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變頻器在中央空調(diào)循環(huán)水冷卻塔中的節(jié)能應(yīng)用方案
簡介: 據(jù)統(tǒng)計(jì),中央空調(diào)的用電量占各類大廈總用電量的70%以上,其中中央空調(diào)水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的20~40%,故節(jié)約低負(fù)荷時(shí)壓縮機(jī)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的消耗的能量,具有很重要的意義。采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能使空調(diào)系統(tǒng)發(fā)揮更加理想的工作狀態(tài),更重要的是通常其節(jié)能效果高達(dá)30%以上,能帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵字:變頻節(jié)能 冷卻塔風(fēng)機(jī) 固定變頻 循環(huán)變頻
1.概論
中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用領(lǐng)域,在賓館、酒店、寫字樓、商場、住院部大樓、工業(yè)廠房中的中央空調(diào)系統(tǒng),其制冷壓縮機(jī)組、循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制熱負(fù)荷選定的,且再留有充足余量。在沒有使用具備負(fù)載隨動(dòng)調(diào)節(jié)特性的控制系統(tǒng)中,無論季節(jié)、晝夜和用戶負(fù)荷的怎樣變化,各電機(jī)都長期固定在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)行,造成了能量的巨大浪費(fèi)。近年來由于電價(jià)的不斷上漲,使得中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用急劇上升,致使它在整個(gè)大廈營運(yùn)成本費(fèi)用中占據(jù)越來越大的比例,加之目前各生產(chǎn)、服務(wù)業(yè)競爭激烈,多數(shù)企業(yè)利潤空間不夠理想。因此電能費(fèi)用的控制顯然已經(jīng)成為經(jīng)營管理者所關(guān)注的問題所在。據(jù)統(tǒng)計(jì),中央空調(diào)的用電量占各類大廈總用電量的70%以上,其中中央空調(diào)水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的20~40%,故節(jié)約低負(fù)荷時(shí)壓縮機(jī)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的消耗的能量,具有很重要的意義。所以,隨著負(fù)荷變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)變化的變流量變頻空調(diào)水系統(tǒng)和自適應(yīng)智能負(fù)荷調(diào)節(jié)的壓縮機(jī)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,并逐漸顯示其巨大的優(yōu)越性,而且得到越來越多的被廣泛推廣與應(yīng)用。采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能使空調(diào)系統(tǒng)發(fā)揮更加理想的工作狀態(tài),更重要的是通常其節(jié)能效果高達(dá)30%以上,能帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。
2.中央空調(diào)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)與工作原理
中央空調(diào)系統(tǒng)一般主要由制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)、冷媒(和冷熱)循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等組成。其工藝結(jié)構(gòu)流程圖如圖A所示,在圖A中制冷壓縮機(jī)組通過壓縮機(jī)將制冷劑(冷媒介質(zhì)如R134a、R22等)壓縮成液態(tài)后送蒸發(fā)器中,循環(huán)水系統(tǒng)通過水泵將常溫水泵入蒸發(fā)器盤管中與冷媒進(jìn)行間接熱交換,這樣原來的常溫水就變成了低溫水,水被送到各風(fēng)機(jī)風(fēng)口的冷卻盤管中吸收盤管周圍的空氣熱量,產(chǎn)生的低溫空氣由盤管風(fēng)機(jī)吹送到各個(gè)房間,從而達(dá)到降溫的目的。冷媒在蒸發(fā)器中被充分壓縮并伴隨熱量吸收過程完成后,再被送到冷凝器中去恢復(fù)常壓狀態(tài),以便冷媒在冷凝器中釋放熱量,其釋放的熱量正是通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷卻水帶走。冷卻循環(huán)水系統(tǒng)將常溫水通過冷卻水泵泵入冷凝器熱交換盤管后,再將這已變熱的冷卻水送到冷卻塔上,由冷卻塔對其進(jìn)行自然冷卻或通過冷卻塔風(fēng)機(jī)對其進(jìn)行噴淋式強(qiáng)迫風(fēng)冷,與大氣之間進(jìn)行充分熱交換,使冷卻水變回常溫,以便再循環(huán)使用。在冬季需要制熱時(shí),中央空調(diào)系統(tǒng)僅需要通過冷熱水泵(在夏季稱為水泵)將常溫水泵入蒸汽熱交換器的盤管,通過與蒸汽的充分熱交換后再將熱水送到各樓層的風(fēng)機(jī)盤管中,即可實(shí)現(xiàn)向用戶提供供暖熱風(fēng)。
圖A 中央空調(diào)系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)流程
理解中央空調(diào)系統(tǒng)工藝流程對于節(jié)能改造的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要,從因果關(guān)系角度上看,水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)均是主壓縮機(jī)系統(tǒng)的從動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)主壓縮機(jī)系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),對水、冷卻水的需求量和冷卻塔需求的冷卻風(fēng)量也發(fā)生相應(yīng)的變化,正因如此,我們才有節(jié)能改造的必要前提條件,才有實(shí)現(xiàn)“按需分配”控制方案的可能。
3.中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能原理
中央空調(diào)系統(tǒng)按負(fù)載類型可分為兩大類,①變轉(zhuǎn)矩負(fù)載:如冷卻水系統(tǒng)、水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載;②恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載:如主制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)。不同的轉(zhuǎn)矩類型具有完全不同的轉(zhuǎn)矩功率關(guān)系特性,我們知道風(fēng)機(jī)、水泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性滿足流體動(dòng)力學(xué)關(guān)系理論,即以下數(shù)學(xué)關(guān)系成立:
N1/N2∝Q1/Q2 H1/H2∝(N1/N2)2 P1/P2∝(N1/N2)3 (1)
其中,N、H、Q、P分別表示轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程、軸功率。
它們之間的關(guān)系曲線如圖B所示。
圖B 流量、揚(yáng)程、功率三者間的關(guān)系曲線圖
由式1可知,若轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的70%,那么,揚(yáng)程將下降到額定值的50%,同時(shí),軸輸出功率下降到額定值的35%。從圖2中可以看出,管網(wǎng)的阻尼隨揚(yáng)程的降低而減小。在滿足系統(tǒng)基本揚(yáng)程需求的情形下,若系統(tǒng)的流量需求減少到額定流量的50%時(shí),在變頻控制方式下,其對應(yīng)輸出功率僅約為額定功率的13%。這就為實(shí)施變頻節(jié)能技術(shù)改造提供了數(shù)學(xué)理論上的可行性保障空間。
由上述流體傳輸設(shè)備水泵、風(fēng)機(jī)的工作原理可知:水泵、風(fēng)機(jī)的流量(風(fēng)量)與其轉(zhuǎn)速成正比;水泵、風(fēng)機(jī)的壓力(揚(yáng)程)與其轉(zhuǎn)速的平方成正比,而水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率等于流量與壓力的乘積,故水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比(即與電源頻率的三次方成正比)根據(jù)上述原理可知:改變水泵、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可改變水泵、風(fēng)機(jī)的功率。例如:將供電頻率由50Hz降為45Hz,則P45/P50=453/503=0.729,即P45=0.729P50(P為電機(jī)軸功率);將供電頻率由50Hz降為40Hz,則P40/P50=403/503=0.512,即P40=0.512P50(P為電機(jī)軸功率)。
由以上內(nèi)容可以看出,用變頻器進(jìn)行流量(風(fēng)量)控制時(shí),可節(jié)約大量電能。中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)是按現(xiàn)場最大冷量需求量來考慮的,其冷卻泵,泵按單臺(tái)設(shè)備的最大工況來考慮的,在實(shí)際使用中有90%多的時(shí)間,冷卻泵、泵都工作在非滿載狀態(tài)下。而用閥門、自動(dòng)閥調(diào)節(jié)不僅增大了系統(tǒng)節(jié)流損失,而且由于對空調(diào)的調(diào)節(jié)是階段性的,造成整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)工作在波動(dòng)狀態(tài);而通過在冷卻泵、泵上加裝變頻器則可一勞永逸地解決該問題,還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,并可通過變頻節(jié)能收回投資。同時(shí)變頻器的軟啟動(dòng)功能及平滑調(diào)速的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的平穩(wěn)調(diào)節(jié),使系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定,并延長機(jī)組及網(wǎng)管的使用壽命。
4.下面我們主要探討一下冷卻塔風(fēng)機(jī)使用變頻節(jié)能的實(shí)施方案和應(yīng)用效果
4.1 冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻控制實(shí)施方案
方案一:固定變頻控制方式。
因?yàn)槔鋮s塔的型式:有單塔型式、和多塔型式的;所以,固定變頻控制方式:可分為單臺(tái)固定變頻控制和多臺(tái)固定變頻控制。下面以多臺(tái)固定變頻控制為例,作如下講解。如圖所示:
圖一:固定變頻控制方式
該系統(tǒng)由變頻回路和工頻回路兩部分組成:
變頻回路:由一臺(tái)變頻器,空氣開關(guān)QF2,交流接觸器KM02和變頻運(yùn)行控制回路及信號(hào)報(bào)警回路組成變頻循環(huán)運(yùn)行回路。工頻回路:由空氣開關(guān)QF1、QF3、QF4、QF5、交流接觸器KM01、KM03、KM04、KM05、和熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4、以及手動(dòng)運(yùn)行控制回路等構(gòu)成工頻(50Hz)運(yùn)行回路。
運(yùn)行方式:
工頻運(yùn)行時(shí):風(fēng)機(jī)根據(jù)工頻控制回路選擇指定風(fēng)機(jī)啟動(dòng),并以50HZ全速運(yùn)行。
變頻運(yùn)行時(shí):風(fēng)機(jī)以傳感器所測實(shí)際水溫,經(jīng)過溫控器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)或電壓信號(hào),送到變頻器的摸擬輸入端,當(dāng)?shù)谝慌_(tái)變頻電機(jī)達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),還不能滿足實(shí)際工況則第二臺(tái)電機(jī)就會(huì)被工頻起動(dòng),第一臺(tái)電機(jī)仍然變頻運(yùn)行;同理,若第二臺(tái)電機(jī)起動(dòng)后,還不能滿足工況則第三臺(tái)電機(jī)就會(huì)被工頻起動(dòng);此時(shí),三臺(tái)電機(jī)全部運(yùn)行:第一臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行、第二臺(tái)電機(jī)工頻運(yùn)行、第三臺(tái)電機(jī)工頻運(yùn)行。
方案二:循環(huán)變頻控制方式。
由P∝n3可知:風(fēng)機(jī)節(jié)能的最佳方案是控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,可通過改變電機(jī)控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的,下面以三臺(tái)相同功率的電機(jī)的冷卻塔為例,作如下講解:三臺(tái)風(fēng)機(jī)為同一功率的的電機(jī),可采用一臺(tái)變頻器循環(huán)控制的方式運(yùn)行,系統(tǒng)電氣原理概況圖,如下所示:
圖二:循環(huán)變頻控制方式之一(變頻器內(nèi)置循環(huán)變頻切換功能)
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