中央空調系統(tǒng)變頻節(jié)能問題研究

劉樹海

【摘 要】能源的利用情況標志著一個國家科技進步的水平。在我國大力推廣節(jié)能產(chǎn)品，禁止使用耗能過大的設備，提高能源的利用率，以縮短與世界先進國家的差距，為中國的現(xiàn)代建設提供能源的保證。本文介紹中央空調系統(tǒng)中的冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)在滿足供冷質量的情況下最佳的節(jié)能方法、原理及實現(xiàn)。

【關鍵詞】中央空調；節(jié)能；變頻

0.引言

能源的利用情況標志著一個國家科技進步的水平。在我國大力推廣節(jié)能產(chǎn)品，禁止使用耗能過大的設備，提高能源的利用率，以縮短與世界先進國家的差距，為中國的現(xiàn)代建設提供能源的保證。在中央空調使用中，它的耗能量是很大的，約占整個供電部門供電量的40%左右。例如一家建筑面積為8萬多平方米綜合性的大型醫(yī)院，有門診大樓1棟，住院大樓2棟，中央空調系統(tǒng)有800kW冷卻主機3臺，冷凍水泵機組有93kW電機4臺，冷卻水泵機組有93kW電機4臺，通過對冷凍水泵機組和冷卻水泵機組的變頻節(jié)能的改造使用11個月，節(jié)約電費41.5萬元，為中央空調的節(jié)能，創(chuàng)造了有益的經(jīng)驗?，F(xiàn)將其系統(tǒng)組成、設計、實現(xiàn)方法作一介紹。

1.中央空調變頻節(jié)能的原理系統(tǒng)組成

中央空調進行變頻節(jié)能系統(tǒng)，需要硬件及軟件技術的組合，利用矢量控制手段將動態(tài)過程相應補償，恒轉矩調壓、瞬流干擾負向抑制技術綜合使用。變頻調速技術產(chǎn)生的新產(chǎn)品，通過同步跟蹤，調壓、調相、調節(jié)頻率、瞬流抑制于一體，具有：

（1）恒轉矩的條件下調節(jié)控制電壓，限制電流，使電機負載處于最適當、最小、最省電力的電壓和電流運行狀態(tài)。

（2）矢量控制和模糊邏輯控制的優(yōu)化調頻技術，具有最先進通用變頻器的全部功能。

（3）由微機采樣跟蹤，實現(xiàn)功率因數(shù)動態(tài)補償。

（4）瞬流干擾抑制技術，過濾瞬流波動減小其所造成的損失和干擾。

正是由于這些優(yōu)勢，使中央空調變頻節(jié)能有實施的理論依據(jù)和進行控制的可行性。其主要應考慮的因素有：

（1）在中央空調設計時為保證在天氣溫度最高的情況下能滿足要求，所以按最大的負荷設計并有15%左右的富裕量，而平時使用時并不能達到滿負荷，所以存在較大的裕度，其中主機常?？梢愿鶕?jù)負載變化自動加載，卸載，而水泵的流量卻不能隨主機匹配調節(jié)，存在很大浪費。

（2）系統(tǒng)的流量壓力必須靠截流閥和旁路閥調節(jié)來完成，因此不可避免存在較大截流損失和消耗大流量高壓力主機，以及低流量小溫差的現(xiàn)象。不僅大量浪費電能，而且還可能造成空調冷暖不適的情形，同時對系統(tǒng)設備帶來不利的影響。

（3）電機起動電流為額定值的5倍左右。電機在如此大的電流沖擊下，進行頻繁的起停，對電機、接觸器觸點、空氣形狀觸點帶來電弧沖擊，同時也會給電網(wǎng)帶來一定的有害沖擊。同時起動時帶來的機械沖擊和停止時的承重現(xiàn)象也會給機械傳動、軸承、閥門等帶來疲勞損傷。

（4）變頻技術在現(xiàn)代空調中的使用已成為必然趨勢，因此這不僅能有效改良現(xiàn)代空調系統(tǒng)的工藝不足，還能大幅降低能耗節(jié)省運行成本。因此，在中央空調系統(tǒng)中安裝變頻控制系統(tǒng)并設置閉環(huán)自動調節(jié)，使節(jié)能效果更好。

2.中央空調變頻系統(tǒng)設計的依據(jù)

在我國的南方地區(qū)周圍，每年空調開的時間大約8個月左右。這樣一年之中，中央空調系統(tǒng)中的冷卻泵機組和冷凍水泵機組都在固定的大流量下工作。另外由于季節(jié)、晝夜和用戶負荷的變化，實際上空調負載在絕大部分時間內(nèi)比設計負載低很多可由建筑物的實測得到熱負載變化率的情況。這樣，就可以決定水泵流量和壓力的最大（100%）設計負載，這樣相比，一年中負載率在50%以下的時間占全部運行時間的50%以上，一般冷凍水設計溫差為5～7℃，冷卻水的設計溫差為4～6℃，在系統(tǒng)流量固定的情況下，全年絕大部分運行時間溫差僅為1～3℃，即在溫差低、流量大的情況下工作，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。一般空調水泵的耗電量占空調系統(tǒng)耗電的20～30%。因此，節(jié)約水泵在低負載時系統(tǒng)供水輸出能量具有很重要的意義，所以隨負荷而改變水流量的空調水泵系統(tǒng)就顯示出巨大的優(yōu)越性，而得到越來越廣泛的重視及應用。采用變頻器調節(jié)泵的轉速可以很方便地調節(jié)水的流量，其節(jié)能率通?？蛇_35%～50%左右

3.中央空調變頻系統(tǒng)的設計

變頻系統(tǒng)只涉及冷凍水機組和冷卻水機組的變頻調節(jié)控制。

3.1冷凍水系統(tǒng)

它的水溫取決于蒸發(fā)器的設定值，回水溫度取決于蒸發(fā)器接收的熱量，中央空調冷凍水出的溫度與冷凍水的回水溫度設計最大溫差為5℃（出水為8℃，回水為13℃）?，F(xiàn)采用在蒸發(fā)器的出水管和回水管上裝有檢測溫度的變送器。再與PID溫度調節(jié)器、PLC和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過冷凍水的溫差來控制，使冷凍水泵機組的轉速相應于熱負載的變化而變化，當?shù)谝慌_電機已達到工頻時，還達不到要求時就可起動第二臺電機，工頻運行，然后調控第一臺電機。這樣不斷調整控制，使其達到最佳的效果。

3.2冷卻水系統(tǒng)

降低水的溫度取決于冷卻塔的工作狀態(tài)，我們只需控制高溫冷卻水的溫度（冷凝器出水口）即可控制溫差?，F(xiàn)采用溫度變送器，PID調節(jié)器，PLC變頻器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，冷凝器出水溫度控制在T2（例如38℃），使冷卻水泵的轉速相應于熱負載的變化而變化。同樣，當?shù)谝慌_電機已達到工頻時，還達不到要求時，就可起動第二臺電機實行工頻運行，然后調控第一臺電機，使之達最佳的狀態(tài)。

4.系統(tǒng)的特點及效果

變頻節(jié)能系統(tǒng)由于采用閉環(huán)控制，電機按需要設定溫度，使設備容量隨時間季節(jié)變化，熱負荷通過轉速調節(jié)能在滿足要求的前提下最大限度的節(jié)能，并減少對電網(wǎng)的沖擊。由于本系統(tǒng)加入了各種保護措施，使安全可靠性大大提高。

本系統(tǒng)進行變頻節(jié)能改造后，一直穩(wěn)定連續(xù)運行，累計運行了11個月以電機容量90 kW為例，計算其變頻節(jié)能效益。

4.1冷凍水泵變頻節(jié)能效益

實際耗電量5298×4=211920kW；變頻后平均功率211920/5839= 363kW。

節(jié)電率（1-36.9/90）×100%=59.7%節(jié)約費用（90×5839-211920）×0.78=244660元。

4.2冷卻水泵變頻節(jié)能效益

實際耗電量3452×40=138080kWh；變頻后平均功率138080/3968 =34.8kW。

節(jié)電率（1-34.8/90）×100%=61.3%；節(jié)約費用（90×3968-138080）×0.78=170851元，兩項節(jié)約費用共計415.511元。由此可見，采用此系統(tǒng)為用戶節(jié)約了成本，提高了效益，取得較好的社會收益。

5.結論

本文分析了所設計的中央空調節(jié)能系統(tǒng)的原理，設計方法和經(jīng)濟效益。由于此系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，不少酒店大廈中央空調的物業(yè)管理部門都十分關注，并不斷的加入節(jié)能的改造行列，所以前景十分好。因此會產(chǎn)生較大的影響，為節(jié)能做出貢獻。

【參考文獻】

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