中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造

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　本文介紹了風(fēng)機、水泵的節(jié)能原理，中央空調(diào)節(jié)能改造的原理和冷凍水、冷卻水的控制方法。

　　1、引言

　　改革開放以來，我國國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，但是能源工業(yè)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需要，而且相當(dāng)一個時期內(nèi)能源缺口的狀態(tài)不會改觀，因此國家以開發(fā)與節(jié)約并重的能源政策為主。尤其以節(jié)約寶貴的二次能源-電能為主，我國電能最大的用戶是電機，約占50%，其中風(fēng)機水泵的耗電占全部電能的30%.傳統(tǒng)的風(fēng)機水泵的風(fēng)量、水量的調(diào)節(jié)是靠風(fēng)門、節(jié)流閥的調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)量、水量的需要減少時，風(fēng)門、閥的開度減少；當(dāng)風(fēng)量、水量的需要增加時，風(fēng)門、閥的開度增加。這種調(diào)節(jié)方式雖然簡單易行，已成習(xí)慣，但它是以增加管網(wǎng)損耗，耗費大量能源在風(fēng)門、閥上為代價的。并且通常在設(shè)計中，用戶風(fēng)機水泵的設(shè)計容量都要比實際需要高出很多，這樣容易形成人們常說的“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的大量浪費。如果采用調(diào)節(jié)速度的方式來調(diào)節(jié)流量，就可以從根本上防止電能浪費。近年來隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)越來越成熟，因此推廣變頻調(diào)速在風(fēng)機、泵類設(shè)備上的應(yīng)用，對于減少能源浪費具有重要意義。

　　2、中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造原理

　　在中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍水泵和冷卻水泵的容量是按照建筑物最大設(shè)計熱負(fù)載選定的，且留有余量，而運行情況是一年四季長期在固定的最大水流量下工作，由于季節(jié)、晝夜和用戶負(fù)荷的變化，實際空調(diào)熱負(fù)載在絕大部分時間內(nèi)遠(yuǎn)比設(shè)計負(fù)載低，圖1示出某建筑物的實測熱負(fù)載率變化的情況，由圖1可見，與決定水泵流量和壓力的最大設(shè)計負(fù)載（負(fù)載率為100%）相比，一年中負(fù)載率在50%以下的小時數(shù)約占全部運行時間的50%以上。一般冷凍水設(shè)計溫差為5～7℃，冷卻水的設(shè)計溫差為4～5℃，在系統(tǒng)流量固定的情況下，全年決大部分運行時間溫差僅為1.0～3.0℃，既在低溫差、大流量情況下工作，從而增加了管路系統(tǒng)的能量損失，浪費了水泵運行的輸送能量。根據(jù)統(tǒng)計分析，一般空調(diào)水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的20～30%，故節(jié)約低負(fù)載時水系統(tǒng)的輸送能量，具有很重要的意義，因此，隨熱負(fù)載而改變水量的變流量空調(diào)水系統(tǒng)顯示了其巨大的優(yōu)越性，而得到越來越廣泛的應(yīng)用。采用變頻器調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速可以方便地調(diào)節(jié)水的流量，其節(jié)能率通常都在40%以上。

　　現(xiàn)從以下幾個方面分述之：

　　2.1 風(fēng)機、泵類負(fù)載調(diào)速節(jié)能原理

　　風(fēng)機是用來傳送氣體的機械設(shè)備，泵是用來傳送液體的機械設(shè)備，風(fēng)機與泵都是把電動機的軸功率轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的一種機械，它們的啟動力矩都較小，負(fù)載輕，具有很大節(jié)能潛力；二者的結(jié)構(gòu)和工作原理基本相似。

　　下面以泵類為例對其工作原理及其運行過程進(jìn)行分析：

　　（1）泵類的特性和參數(shù)

　　純粹用于抽水的功率叫有效功率

　　有效功率=（1000QH）/（75×60/0.736）=QH/6.11（kW）

　　式中，Q為流量（m3/min）；H為總揚程（m）。

　　設(shè)在揚程內(nèi)1m3的水的重量為1000kg，因此：

　　泵的軸功率=（有效功率）/ 泵的效率（kW）

　　電動機輸出功率=（1.05～1.2）×軸功率（kW）

　?。?）管網(wǎng)的水阻特性

　　當(dāng)管網(wǎng)的水阻R保持不變時，水量與過水阻力之間的關(guān)系是不確定的，即水量Q與過水阻力h按阻力定律變化，其表達(dá)式為：

　　式中，H—過水阻力，R—水阻系數(shù)。

　　H=f（Q）關(guān)系曲線為水阻特性曲線，呈拋物線形狀，水阻系數(shù)R越大，曲線越陡，即過水阻力越大。

　　3） 風(fēng)機、泵類調(diào)速控制節(jié)能原理

　　由流體力學(xué)可知，水量Q與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

　　式中： Qe—風(fēng)機、泵類的額定風(fēng)（流）量；

　　He—風(fēng)機、泵類的額定壓力；

　　Pe—風(fēng)機、泵類的額定功率；

　　ne—風(fēng)機、泵類的額定轉(zhuǎn)速。

　　2.2 冷凍水系統(tǒng)控制方式

　　對于冷凍水系統(tǒng)，其出水溫度取決于蒸發(fā)器設(shè)定值，回水溫度取決于蒸發(fā)器接收的熱量，中央空調(diào)冷凍出水溫度與冷凍的回水溫度設(shè)計最大溫差為5℃（例如出水7℃，回水12℃），現(xiàn)采用在蒸發(fā)器的出水管和回水管路上裝有檢測其溫度的變送器、PID溫差調(diào)節(jié)器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過冷凍水的溫差（例如△T=5℃）控制，即可使冷凍水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負(fù)載的變化而變化。

　　2.3 冷卻水系統(tǒng)控制方式

　　對于冷卻水系統(tǒng)，由于低溫冷卻水溫度取決于冷卻塔的工況，我們只需控制高溫冷卻水（冷凝器出水）的溫度，即可控制溫差，現(xiàn)采用溫度變送器，PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，冷凝器出水溫度控制在T（例凝器出水）的溫度， 即可控制溫差， 現(xiàn)采用溫度變送器，PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，冷凝器出水溫度控制在T（例如：37℃），使冷卻水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負(fù)載的變化而變化。

　　2.4  關(guān)于冷凍水末端壓力問題的說明

　　冷凍水泵降低流量降低轉(zhuǎn)速運行，人們擔(dān)心會不會影響供水末端壓力不足，導(dǎo)致缺水現(xiàn)象，實際上由于轉(zhuǎn)速降低雖然會使水泵供水壓力降低，然而管道特性的壓力損失也會隨流量減少而減少，即需要的壓力也會減少，供水壓力與轉(zhuǎn)速的二次方成比例降低，需要壓力（管道損失）則與流量的二次方成比例減少，二者可以相互補償。而另一方面，泵的“壓力-流量”特性是一個下降的特性，即隨著流量減少，泵的出口壓力將相對增加，致使供水末端壓力相對提高，也就是說，降低流量降低轉(zhuǎn)運行，不僅不會使末端供水問題惡化反而會有所改善。我們單位的實踐也證明了這一點。

　　3 、結(jié)束語

　　采用變頻閉環(huán)控制電機，按需要設(shè)定溫度，使設(shè)備儲備容量和隨時間季節(jié)變化的熱負(fù)載通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在滿足使用要求下達(dá)到最大限度的節(jié)能。以我公司中央空調(diào)系統(tǒng)為例，我們對部分風(fēng)機、水泵進(jìn)行改造，據(jù)統(tǒng)計分析節(jié)電率平均達(dá)到了20～50%。另外，使用變頻器還具有以下特點：

　?。?）變頻器對電動機的保護(hù)功能較好，有過電壓、欠電壓、過電流、接地等保護(hù)；

　　（2）變頻器運行穩(wěn)定，保養(yǎng)維護(hù)簡單、方便；

　　（3）變頻器的起動電流較小，對電網(wǎng)的沖擊較少，有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行；

　?。?）變頻器中直流電容器的隔離作用使輸入的功率因數(shù)接近于1，電動機的勵磁無功電流由電容器提供，可節(jié)省30%左右的電網(wǎng)容量。