相关参考：

《公共建筑节能设计标准（修订征求意见稿）》

二、中央空调的系统构成--三大系统（冷冻水循环系统、冷却水循环系统、主机）

典型（水系统）中央空调机组主要由冷冻水循环系统、冷却水循环系统、主机三部分组成：

中央空调系统设备运行流程图

（由中央空调水系统流程图可知，中央空调水系统冷却水泵与冷却塔、冷水机组的连接方式是先并联后串联的连接方式，同理，冷冻水泵与冷水机组、空气处理机组的连接方式也是先并联后串联的连接方式。）

1、冷冻水循环系统

该部分由冷冻泵、室内风机及冷冻水管道等组成。

从主机蒸发器流出的低温冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道（出水），进入室内进行热交换，带走房间内的热量，最后回到主机蒸发器（回水）。室内风机用于将空气吹过冷冻水管道，降低空气温度，加速室内热交换。

2、冷却水循环部分

该部分由冷却泵、冷却水管道、冷却水塔等组成。

冷冻水循环系统进行室内热交换的同时，必将带走室内大量的热能。该热能通过主机内的冷媒传递给冷却水，使冷却水温度升高。冷却泵将升温后的冷却水压入冷却水塔（出水），使之与大气进行热交换，降低温度后再送回主机冷凝器（回水）。

2.1 冷却塔

可以说冷却塔是中央空调系统热量转运的最后一棒，是它最终把室内的热量“搬运”到大气环境中的。

我们都清楚循环冷却水温度的高低直接影响空调冷机的电耗，如果中央空调冷却塔冷却能力太差，到了三伏天时水温太高，冷机会无法正常运行，出现宕机的情况。特别是针对有中央空调冷却塔高档酒店、写字楼、大厦等尤其致命，所以冷却塔对保障空调制冷系统供冷可靠性是非常重要的。

中央空调冷却塔的工作原理很简单，较高温度的冷却水落在填料（PVC片）上，自上而下经过，通过蒸发降低水温，这样水把热量通过潜热的方式散发到空气里，进入冷却塔的空气把湿空气带走，排到大气中。冷却塔冷却水是循环水，不过随着持续蒸发，冷却水系统里的存水会越来越少，所以需要补水。补水除了补充蒸发耗水之外，还有弥补飘水和排污的耗水量。

冷却塔填料为什么要更换？冷却塔填料作为冷却塔降温效果必不可少的一部分，其填料的材质也很重要，填料一般分为PVC材质和PP耐高温材质，PVC材质温度大可耐65℃，而PP耐高温材质100℃没有问题。冷却塔装在屋顶，裸露在室外，久经日晒雨淋，塑料填料陈旧发脆，脱落的碎片掉落到冷却系统会将过滤器、管道等堵死，影响系统运行和制冷效果。通过更换填料将为后期空调正常运行打下良好基础。冷却塔填料寿命受很多因素影响如;空气污染，水质，还有每年水处理的时候，水处理剂对填料的使用寿命也有影响！冷却塔企业用的材料好，使用寿命相对高很多，还有白色透明的填料（除PP高温填料外）不抗紫外线，折光，表面太光滑，他的使用寿命会比其他要短，还有相对冷却塔的冷却效果也会比其他的差很多。

填料（散热片）填料的作用？冷却塔填料在冷却塔中的作用就是增加散热量，延长冷却水停留时间，增加换热面积，增加换热量。均匀布水。不是将某种需降温的东西填进塔里。冷却塔就是使热流体（包括水）冷却到合理温度的一种设备。工业生产或制冷工艺过程中产生的废热，一般要用冷却水来导走。冷却塔的作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气中。

普通冷却塔正常使用5-8年，需更换一次填料。在没有正常维护的情况下，填料需要在两年内更换一次。如果塔内填料出现以下异常情况，应及时更换，使整个塔的热效率达到预定目标。

关于冷却塔的详细介绍，可以参考以下文章：

中央空调的冷却塔设备什么样的？工作原理是什么？

中央空调怎样填料清洗和更换？

3、主机

主机部分由压缩机、蒸发器、冷凝器及冷媒（制冷剂）等组成。

主机部分由压缩机、蒸发器、冷凝器及冷媒（制冷剂）等组成，其工作循环过程如下：

首先低压气态冷媒被压缩机加压进入冷凝器并逐渐冷凝成高压液体。在冷凝过程中冷媒会释放出大量热能，这部分热能被冷凝器中的冷却水吸收并送到室外的冷却塔上，最终释放到大气中去。

随后冷凝器中的高压液态冷媒在流经蒸发器前的节流降压装置时，因为压力的突变而气化，形成气液混合物进入蒸发器。冷媒在蒸发器中不断气化，同时会吸收冷冻水中的热量使其达到较低温度。最后，蒸发器中气化后的冷媒又变成了低压气体，重新进入了压缩机，如此循环往复。

附：物理学知识复习

在相同环境下相同物质分子的运动幅度（热量）：气态>液态>固态。因此液化和凝固时分子运动减少,需要放出热量才能液化和凝固,与此相反,溶化和气化时分子运动增加,则需要吸热。所以一种物质在三态变化时，将伴随着吸收或释放热量。

气态变为液态（冷凝）时释放热量。

液态变为气态（蒸发）时吸收热量。

三、中央空调的工作逻辑 -- 四个循环（制冷剂循环、冷却水循环、冷冻水循环、空气循环系统）

中央空调系统的制冷工作过程是通过四个循环来实现的，分别为：

1、制冷剂循环

在制冷机组中，制冷剂从蒸发器那里吸热制冷，吸收的热量再到冷凝器那里冷凝放热。

注：冷媒就是氟利昂吗？不是！冷媒又叫制冷剂，以前大家通常认为它是氟利昂（R-22）。不过随着科技的进步，产品的迭代升级，含氟元素的制冷剂基本上已经退出市场，取而代之的是新型的环保冷媒。

2、冷却水循环

冷却水的作用是将制冷机组冷凝器里制冷剂释放的热量排除掉。

冷却水系统由冷凝器、冷却水泵、冷却塔和连接水管及附件组成。冷却水从冷凝器里带走的热量，在冷却塔中直接释放给大气。

3、冷冻水循环

由制冷机组的蒸发器、空调机组的表面冷却器、提供水流动力的水泵及它们之间的连接水管和附件所组成的密闭循环系统。这个循环系统通过冷冻水源源不断地把制冷机组产生的冷量送到空调机组的表冷器去处理空气。

4、空气循环系统

由空调机组、风机、风阀、风管和送回风口等把处理好的空气送入空调房间并把房间内的空气取回来，以达到室内空气调节的目的。

本章相关参考：

重点推荐几个视频，把中央空调的运转逻辑讲解的非常清晰。

推荐：【中文字幕】中央空调系统运行原理（制冷机组、空气处理机组、冷却塔原理及其如何联合工作）

推荐：现代建筑暖通空调中冷水机组、冷却塔、风机盘管等组成的中央空调系统的工作原理-动画演示-Youtube

四、中央空调自控系统

中中央空调机房群控体系隶属于楼宇自控体系。

现在的楼宇自控系统是一种集散式控制系统 DCS（Distributed Control System），DCS是一种管理控制的模式，其实质是集中管理、分散控制。所谓分散控制，就是在众多设备的附近（现场），设置带有微处理芯片的控制器，然后再把这许多称为“直接数字控制器（DDC）”的现场控制器以一定的网络结构形式连接起来，形成控制网络。

由多台DDC分散在现场进行控制，使现场连线大大缩短，便于实现大范围的系统控制。数据通讯、人机界面、监控服务器及其他外设的加入使得系统成为一个整体，可实现集中操作、管理、显示以及报警等。

项目施工流程

楼宇自控系统设计文件的构成：

一、楼控点表

楼控点表是设计的第一步，拿到暖通和水电的图纸之后，结合客户的要求，确定监控的范围、监控的对象、监控的模式，输出为点表。

二、方案与设备清单

在确定楼控品牌、设备点表后，方案可根据楼控的品牌和实际受控设备进行撰写，做到具有很强的针对性。

三、图纸

监控原理图是根据受控设备的实际监控点来出具的，根据实际的输入输出点数绘制，原理图绘制是要对设备的监控点（主要针对数字输出点、数字输入点、模拟输出点、模拟输入点）做到清晰的标识。

机房群控系统是由软件和硬件两部分组成，通过传感器采集水系统的运行数据，并在DDC（直接数字控制器）上编写控制程序，控制制冷机组、水泵、冷却塔风机、电动蝶阀等暖通设备，并通过通讯的方式将数据传输给监控软件或显示屏，实现冷源系统的自动化控制。

冷源系统监控：

监控的设备包括：

（1）空调主机

（2）冷冻循环水泵

（3）冷却循环水泵

（4）冷却塔风机

（5）电动蝶阀

（6）压差旁通阀

通过modbus通讯进行控制。

监控水系统的运行参数：

包括：

（1）冷冻总管供、回水温度

（2）冷却总管供、回水温度

（3）冷冻总管水流量

（4）冷冻总管供、回水压力

（5）室外温、湿度

（6）膨胀水箱高低液位报警

（7）机组冷冻侧、冷却侧水流开关

末端设备，例如新风机组，空调机组等一般本身没有带自控系统，需另外配置自控系统好理解，但是冷热源主机部分不是都自带了控制面板吗，为什么也要配置额外的控制系统？

冷热源主机设备本身确实带有控制面板，但只能对本机进行保护和控制，不能解决外围的冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、管路阀门等的统一协调问题，在没有配置额外的控制系统的情况下，这些设备只好手动开停。此外，冷热源主机设备本身的控制面板也不能解决多台主机之间的协调问题，例如根据冷热负荷自动选择应该开停的主机，所以中央空调系统中的冷热源主机部分通常需要配置额外的自控系统。

怎样配置自控系统？

所有的自动控制系统都由三类设备构成：

1、传感器

例如温度传感器，湿度传感器，用于把温湿度等参数变成电信号，便于输入到控制器中，相当于人体的眼睛，耳朵等信息器官;

2、控制器

例如DDC（直接数字控制器），所有的逻辑和控制策略都在这里完成，相当于人体的大脑;

3、执行器

例如电动调节阀等，接收来自控制器的命令，通过改变控制对象的输出来调节参数，例如电动调节阀开大，可以增大进入表冷器的冷水流量，降低送风温度等。

怎样配置自控系统呢？在本网站中有空调自控的几乎所有的应用类型，均列出了需要配置的以上三类设备，并给出控制原理说明，找到您需要的类型就完成了自控系统的配置。

关于控制器，有PLC和DDC之分，到底该选择哪种呢？

控制系统按照应用场合不同可以分成两种大的类型：工业自动控制和楼宇自动控制。工业自动控制中往往采用PLC实现过程控制或者数控设备的控制，而在楼宇控制中，往往采用DDC实现建筑电器设备的自动控制，例如空调系统、给排水系统、照明系统、供配电系统等，DDC是直接数字控制器的缩写(Direct Digital Controller)，是由PLC发展而来的，和PLC可编程序控制器相比，有以下特点：