中央空調(diào)變頻節(jié)能系統(tǒng)可行性分析

吳清

【摘 要】針對我段現(xiàn)有中央空調(diào)，耗電大、噪音高，對其進行變頻節(jié)能改造，以達到節(jié)能、降耗、降低噪音的效果。

【關(guān)鍵詞】中央空調(diào);變頻節(jié)能;頻率;冷水泵

一、前言

能源是人類生存，社會發(fā)展的必要物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀以來，世界能源消耗的增加速度，遠遠超過了人口增長速度，這是現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)高速發(fā)展的結(jié)果。能源問題已經(jīng)到了相當(dāng)嚴峻的地步，節(jié)約能源勢在必行。節(jié)約方法的開展和應(yīng)用已引起人們的高度重視。節(jié)能產(chǎn)品的開發(fā)、利用及推行也在全球形成熱潮，在發(fā)達國家已是比較成熟的一個產(chǎn)業(yè)。基于以上指導(dǎo)思想，廣泛收集有關(guān)資料，決定對我段中央空調(diào)進行變頻節(jié)能改造。據(jù)統(tǒng)計，中央空調(diào)的用電量占各類大型建筑總用電量的60%以上，其中，僅水泵的耗電量約占到空調(diào)系統(tǒng)耗電量的20%～40%，存在巨大的能源浪費，而世界正在提倡節(jié)能減排，因此采用新技術(shù)降低系統(tǒng)能耗和減輕空調(diào)系統(tǒng)向外界所釋放的能量就成為當(dāng)務(wù)之急。

在傳統(tǒng)的設(shè)計中，中央空調(diào)的制冷/制熱機組、冷凍水/冷溫水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機的容量基本是按照建筑物最大制冷/制熱負荷的需求來選定的，且留有充足余量。無論季節(jié)、晝夜和用戶負荷的怎樣變化，各電機都長期固定在工頻狀態(tài)下全速運行，雖然可滿足最大的用戶負荷，但不具備隨用戶負荷動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率的特性，而在大多數(shù)時間里，用戶負荷是較低的，這樣就造成很大的能源浪費。近年來節(jié)能降耗被國家擺到空前重要的位置。而國家供電緊張形勢依然沒有根本緩解，電價不斷上調(diào)，造成中央空調(diào)系統(tǒng)運行費用上升，因此如何控制空調(diào)系統(tǒng)的電能費用己經(jīng)成為越來越多的中央空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)營管理者所關(guān)注的題。

因此采用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)約低負荷時主機系統(tǒng)和水泵、風(fēng)機系統(tǒng)的電能消耗，還對空調(diào)系統(tǒng)所釋放的能量進行回收利用，具有極其重要的經(jīng)濟和社會意義，尋找一種節(jié)能效果明顯，性能穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急，因而中央空調(diào)的節(jié)能改造便成必然。

1.國內(nèi)外的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.（1）在國內(nèi)外的現(xiàn)狀

中央空調(diào)在正常運行時，需要根據(jù)室內(nèi)外的工作環(huán)境溫度、使用空調(diào)的空間大小和設(shè)定的溫度、冷卻水溫度的變化量等變量的變化，不斷調(diào)整自身的運行狀況，從而實現(xiàn)既能保證空調(diào)的舒適性又能盡量降低能耗的雙重目標。故此，中央空調(diào)的控制系統(tǒng)對于一個空調(diào)的性能起了至關(guān)重要的作用。

大部分中央空調(diào)的冷水機組基本都是由人工設(shè)定的鐘控裝置控制，系統(tǒng)定時啟動和定時關(guān)閉，每天長時間全開或者全關(guān)，輪流運行，這樣對電網(wǎng)頻繁的沖擊，不僅恒溫效果不佳，讓人感到不舒適，同時也浪費了大量的電能，工程設(shè)計人員進行空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方面的研究，在目前應(yīng)用的系統(tǒng)中往往偏重于設(shè)備的運行控制管理辦法，具體的控制方法上，基本采用PID控制，具有一定的魯棒性，因為得到了廣泛的應(yīng)用。

1.（2）國內(nèi)外的發(fā)展趨勢

變頻節(jié)能空調(diào)近幾年來成為我國空調(diào)市場上的新寵，擁有變頻調(diào)速系統(tǒng)的中央空調(diào)能夠通過溫度反饋改變電機的轉(zhuǎn)速使制冷量和環(huán)境達到一個平衡，具有更節(jié)能、更舒適、更環(huán)保的特點。

據(jù)統(tǒng)計，我國電動機裝機總?cè)萘考s4億多KW，其用電量占當(dāng)年全國發(fā)電量的60%～70%，而風(fēng)機、水泵設(shè)備裝機總功率達1.6億KW，年耗電量3200KW·h，約占當(dāng)年全國電力消耗總量的1/3。而應(yīng)用變頻器節(jié)電率一般在20%～60%，投資回收期1～3年，經(jīng)濟效益相當(dāng)可觀。所以大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)不僅是當(dāng)前推進企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量重要手段，而且也是實現(xiàn)經(jīng)濟增長方式轉(zhuǎn)變的必然要求。

二、中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成

中央空調(diào)系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：

（1） 冷凍機組。是中央空調(diào)的“制冷源”，通往各個房間的循環(huán)水由冷凍機組進行“內(nèi)部熱交換”，降溫為“冷凍水”。

冷凍水循環(huán)系統(tǒng)：由冷凍泵及冷凍水管道。從冷凍機組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在各房間內(nèi)進行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量，使房間內(nèi)的溫度下降。

（2） 冷卻水塔。用于為冷凍機組提供“冷卻水”。

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)：由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍機組進行熱交換，使水溫冷卻的同時，必將釋放大量的熱量。該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進行熱交換，然后再將降了溫冷卻水，送回到冷凍機組。如此不斷循環(huán)，帶走了冷凍機組釋放熱量。

（3） 冷卻風(fēng)機。有兩種情況：

1 室內(nèi)風(fēng)機：用于將由冷凍水冷卻了的冷空氣吹入房間，加速房間內(nèi)的熱交換。

2 冷卻塔風(fēng)機：用于降低冷卻塔中的水溫，加速將冷卻水帶回的熱量散發(fā)到大氣中去。

（4） 溫度檢測。使用熱電阻。

由此看出，中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過程是一個不斷地進行熱交換的能量轉(zhuǎn)換過程。冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是能量的主要傳遞者。因此，對冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制是中央空調(diào)控制系統(tǒng)節(jié)能的重要組成部分。

三、節(jié)能控制系統(tǒng)可行性分析

中央空調(diào)系統(tǒng)的冷凍泵配置是按設(shè)計工況的最大值來考慮的，并留有相當(dāng)?shù)挠嗔俊５谙喈?dāng)一部分時間內(nèi)，中央空調(diào)系統(tǒng)的冷凍泵只是部分負荷運行，并非是每天24小時都是滿負荷運行，從能耗上來說，具有很大的節(jié)能空間。行之有效的辦法是通過變頻器調(diào)節(jié)冷凍泵驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速而達到節(jié)能目的，在確保整個系統(tǒng)正常工作情況下，盡可能降低電機轉(zhuǎn)速，即電機盡可能在最低允許電流下低速運轉(zhuǎn)。

四、節(jié)能控制方案

中央空調(diào)冷凍泵節(jié)能控制系統(tǒng)構(gòu)成：1 溫差傳感器。2 PID調(diào)節(jié)器。3 前置放大器。4 運動操作箱。5 變頻器。

中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍泵進出口安裝溫差傳感器，隨時檢測冷凍泵進出口水的溫度差，然后將檢測到信號輸送給PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器將信號輸送給前置放大器，前置放大器經(jīng)過運動操作箱向變頻調(diào)速器輸出控制信號，由變頻器調(diào)整冷凍泵電機轉(zhuǎn)速。當(dāng)系統(tǒng)實際負荷增加時，冷凍泵進、出口水溫差減小，通過變頻器調(diào)整加大電機轉(zhuǎn)速。反之，溫差增大時，則降低頻率，減慢電機轉(zhuǎn)速。

變頻器的調(diào)速范圍和冷凍水溫差設(shè)計范圍是由冷凍機決定的，所以應(yīng)根據(jù)實際情況設(shè)定系統(tǒng)工作最高頻率和最低頻率，變頻器設(shè)計工作范圍是30～60Hz，冷凍水溫差設(shè)計為5～7攝示度。

五、取得效果

1 節(jié)能。

由水泵電機的軸功率與電機轉(zhuǎn)速的三次方成正比，可知，如水泵電機額定功率為30KW，通過變頻控制電機供電頻率從50Hz降至40Hz時，可節(jié)電50%左右，即水泵電機在這種情況以15KW的功率運行，一小時就可節(jié)約電15KW。一年按使用8個月計算，一年就可節(jié)約電86400KW。如果使用時電機供電頻率再低，節(jié)約的電能就更多。

2 減少對電網(wǎng)的沖擊。

由變頻器控制的水泵電機起動時電機從0Hz開始拖動，實行帶載軟起動。從而避免了沖擊電流的產(chǎn)生，減少電能的消耗。

3 改善了運行的條件，延長電機的使用壽命，降低了噪音。

綜上所述，本課題的研究意義在于：

1.通過對中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能措施的研究，可以避免不合理的低效用能，降低了空調(diào)系統(tǒng)的能耗，提高了能源的利用率，對于解決當(dāng)前電力供需矛盾，提高電網(wǎng)的負荷率和發(fā)電設(shè)備及輸電設(shè)施利用率，保證電力系統(tǒng)安全運行。減小國家的電力投資等也具有重要的意義。

2.對中央空調(diào)系統(tǒng)中的冷卻水實施回收利用，將其輸入到集中供應(yīng)的衛(wèi)生熱水系統(tǒng)中，利用有源熱泵機組提升水溫，增設(shè)動態(tài)管理的儲熱循環(huán)裝置，降低了中央空調(diào)系統(tǒng)向外界釋放的熱量，整個系統(tǒng)既可以節(jié)能，也減少了對環(huán)境的污染。

經(jīng)市場調(diào)查與了解采用成熟的變頻器來實現(xiàn)，以便達到節(jié)能和延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。這是因為變頻器能根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵負載變化隨之調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，在滿足中央空調(diào)系統(tǒng)正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，以達到節(jié)能目的

（作者單位：合肥機務(wù)段物資設(shè)備科）