央空調(diào)集中供冷節(jié)能改造方案

一、概述

　　 在中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻風(fēng)機(jī)的容量是根據(jù)建筑物最大設(shè)計(jì)熱負(fù)荷選定的，且留有一定的設(shè)計(jì)余量。一般中央空調(diào)控制系統(tǒng)中，水泵及風(fēng)機(jī)一年四季都是在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)行，采用節(jié)流或回流的方式來調(diào)節(jié)流量或風(fēng)量，產(chǎn)生大量的節(jié)流或回流損失，且對(duì)水泵或風(fēng)機(jī)電機(jī)而言，由于它是在工頻下全速運(yùn)行，因此造成了能量的大大浪費(fèi)。
　　 由于四季的變化，陰晴雨雪及白天與黑夜時(shí)，外界溫度不同，使得中央空調(diào)的熱負(fù)荷在絕大部分時(shí)間里遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)負(fù)荷低。也就是說，中央空調(diào)實(shí)際大部分時(shí)間運(yùn)行在低負(fù)荷狀態(tài)下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，67%的工程設(shè)計(jì)熱負(fù)荷值為94-165W/m2，而實(shí)際上83%的工程熱負(fù)荷只有58-93 W/m2，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間每年不超過10-20小時(shí)。
　　 實(shí)踐證明，在中央空調(diào)的循環(huán)系統(tǒng)（冷卻泵、冷凍泵及冷卻風(fēng)機(jī)）中接入變頻系統(tǒng)，利用變頻技術(shù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量和壓力的變化用來取代閥門控制流量，能取得明顯的節(jié)能效果。

二、中央空調(diào)系統(tǒng)工作原理

  1.1中央空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1.2中央空調(diào)工作原理簡(jiǎn)述 

 ⑴、中央空調(diào)啟動(dòng)后，冷凍單元工作，蒸發(fā)器吸收冷凍水中的熱量，使之溫度降低；同時(shí)，冷凝器釋放熱量使冷卻水溫度升高。

 ⑵、降了溫的冷凍水通過冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在各個(gè)房間由室內(nèi)風(fēng)機(jī)加速進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量使房間內(nèi)的溫度降低后，又流回冷凍水端。

 ⑶、而升了溫的冷卻水通過冷卻泵壓入冷卻塔，由冷卻塔風(fēng)機(jī)加速將冷卻水中的熱量散發(fā)到大氣中，使水溫降低后，流回冷卻水端。

 ⑷、冷凍機(jī)組工作一段時(shí)間后，達(dá)到設(shè)定溫度，由溫度傳感器檢測(cè)出來，并通過中間繼電器及接觸器控制冷凍機(jī)停止工作，溫度回升到一定值后又控制其運(yùn)行。

三、中央空調(diào)存在的問題

3. 1 冷卻水系統(tǒng)的不足

 從設(shè)計(jì)角度考慮,冷卻水泵電機(jī)的容量是按照最大換熱量(即環(huán)境氣溫最高,且所有場(chǎng)所的空調(diào)都開足) 的情況下,再取一定的安全系數(shù)來確定的。而通常情況下,由于季節(jié)和晝夜氣溫的變化以及開機(jī)數(shù)目的不足,實(shí)際換熱量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值, 因此,電機(jī)容量遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)荷,出現(xiàn)了大馬拉小車的情況。

 再從冷卻水流量考慮,冷卻水的作用是要及時(shí)將冷凝器中的熱量帶走,以保證制冷機(jī)能正常工作。從節(jié)能的角度看,只要能保證制冷機(jī)能正常工作,冷卻水流量越小,所做的無用功就越少, 節(jié)能也就越明顯。根據(jù)流量公式: Q = SV ,過去由于交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可調(diào),只能通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥, 改變管道截面積S 的方式來調(diào)節(jié)流量Q ,節(jié)流閥的存在對(duì)水流產(chǎn)生阻力,從而產(chǎn)生節(jié)流損耗,并且會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)和產(chǎn)生噪音。

3. 2 冷凍水系統(tǒng)的不足

冷凍水泵的作用是將經(jīng)制冷機(jī)降溫的冷凍水通過輸送管道送到中央空調(diào)的各出風(fēng)口處的風(fēng)機(jī)盤管組件中,對(duì)環(huán)境起降溫作用,冷凍水的流量與冷凍水泵的轉(zhuǎn)速成正比,當(dāng)冷凍水泵轉(zhuǎn)速高時(shí),冷凍水的流量大,流速也快。因此,當(dāng)冷凍水流過風(fēng)機(jī)盤管組件時(shí),還沒有充分的時(shí)間將所攜冷量全部釋放完,就又返回制冷機(jī)去了,因此冷凍水泵電機(jī)做了很多無用功,這些都是不必要的能耗。若能夠調(diào)節(jié)冷凍水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速,根據(jù)實(shí)際熱負(fù)荷的大小來調(diào)節(jié)冷凍水的流量(實(shí)際上是調(diào)節(jié)交換冷量的大小) 和流速,以便讓冷凍水在風(fēng)機(jī)盤管組件中有充分的時(shí)間釋放與熱負(fù)荷大小相當(dāng)?shù)睦淞?冷凍水泵電機(jī)的功耗可大大降低。

3. 3 冷卻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的不足

   冷卻塔是冷凍機(jī)組的冷卻水最主要的熱交換設(shè)備之一，它主要靠冷卻塔風(fēng)機(jī)對(duì)冷卻水降溫，由于冷卻塔的設(shè)備容量是根據(jù)在夏天最大熱負(fù)載的條件下選定的，也就是考慮到最惡劣的條件，然而在實(shí)際設(shè)備運(yùn)行中，由于季節(jié)、氣候、工作負(fù)載的等效熱負(fù)載等諸多因素都決定了設(shè)備經(jīng)常是處于在較低熱負(fù)載的情況下運(yùn)行，所以設(shè)備的耗電常常是不必要的和浪費(fèi)的。因此，使用變頻調(diào)速控制冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，在夜間或在氣溫較低的季節(jié)氣候條件下，通過調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和冷卻風(fēng)扇的開啟臺(tái)數(shù)，節(jié)能效果就非常顯著。 

四、節(jié)能改造原理

交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為: n = 60f (1 - s)Pp�？梢�,轉(zhuǎn)速與電源頻率近似成正比,即改變頻率可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載,即轉(zhuǎn)矩T 與轉(zhuǎn)速n2 成正比,電機(jī)軸上的輸出功率W 與轉(zhuǎn)速n3 成正比。而電機(jī)的耗電量近似同電機(jī)軸上的輸出功率成正比,即電機(jī)的耗電量近似與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。由此可見,當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速稍有下降時(shí),電機(jī)的耗電量就會(huì)大幅度地下降。

 過去由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào),電機(jī)只能工作在開或停兩種狀態(tài),即使當(dāng)熱負(fù)荷很小的時(shí)候,也必須至少開一臺(tái),電機(jī)軸上的輸出功率遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)荷的需要,從而造成不必要的能耗。若將電機(jī)的運(yùn)行頻率由原來的50 Hz 下調(diào)到40 Hz 時(shí),則電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大約降為額定轉(zhuǎn)速的80 % ,即n實(shí)際= 0. 8 n額定. 由于電機(jī)的額定功率為: W額定= Kn3額定,因此,電機(jī)運(yùn)行在40 Hz 時(shí)的實(shí)際功率為: W實(shí)際= Kn3實(shí)際= K(0. 8 n額定) 3 = 0. 512 Kn3額定= 0. 512W額定節(jié)電率= (電機(jī)額定功率- 電機(jī)實(shí)際功率)P 電機(jī)額定功率= (W額定- W實(shí)際)PW額定= ( W額定- 0. 512 W額定)PW額定= 48. 8 %

 由此可見,若風(fēng)機(jī)和水泵的電機(jī)運(yùn)行在40 Hz 時(shí),理論上,電機(jī)實(shí)際軸上的輸出功率只有額定功率的一半左右,此時(shí),理論上的節(jié)電率為48.8 %,節(jié)電效果相當(dāng)顯著,經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

五、變頻調(diào)速技術(shù)的中央空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)

 采用交流變頻調(diào)速技術(shù)后,由于電機(jī)可在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速,可將所有節(jié)流閥開至最大,使管道暢通,這樣可以免去節(jié)流損耗。通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速改變冷卻水、冷凍水的流速,從而改變冷卻水、冷凍水的流量,使其達(dá)到滿足制冷機(jī)正常工作的要求,以及達(dá)到平衡熱負(fù)荷所需冷量的要求, 而此時(shí)由于不存在節(jié)流損耗以及電機(jī)轉(zhuǎn)速降低,電機(jī)功率大幅度下降,從而達(dá)到節(jié)能的目的。采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造的關(guān)鍵在于可使電機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。過去由于交流電機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào),當(dāng)開一臺(tái)泵不夠,而開兩臺(tái)泵又有余時(shí), 只能開兩臺(tái)泵,這樣,多余的部分就是浪費(fèi)的部分。而現(xiàn)在由于轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào),開一臺(tái)泵不夠時(shí),開第二臺(tái)泵可以根據(jù)實(shí)際需要的大小設(shè)定其轉(zhuǎn)速,從而節(jié)約了本來多余的那部分能量。因此,在這種系統(tǒng)中任何時(shí)候只要求有一臺(tái)水泵電機(jī)處于可調(diào)狀態(tài),就可以達(dá)到節(jié)能的目的。而且這種方式對(duì)系統(tǒng)中并聯(lián)運(yùn)行的泵的臺(tái)數(shù)沒有任何限。這就是用PLC控制器對(duì)變頻器進(jìn)行切換控制的優(yōu)越性所在。

 在冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)和散熱水塔風(fēng)機(jī)上分別采用變頻調(diào)速控制都可以達(dá)到節(jié)能的目的。在通常的中央空調(diào)系統(tǒng)中,往往有多臺(tái)冷卻水泵和冷凍水泵分別構(gòu)成管路并聯(lián)的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)。在此類系統(tǒng)中,只須在冷卻水和冷凍水系統(tǒng)中各采用一臺(tái)變頻調(diào)速器, 分別各用一臺(tái)PLC 控制器和切換控制器對(duì)一組冷卻泵電機(jī)和冷凍泵電機(jī)進(jìn)行切換控制,使兩個(gè)系統(tǒng)都有一臺(tái)泵處于可調(diào)節(jié)狀態(tài),這種控制方式在最大程度上節(jié)約了投資,達(dá)到用最少的投資取得最大回報(bào)的效果。

   循環(huán)系統(tǒng)的控制原理和主電路如圖所示。

六、水循環(huán)系統(tǒng)工作原理

6. 1 　系統(tǒng)組成

 系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器PLC、切換控制器、機(jī)械聯(lián)鎖接觸器和水泵電機(jī)組成,水泵電機(jī)的個(gè)數(shù)可以是任意個(gè)。通過PLC 和切換控制器的控制,可使任一臺(tái)電機(jī)處于變頻工作狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)候都有一臺(tái)電機(jī)處于容量可調(diào)狀態(tài),而其余電機(jī)根據(jù)實(shí)際負(fù)載的需要,或是處于停機(jī)狀態(tài),或是工作在工頻狀態(tài)。并且,這種組合可以是任意的,完全由PLC檢測(cè)運(yùn)行溫度差通過PLC內(nèi)部做PID運(yùn)算來控制變頻及工頻自由組合。機(jī)械聯(lián)鎖接觸器是為了在切換過程中從硬件上確保三相交流電源不會(huì)串入變頻器的輸出端而設(shè)置的。否則,當(dāng)三相交流電源串入變頻器的輸出端時(shí),變頻器會(huì)被損壞。

6. 2 　工作原理

 當(dāng)熱負(fù)荷較小、只需一臺(tái)電機(jī)工作在低于工頻狀態(tài)就能滿足要求時(shí),根據(jù)操作者的意愿,可通過PLC 控制器和切換控制器使任一臺(tái)電機(jī)工作在變頻狀態(tài),且運(yùn)行頻率可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的大小任意設(shè)定。

 當(dāng)熱負(fù)荷增大,開一臺(tái)電機(jī)不夠,而開兩臺(tái)電機(jī)又有余時(shí), 由PLC檢測(cè)運(yùn)行溫度差通過PLC內(nèi)部做PID運(yùn)算來控制變頻及工頻自由組合，PLC 發(fā)出起動(dòng)另一臺(tái)電機(jī)的指令,PLC 控制器和切換控制器會(huì)自動(dòng)地將原來工作在變頻狀態(tài)的電機(jī)的頻率從運(yùn)行頻率提升至工頻50 Hz ,然后將它從變頻器上切除并直接掛接到工頻電源上,再將第二臺(tái)電機(jī)掛接到變頻器上,使第二臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)平滑軟起動(dòng),運(yùn)行頻率由操作者根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。

 熱負(fù)荷進(jìn)一步增大,上述切換控制過程不斷重復(fù),直至所有電機(jī)全部投入。系統(tǒng)能提供的最大容量是全部電機(jī)均工作在工頻滿負(fù)荷狀態(tài)。

七、中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造的優(yōu)點(diǎn)

 變頻節(jié)能改造后除了可以節(jié)省大量的電能外還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）、電機(jī)起動(dòng)是軟起動(dòng)，電流從OA到額定電流變化，減小了大電流對(duì)電機(jī)的沖擊；

（2）、電機(jī)軟起動(dòng)轉(zhuǎn)速從0開始緩慢升速，可以有效減少水泵或風(fēng)機(jī)的機(jī)械磨損；

（3）、變頻器是高性能的電力電子設(shè)備，具有較強(qiáng)的電機(jī)保護(hù)功能，能延長(zhǎng)系統(tǒng)的各部件使用壽命；

（4）、使室溫維持恒定，讓人感到舒適；

（5）、經(jīng)過改造后，可以使系統(tǒng)具有較高的可靠性，減少了噪音以及維修維護(hù)工作量。