空調(diào)風(fēng)機(jī)節(jié)能改造工程的實(shí)踐

白濤 董曉君 唐去克

1 引言

我國經(jīng)濟(jì)快速增長，各項建設(shè)取得巨大成就，但也付出了巨大的資源和環(huán)境代價，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳。同時，溫室氣體排放引起全球氣候變暖，備受國際社會廣泛關(guān)注。加強(qiáng)實(shí)施節(jié)能減排工作，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要，也是應(yīng)對全球氣候變化的迫切需要。因此，在國家要求節(jié)能減排的背景下，各企業(yè)也根據(jù)自身情況，積極貫徹落實(shí)應(yīng)對。

本空調(diào)節(jié)能項目屬于某電信運(yùn)營商信息樞紐大樓機(jī)房空調(diào)節(jié)能改造工程。該大樓中，機(jī)房空調(diào)的用電約占總用電量的40%～50%，其中機(jī)房空調(diào)包含中央空調(diào)機(jī)組、恒溫恒濕精密空調(diào)、普通民用空調(diào)。實(shí)施空調(diào)節(jié)能工程，降低用電量，減少成本，對于貫徹國家節(jié)能減排政策，增強(qiáng)企業(yè)競爭力是非常必要的。

2 主要內(nèi)容

2.1 基本原理

對于中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造，較為成熟的技術(shù)主要是運(yùn)用變頻技術(shù)。根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需要，對系統(tǒng)內(nèi)的冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、送風(fēng)機(jī)等電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，以降低電機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。在空調(diào)系統(tǒng)中，送風(fēng)機(jī)保持長時間運(yùn)轉(zhuǎn)，用電量約占空調(diào)用電量的15%～30%。本項目主要針對空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，將變頻技術(shù)應(yīng)用于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，降低風(fēng)機(jī)的功率。

如圖1所示，風(fēng)機(jī)相似定律的理論表明[1]，當(dāng)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速以改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時，其效率基本不變；但風(fēng)量、壓力及功率卻按下式改變：

其中：Q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量；P為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓；N為風(fēng)機(jī)功率；n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

由式（3）可知，風(fēng)機(jī)的耗電量與轉(zhuǎn)速的立方成正比。一旦風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，其耗電量將以立方的比例大大降低。例如：根據(jù)工藝要求，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量下降到80%，則風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也下降到80%，風(fēng)機(jī)軸功率則會下降到額定功率的51%，節(jié)電50%；若風(fēng)機(jī)的風(fēng)量下降到50%，則風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也下降到50%，其風(fēng)機(jī)軸功率則下降到額定功率的l3%，節(jié)電87%；從節(jié)能角度看，風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制最為有利；調(diào)節(jié)范圍最大，經(jīng)濟(jì)性能最佳。

圖1 風(fēng)機(jī)相似定律曲線圖

變風(fēng)量空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的基本工作原理，是以風(fēng)管靜壓為被控信號，壓力信號通過 PLC控制器采集，設(shè)定壓力目標(biāo)值，經(jīng)過內(nèi)置的PID控制算法，控制變頻器的輸出頻率，變頻器通過改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

圖2為節(jié)能系統(tǒng)原理簡圖，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程是：當(dāng)機(jī)房負(fù)荷減小時，機(jī)房室內(nèi)溫度下降，回風(fēng)溫度降低，送風(fēng)閥門減小開度，風(fēng)管靜壓上升，冷水閥的開度減小，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可降低；當(dāng)機(jī)房負(fù)荷增加時，機(jī)房室內(nèi)溫度上升，回風(fēng)溫度升高，送風(fēng)閥門增大開度，風(fēng)管靜壓下降，冷水閥的開度增大，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可增大。

圖2 空調(diào)風(fēng)機(jī)節(jié)能系統(tǒng)原理簡圖

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備選型

本節(jié)能項目系統(tǒng)由風(fēng)壓傳感器、PLC控制器、變頻器、輸出電抗器等組成。

現(xiàn)場的機(jī)房空調(diào)是 YORK組合式空氣處理機(jī)系列，風(fēng)機(jī)的電動機(jī)為18.5kW三相異步交流電機(jī)。節(jié)能系統(tǒng)的PLC控制器選擇SIEMENS S7-200，集成了模擬量和數(shù)字量輸出和輸入，具備通信功能，方便實(shí)用。變頻器選擇SIEMENS MM430風(fēng)機(jī)水泵專用系列，保證和 PLC控制器的通信順暢。空氣開關(guān)、接觸器選擇施耐德的D2系列，可有效保護(hù)電機(jī)。小型繼電器選擇施耐德RXL系列。輸出電抗器選用上海鷹峰電子的產(chǎn)品，可有效減少高次諧波，消除對電機(jī)的不利影響?？刂葡溥x用圖騰品牌，按設(shè)計要求訂做。

同時，節(jié)能系統(tǒng)作為空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行的輔助部分，首先必須保證空調(diào)系統(tǒng)按照原狀態(tài)正常運(yùn)行。為此，系統(tǒng)設(shè)計旁路切換功能。在控制箱內(nèi)，設(shè)計了變頻回路的交流接觸器，以及旁路工頻的交流接觸器，兩個交流接觸器之間有機(jī)械互鎖，同時在 PLC軟件編程中，設(shè)計電氣互鎖程序，這樣保證兩個接觸器不出現(xiàn)同時閉合的誤動作。旁路功能的實(shí)現(xiàn)通過兩種方式：一是在停機(jī)狀態(tài)下，使用切換開關(guān)進(jìn)行切換；二是 PLC軟件程序設(shè)計中，編寫變頻回路故障自動切換到旁路工頻的程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動切換，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.3 工程的實(shí)施

（1）、風(fēng)壓傳感器的安裝位置[2]

在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，風(fēng)管風(fēng)壓傳感器的安裝位置決定風(fēng)管靜壓的準(zhǔn)確與否。傳感器的安裝在工程實(shí)施中是難點(diǎn)，對這個問題，尚存不同的觀點(diǎn)，有些人認(rèn)為將風(fēng)壓傳感器設(shè)于風(fēng)機(jī)出口后管路的1/2處，更多的人認(rèn)可將風(fēng)壓傳感器設(shè)于風(fēng)機(jī)出口后管路的 2/3處。對于不同的觀點(diǎn)，需要按照具體情況分析，如圖3所示：

圖3 風(fēng)管氣流方向示意圖

在圖3（a）中，流體質(zhì)點(diǎn)受到與流動方向一致的正壓差作用，成為一個減壓增速區(qū)，緊接減縮管之后，出現(xiàn)一個不大的旋渦區(qū)。圖3（c）所示的分流三通上的旋渦區(qū)，也是這種減速增壓過程造成的。圖3（b）中，雖然過流斷面沿程不變，但彎管內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)受到離心力作用，彎管前半段沿外壁是減速增壓的，彎管外側(cè)出現(xiàn)旋渦區(qū)；在彎管的后半段，由于慣性作用，彎管內(nèi)側(cè)出現(xiàn)旋渦區(qū)。因此，在設(shè)置風(fēng)壓傳感器時，至少應(yīng)離開這些部位4D的距離。在本工程實(shí)施中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，風(fēng)壓傳感器設(shè)置于風(fēng)管的主管道，距離分支管道2D～3D的距離。

（2）、PID控制算法的調(diào)節(jié)[3]

本節(jié)能系統(tǒng)中，PLC采集到風(fēng)壓傳感器的壓力信號以后，通過軟件程序的PID控制算法進(jìn)行計算，輸出合適的頻率設(shè)定值到變頻器，進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

在自動控制系統(tǒng)之中，閉環(huán)控制系統(tǒng)的被控對象輸出會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。

PID控制器各校正緩解的作用如下：

比例（P）環(huán)節(jié)，即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，偏差產(chǎn)生后，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。積分（I）環(huán)節(jié)，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。微分（D）環(huán)節(jié)，能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），即在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。

SIEMENS S7-200 PLC控制器包含有PID算法控制功能，通過設(shè)定以上P、I、D參數(shù)，再通過編程軟件Step7-Microwin中的PID調(diào)諧控制面板（如圖4所示），可以精確設(shè)定此三個參數(shù)，以達(dá)到控制風(fēng)管靜壓的目的。

圖4 PID調(diào)諧控制面板

2.4 節(jié)能測試

節(jié)能系統(tǒng)試運(yùn)行時，進(jìn)行節(jié)能測試。電氣控制柜內(nèi)安裝有電流互感器、有功電度表，用以測試空調(diào)節(jié)能率。以48小時為一周期，空調(diào)使用節(jié)電設(shè)備和沒有使用節(jié)電設(shè)備分別運(yùn)行24小時。根據(jù)實(shí)際情況測試多個周期。表1為節(jié)能測試的部分?jǐn)?shù)據(jù)。在兩種工況下，記錄有功電度表耗電量讀數(shù)，并進(jìn)行對比。節(jié)電率計算公式如下：

表1 節(jié)能系統(tǒng)測試對照表

其中：Wg為單位時間內(nèi)平常狀態(tài)運(yùn)行耗電量，Wb為單位時間內(nèi)節(jié)電狀態(tài)運(yùn)行耗電量。

3 總結(jié)

本項目的空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)，經(jīng)過設(shè)計安裝調(diào)試后，已經(jīng)投入正常使用運(yùn)行。秋冬季節(jié)的平均節(jié)電率可達(dá)到10%～16%。

總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，空調(diào)節(jié)能的改造項目，在設(shè)計階段，應(yīng)根據(jù)空調(diào)實(shí)際情況進(jìn)行評估和嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計。原空調(diào)系統(tǒng)本身的設(shè)備條件應(yīng)重點(diǎn)考慮，如：風(fēng)機(jī)、電氣控制、閥門等是否滿足設(shè)計改造的要求，原設(shè)備是否存在不足或者缺陷等。設(shè)備的相關(guān)因素如未調(diào)查清楚和考慮周到，都可能導(dǎo)致項目不能達(dá)到預(yù)期效果。

在項目的調(diào)試運(yùn)行階段，應(yīng)注意兩大原則：首先不能影響原空調(diào)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，保證改造后的系統(tǒng)滿足機(jī)房負(fù)荷的要求；其次再根據(jù)實(shí)際情況，運(yùn)用技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

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