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中央空調(diào)變頻節(jié)能技術(shù) -工程

工程 時(shí)間:2019-01-01 我要投稿
【salifelink.com - 工程】

    一、中央空調(diào)節(jié)能最佳方法

    由于中央空調(diào)主要設(shè)備是風(fēng)機(jī)水泵,所以節(jié)能最佳方法就是采用變頻器,

中央空調(diào)變頻節(jié)能技術(shù)

。目前大多數(shù)中間空調(diào)還采用以往舊的控制方式,即:通過改變壓縮機(jī)機(jī)組、水泵、風(fēng)機(jī)啟停臺(tái)數(shù),以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

    該調(diào)節(jié)方式缺點(diǎn)集中表現(xiàn)為如下幾點(diǎn):

    ●設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間全開或全閉,輪流運(yùn)行,浪費(fèi)電能驚人。

    ●電機(jī)直接工頻啟動(dòng),沖擊電流大,嚴(yán)重影響設(shè)備使用壽命。

    ●溫控效果不佳。當(dāng)環(huán)境或冷熱負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),只能通過增減冷熱水泵的數(shù)量或使用擋風(fēng)板來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度,溫度波動(dòng)大,舒適感差。

    中央空調(diào)采用變頻器后有如下優(yōu)點(diǎn):

    ●變頻器可軟啟動(dòng)電機(jī),大大減小沖擊電流,降低電機(jī)軸承磨損,延長(zhǎng)軸承壽命。

    ●調(diào)節(jié)水泵風(fēng)機(jī)流量、壓力可直接通過更改變頻器的運(yùn)行頻率來完

    成,可減少或取消擋板、閥門。

    ●系統(tǒng)耗電大大下降,噪聲減小。

    ●若采用溫度閉環(huán)控制方式,系統(tǒng)可通過檢測(cè)環(huán)境溫度,自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量,隨天氣、熱負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié),溫度變化小,調(diào)節(jié)迅速。

    ●系統(tǒng)可通過現(xiàn)場(chǎng)總線與中央控制室聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)集中遠(yuǎn)程監(jiān)控。

    二、供水系統(tǒng)變頻節(jié)能改造

    無論是溴化鋰機(jī)組或電制冷(氟利昂)機(jī)組的中央空調(diào)系統(tǒng),主機(jī)自身的能量消耗有機(jī)組控制,機(jī)外的電力消耗組不能控制,而這部分的成本是相當(dāng)高的,卻通常被人忽視了。尤其是溴化鋰機(jī)組,在額定狀態(tài)制冷運(yùn)用行時(shí),機(jī)外水泵、冷卻塔的電機(jī)耗電量約占總體能源消耗成本的30%(以每公斤油2元、每度電1元計(jì)算)。無論從環(huán)境保護(hù)角度還是用戶切身利益角度,都應(yīng)將中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成最節(jié)能的系統(tǒng)。采用變頻器來控制機(jī)外水泵電機(jī)、冷卻塔電機(jī)是最簡(jiǎn)單、最有效的節(jié)能措施。一般情況節(jié)電20%~50%,每年可節(jié)省機(jī)組及系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用的12%~20%,十分驚人。

    1、冷卻水泵變頻控制

    中央空調(diào)的冷卻水泵的功率是根據(jù)空調(diào)冷凍機(jī)組的壓縮機(jī)滿負(fù)荷工作設(shè)計(jì)的,當(dāng)環(huán)境溫度及各種外界因素,冷凍機(jī)組不需要開啟全部壓縮機(jī)組,此時(shí)空調(diào)的冷凝系統(tǒng)所需要的冷卻量也相應(yīng)地減小,這時(shí)就可以通過變頻調(diào)速器來調(diào)節(jié)冷卻水泵的轉(zhuǎn)速,降低冷卻水的循環(huán)速度及流量,使冷卻水的冷負(fù)荷被冷凝系統(tǒng)充分利用,從而達(dá)到節(jié)能目的。從我公司對(duì)中央空調(diào)的變頻節(jié)能改造得出以下的數(shù)據(jù),其冷卻水泵、冷溫水泵在低流量運(yùn)行時(shí),可以大幅度節(jié)省電力,尤其針對(duì)直燃機(jī)冷卻水流量曲線的特點(diǎn),采用變頻控制,意義更大,從遠(yuǎn)大BZ型直燃機(jī)中央空調(diào)系統(tǒng)采用海利普變頻器控制水泵測(cè)試數(shù)據(jù)為例:

    當(dāng)制冷量75%時(shí),機(jī)組所需冷卻水流量34%,水泵電耗約20%;

    當(dāng)制冷量50%時(shí),機(jī)組所需冷卻水流量22%,水泵電耗約15%。

    2、冷溫水泵變頻控制

    中央空調(diào)的冷媒水泵的功率是根據(jù)空調(diào)滿負(fù)荷工作設(shè)計(jì)的,當(dāng)賓館、酒店、大廈需要的冷量或熱量沒有達(dá)到空調(diào)的滿負(fù)荷,這時(shí)就可以通過變頻器調(diào)速器來調(diào)節(jié)冷媒水泵的轉(zhuǎn)速,降低冷媒水的循環(huán)速度,使冷量和熱量得到充分利用,從而達(dá)到節(jié)能目的。如果制冷、采暖共用一臺(tái)水泵,則冬季水泵流量只需50%,自然可大大節(jié)省電力;即使是冬夏分泵運(yùn)行,也可在低負(fù)荷季節(jié)適當(dāng)降低流量,如90%流量時(shí),電耗約75%。

    3、冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻控制

    風(fēng)機(jī)功率一般都較小,節(jié)電不如水泵明顯。但風(fēng)機(jī)采取變頻控制能極大地有助于冷卻水恒溫,這對(duì)于機(jī)組制冷恒溫極為關(guān)鍵;且能使機(jī)組溶液循環(huán)穩(wěn)定,獲得最大限度的節(jié)省燃料。冷卻塔風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速運(yùn)行還能大幅度減少漂水,節(jié)省水源、延緩水質(zhì)劣化、減少水霧對(duì)周圍的影響。

    4、采用變頻器的其他益處

    由于變頻器的啟動(dòng)、停止過程是漸強(qiáng)、漸弱式,能消除電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。并可避免電機(jī)因過載而引起的故障。

    由于電機(jī)經(jīng)常處于低負(fù)荷運(yùn)行,能大幅度延長(zhǎng)電機(jī)及水泵、風(fēng)機(jī)的壽命,同時(shí)因沒有啟動(dòng)、停止的沖擊,加上流量的減少,管路承壓及所受沖擊力減小,故對(duì)管道、閥門、末端設(shè)備也起到了保護(hù)作用。另一方面,設(shè)備噪音、震動(dòng)均減小,保護(hù)了環(huán)境。

    5、中央空調(diào)機(jī)組外變頻器的控制方式

    ●根據(jù)冷卻水出/入口的溫度改變水泵轉(zhuǎn)速,調(diào)整流量;

    ●根據(jù)冷卻水入口溫度改變冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,調(diào)整水溫;

    ●根據(jù)冷溫水出/入口的溫差改變水泵轉(zhuǎn)速,調(diào)整流量;

    ●根據(jù)冷卻水出水的溫度改變水泵轉(zhuǎn)速,調(diào)整流量;

    ●根據(jù)冷媒水的回水溫度改變水泵轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)稅流量;

    三、中央空調(diào)末端設(shè)備—變風(fēng)量機(jī)組變頻控制

    變風(fēng)量機(jī)組也是中央空調(diào)系統(tǒng)重要的組成部分,其性能指標(biāo)(風(fēng)量、冷量、噪音、用電量)的優(yōu)劣,除了變風(fēng)量機(jī)組本身的性能外,更重要的還取決于控制的模式、控制器的性能、品質(zhì)。

    隨著中央空調(diào)的不斷普及,變風(fēng)量機(jī)組調(diào)節(jié)控制器已經(jīng)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段:

    第一階段:風(fēng)閥調(diào)節(jié)。能起到調(diào)節(jié)風(fēng)量的作用,但電能量消耗大、噪音大。

    第二階段:可控硅調(diào)壓調(diào)速。能起到調(diào)節(jié)風(fēng)量、冷量、節(jié)能的作用,對(duì)變風(fēng)量機(jī)組的噪音有一定的改良作用,其缺點(diǎn)是體積大、可靠性穩(wěn)定性低、故障率高。

    第三階段:變頻調(diào)節(jié)。能最大限度的滿足變風(fēng)量機(jī)組對(duì)風(fēng)量、冷量、噪音的調(diào)節(jié)要求,節(jié)能效果更明顯,體積小,可靠性穩(wěn)定性高。

    目前,變頻控制器以其特有的優(yōu)勢(shì),正被中央空調(diào)業(yè)內(nèi)人士所青睞。

    中央空調(diào)調(diào)節(jié)冷凍/冷卻泵轉(zhuǎn)速的節(jié)電原理:

    采用交流變頻技術(shù)控制冷凍/冷卻泵的運(yùn)行,是目前中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的有效途經(jīng)之一。

    泵的負(fù)載功率與轉(zhuǎn)速成3次方比例關(guān)系,即P∝N3,其中P為功率,N為轉(zhuǎn)速;可見用變頻調(diào)速的方法來減少水泵流量的經(jīng)濟(jì)效益是十分顯著的,當(dāng)所需流量減少,水泵轉(zhuǎn)速降低時(shí),其電動(dòng)機(jī)的所需功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。例如:

    A. 當(dāng)水泵流量下降10%(跟蹤輸出頻率為45Hz)

    則電動(dòng)機(jī)軸功率P′=(0.9)3P=0.729P即節(jié)電率27.1%

    B.當(dāng)水泵流量下降30%(跟蹤輸出頻率為35Hz)

    則電動(dòng)機(jī)軸功率P′=(0.7)3P=0.343即節(jié)電率65.7%

    當(dāng)冷水機(jī)負(fù)荷下降時(shí),所需的水流量減少,通過電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置降低泵的轉(zhuǎn)速來減少水的流量,泵的軸功率相應(yīng)減少,電動(dòng)機(jī)的輸入功率也隨之減少。當(dāng)用冷量增加,冷機(jī)負(fù)荷量增大,冷凝器進(jìn)出水溫差增大,變頻器運(yùn)行頻率增加,水泵轉(zhuǎn)速加快,水流量增加,從而維持溫差恒定。反之亦然。從而達(dá)到理想的節(jié)能效果。

三晶變頻器在中央空調(diào)上的應(yīng)用

    在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大背景下,由于房地產(chǎn)的快速發(fā)展需求,中央空調(diào)的市場(chǎng)需求呈現(xiàn)強(qiáng)勁的增長(zhǎng)趨勢(shì)。在市場(chǎng)容量不斷增大的吸引下,越來越多的廠家加入到商用中央空調(diào)的領(lǐng)域。節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng),對(duì)提升中央空調(diào)自動(dòng)化水平、降低能耗、減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊、延長(zhǎng)機(jī)械及管網(wǎng)的使用壽命,都具有重要的意義。

    中央空調(diào)是現(xiàn)代大廈物業(yè)、賓館、商場(chǎng)不可缺少的設(shè)施,它能帶給人們四季如春,溫馨舒適的每一天,由于中央空調(diào)功率大,耗能大,加上設(shè)計(jì)上存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象,支付中央空調(diào)所用電費(fèi)是用戶一項(xiàng)巨大的開支。因?yàn)榧竟?jié)的變化、晝夜的變化、賓館酒樓客人入住率的變化、娛樂場(chǎng)所開放時(shí)間的變化等等,從而導(dǎo)致中央空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)熱源吸收量的變化,再加之工藝設(shè)計(jì)上電機(jī)功率設(shè)計(jì)有相當(dāng)?shù)母辉A浚虼耍嬖诿黠@的節(jié)電空間。將變頻技術(shù)引入中央空調(diào)系統(tǒng),保持室內(nèi)恒溫,對(duì)其進(jìn)行的節(jié)能改造是降本增效的一條捷徑。

    █中央空調(diào)系統(tǒng)

    圖1所示為一典型中央空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)圖,主要由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及主機(jī)三部分組成:

   

   

    ●冷凍水循環(huán)系統(tǒng)

    該部分由冷凍泵、室內(nèi)風(fēng)機(jī)及冷凍水管道等組成,

工程

中央空調(diào)變頻節(jié)能技術(shù)》(http://salifelink.com)。從主機(jī)蒸發(fā)器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道(出水),進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行熱交換,帶走房間內(nèi)的熱量,最后回到主機(jī)蒸發(fā)器(回水)。室內(nèi)風(fēng)機(jī)用于將空氣吹過冷凍水管道,降低空氣溫度,加速室內(nèi)熱交換。

    ●冷卻水循環(huán)部分

    該部分由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等組成。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)熱交換的同時(shí),必將帶走室內(nèi)大量的熱能。該熱能通過主機(jī)內(nèi)的冷媒傳遞給冷卻水,使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔(出水),使之與大氣進(jìn)行熱交換,降低溫度后再送回主機(jī)冷凝器(回水)。

    ●主機(jī)

    主機(jī)部分由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器及冷媒(制冷劑)等組成,其工作循環(huán)過程如下:

    首先低壓氣態(tài)冷媒被壓縮機(jī)加壓進(jìn)入冷凝器并逐漸冷凝成高壓液體。在冷凝過程中冷媒會(huì)釋放出大量熱能,這部分熱能被冷凝器中的冷卻水吸收并送到室外的冷卻塔上,最終釋放到大氣中去。隨后冷凝器中的高壓液態(tài)冷媒在流經(jīng)蒸發(fā)器前的節(jié)流降壓裝置時(shí),因?yàn)閴毫Φ耐蛔兌鴼饣纬蓺庖夯旌衔镞M(jìn)入蒸發(fā)器。冷媒在蒸發(fā)器中不斷氣化,同時(shí)會(huì)吸收冷凍水中的熱量使其達(dá)到較低溫度。最后,蒸發(fā)器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體,重新進(jìn)入了壓縮機(jī),如此循環(huán)往復(fù)。

    █節(jié)能理論

    ●中央空調(diào)節(jié)能改造前的工況

    在中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),冷凍泵、冷卻泵的電機(jī)容量是根據(jù)建筑物的最大設(shè)計(jì)熱負(fù)荷選定的,都留有一定設(shè)計(jì)余量。由于四季氣候及晝夜溫差變化,中央空調(diào)工作時(shí)的熱負(fù)荷總是不斷變化。下圖2為一民用建筑物的平均熱負(fù)荷情況:

   

如上圖所示,該中央空調(diào)一年中負(fù)荷率在50%以下的時(shí)間超過了全部運(yùn)行時(shí)間的50%。通常冷卻水管路的設(shè)計(jì)溫差為5~6℃,而實(shí)際應(yīng)用表明大部分時(shí)間里冷卻水管路的溫差僅為2~4℃,這說明制冷所需的冷凍水、冷卻水流量通常都低于設(shè)計(jì)流量,這樣就形成了中央空調(diào)低溫差、低負(fù)荷、大工作流量的工況。

    在沒有使用節(jié)能系統(tǒng)前,工頻供電下的水泵始終全速運(yùn)行,管道中的供水流量只能通過閥門或回流方式調(diào)節(jié),這必會(huì)產(chǎn)生大量的節(jié)流及回流損失,同時(shí)也增加了電機(jī)的負(fù)荷,白白消耗了許多電能。

    中央空調(diào)水泵電機(jī)的耗電量約占中央空調(diào)系統(tǒng)總耗電量的30-40%,故對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造具有很明顯的節(jié)能效果。

    ●節(jié)能理論根據(jù)

    由流體力學(xué)理論可知,離心式流體傳輸設(shè)備(如離心式水泵、風(fēng)機(jī)等)的輸出流量Q與其轉(zhuǎn)速n成正比;輸出壓力P(揚(yáng)程)與其轉(zhuǎn)速n的平方成正比;輸出功率N與其轉(zhuǎn)速n的三次方成正比,用數(shù)學(xué)公式可表示為:

    Q=K1 × n      P=K2 × n2

    N=Q × P=K3 × n3   (K1、K2、K3為比例常數(shù))

    由上述原理可知,降低水泵的轉(zhuǎn)速,水泵的輸出功率就可以下降更多。如將電機(jī)的供電頻率由50Hz降為40Hz,則理論上,低頻40Hz與高頻50Hz的輸出功率之比為(40/50)3=0.512。

    實(shí)踐證明,在中央空調(diào)系統(tǒng)中接入變頻節(jié)能系統(tǒng),利用變頻技術(shù)改變水泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)管道中的流量,以取代閥門調(diào)節(jié)及回流方式,能取得明顯的節(jié)能效果,一般節(jié)電率都在30%以上。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(duì)中央空調(diào)的平穩(wěn)調(diào)節(jié),并可延長(zhǎng)機(jī)組及管組的使用壽命。

    █節(jié)能方案分析

    中央空調(diào)各循環(huán)水系統(tǒng)的回水與出水溫度之差,反映了整個(gè)系統(tǒng)需要進(jìn)行的熱交換量。因此,根據(jù)回水與出水的溫度差來控制循環(huán)水的流量,從而控制熱交換的速度,是首選的節(jié)能控制方法。

    ●冷凍水循環(huán)系統(tǒng)

    冷凍水的出水溫度是由主機(jī)的制冷效果決定的,通常比較穩(wěn)定,因此冷凍回水溫度可以準(zhǔn)確的反映室內(nèi)的熱負(fù)荷情況。由此,對(duì)于冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能改造,可以取回水溫度作為控制目標(biāo),通過變頻器對(duì)冷凍泵流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的控制。

    ●冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

    冷卻水循環(huán)系統(tǒng)同時(shí)受室外環(huán)境溫度及室內(nèi)熱負(fù)荷兩方面影響,循環(huán)水管道單側(cè)的水溫不能準(zhǔn)確反映該系統(tǒng)的熱交換量,因此以出水與回水之間的溫差作為控制室內(nèi)溫度的依據(jù)是合理的節(jié)能方式。在外界環(huán)境溫度不變的情況下,溫差大,說明室內(nèi)熱負(fù)荷較大,應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速,增大冷卻水循環(huán)的速度;相應(yīng)的,溫差小則減小冷卻泵轉(zhuǎn)速。

    ●方案結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)上述分析,可得出整個(gè)節(jié)能工程結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示:

   

由上圖,該節(jié)能方案的基本思路為:

    分別在主機(jī)蒸發(fā)器回水處、冷凝器出水及回水處安裝溫度傳感器,實(shí)時(shí)檢測(cè)管網(wǎng)的溫度,以模擬信號(hào)(0~10V或者4~20mA)反饋給變頻器,通過變頻器內(nèi)置的PID運(yùn)算輸出相應(yīng)的頻率指令后自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)各循環(huán)水的熱交換速度,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)恒溫度的控制。需要特別說明的是,變頻器內(nèi)部在設(shè)計(jì)上集成了溫差反饋處理功能,系統(tǒng)無須另配專用控制模塊。

    ●電路控制方案

    某公司LG中央空調(diào)機(jī)組數(shù)據(jù)如下表:

    機(jī)組

    機(jī)型

    常用數(shù)量

    備用數(shù)量

    總計(jì)數(shù)量

    中央

    空調(diào)

    冷凍泵電機(jī)

    45KW(380V)

    2臺(tái)

    1臺(tái)

    3臺(tái)

    冷卻泵電機(jī)

    75KW(380V)

    2臺(tái)

    1臺(tái)

    3臺(tái)

   

   

   

    三臺(tái)水泵中,春秋季節(jié)只用一臺(tái),備用兩臺(tái);夏季高峰時(shí)常用兩臺(tái),一臺(tái)備用。

    要求:一臺(tái)變頻運(yùn)行,且可以通過人工方式進(jìn)行切換,其他可通過人工方式直接啟動(dòng)到工頻運(yùn)行。

    設(shè)計(jì):3臺(tái)水泵電機(jī)選配1臺(tái)變頻器。工作時(shí)可選擇任意一臺(tái)水泵做主泵、由變頻器直接拖動(dòng)并且變頻運(yùn)行(由內(nèi)置PID進(jìn)行閉環(huán)控制);其余兩臺(tái)水泵做輔泵、由人工依據(jù)制冷特點(diǎn)相應(yīng)進(jìn)行啟停控制,使電機(jī)工頻運(yùn)行。如下圖所示:

   

   

    該方案使用SAJ8000系列通用變頻器,“市電”“節(jié)電”旁路需要另配電控柜及電氣配件。

   

圖為L(zhǎng)G中央空調(diào)機(jī)組

    ●變頻節(jié)能系統(tǒng)特點(diǎn)

    1、變頻器界面為L(zhǎng)ED顯示,監(jiān)控參數(shù)豐富;鍵盤布局簡(jiǎn)潔、操作方便;

    2、變頻器有過流、過載、過壓、過熱等多種電子保護(hù)裝置,并具有豐富的故障報(bào)警輸出功能,可有效保護(hù)供水系統(tǒng)的正常運(yùn)作;

    3、加裝變頻器后,電機(jī)具有軟啟動(dòng)及無極調(diào)速功能,可使水泵和電機(jī)的機(jī)械磨損大為降低,延長(zhǎng)管組壽命;

    4、變頻器內(nèi)部裝有大容量濾波電容,可有效提高用電設(shè)備的功率因數(shù);

    5、該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的PID閉環(huán)調(diào)節(jié),室內(nèi)溫度變化平穩(wěn),人體感覺舒適。

    █ 總結(jié)

    將變頻技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng),對(duì)提升中央空調(diào)自動(dòng)化水平、降低能耗、減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊、延長(zhǎng)機(jī)械及管網(wǎng)的使用壽命,都具有重要的意義。