變頻器中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)方案低壓節(jié)能控制系統(tǒng)

變頻器中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)方案低壓節(jié)能控制系統(tǒng)

一、引言

低壓節(jié)能控制系統(tǒng)中央空調(diào)是大廈里的耗電大戶，每年的電費(fèi)中空調(diào)耗電占60% 左右，因此中央空調(diào)的節(jié)能改造顯得尤為重要。

由于設(shè)計(jì)時(shí)，中央空調(diào)系統(tǒng)必須按天氣最熱、負(fù)荷最大時(shí)設(shè)計(jì)，并且留10-20%設(shè)計(jì)余量，然而實(shí)際上絕大部分時(shí)間空調(diào)是不會(huì)運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)下，存在較大的富余，所以節(jié)能的潛力就較大。其中，冷凍主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，存在很大的浪費(fèi)。

本泵系統(tǒng)的流量與壓差是靠閥門和旁通調(diào)節(jié)來完成，因此不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，不僅大量浪費(fèi)電能，而其還造成中央空調(diào)最末端達(dá)不到合理效果的情況。為了解決這些問題需使水泵隨著負(fù)載的變化調(diào)節(jié)水流量并關(guān)閉旁通。再因水泵采用的是Y-△起動(dòng)方式，電機(jī)的起動(dòng)電流均為其額定電流的3-4倍，一臺(tái)90%KW的電動(dòng)機(jī)其起動(dòng)電流將達(dá)到500A，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機(jī)的使用壽命大大下降，同時(shí)起動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊和停泵時(shí)水錘現(xiàn)象，容易對機(jī)械零件、軸承、閥門、管道等造成破壞，從而增加維修工作量和備品、備件費(fèi)用。

二、中央空調(diào)系統(tǒng)的工作原理及組成結(jié)構(gòu)

由主機(jī)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)部分三大部分組成。

中央空調(diào)系統(tǒng)按負(fù)載類型可將其分為兩大類：

1、恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載：如螺桿式或離心式制冷主壓縮機(jī)系統(tǒng)的壓縮機(jī)，不僅對軸輸出的轉(zhuǎn)矩具有最小值限定的需要，而且其轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系也近似表現(xiàn)為線性特性。

2、平方轉(zhuǎn)矩型負(fù)載：如冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷媒循環(huán)水系統(tǒng)（熱泵循環(huán)水系統(tǒng)）、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等的風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載，他們對軸距沒有嚴(yán)格的需求，其軸功率與轉(zhuǎn)速具有顯著的立方關(guān)系特征。不同的負(fù)載類型具有不同的轉(zhuǎn)矩、功率關(guān)系特性，節(jié)能空間各有不同。

2.1制冷壓縮機(jī)的節(jié)能調(diào)節(jié)原理

以蒸汽壓縮式制冷循環(huán)為例，中央空調(diào)的制冷系統(tǒng)其制冷循環(huán)過程如上圖所示。就中央空調(diào)制冷壓縮機(jī)而言，壓縮機(jī)本身已采用改變膨脹閥或扇門的開度調(diào)節(jié)制冷劑的流量方式，因此一般不建議對制冷壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。

2.2風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能調(diào)節(jié)原理

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）與其速度n的平方成正比；輸出功率N與其速度n的三次方成正比，用數(shù)學(xué)公式可表示為：Q∝n P∝n2 N ∝n3

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。改造前我們需要判斷系統(tǒng)是否具有節(jié)能潛力。由于中央空調(diào)系統(tǒng)所具有的特殊性，主要從兩個(gè)方面來考慮：首先是泵本身的額定流量與揚(yáng)程指標(biāo)和運(yùn)行時(shí)實(shí)際輸出表現(xiàn)；其次是系統(tǒng)對實(shí)際供水需求量所要求的溫度差，或壓力與機(jī)組指標(biāo)之間的偏差大小。以冷凍泵為例，采用實(shí)時(shí)采集進(jìn)出水溫度數(shù)據(jù)，通過智能溫度控制運(yùn)算處理，輸出4-20mA的模擬信號(hào)，決定變頻器對泵的調(diào)節(jié)方向與調(diào)節(jié)幅度。為了避免出現(xiàn)“斷流”現(xiàn)象，泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)限定在一定值以上，這個(gè)下限（最低供給揚(yáng)程和流量）可以通過變頻器的輸出下限頻率來設(shè)定，（經(jīng)驗(yàn)值=35.00Hz）在保證足夠的揚(yáng)程和流量的前提下（避免中央空調(diào)系統(tǒng)低壓檢測或報(bào)警動(dòng)作），建議采用溫度控制方式來實(shí)現(xiàn)。

三、SVF-EV變頻節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制（檢測進(jìn)、出水溫差）

中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍循環(huán)水的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫度為：12℃/7℃，額定指標(biāo)冷凝器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水允許溫差為5℃。如進(jìn)出水溫差為2℃，因此從溫差現(xiàn)象角度上看，冷凍循環(huán)水的實(shí)際需求量僅為供給量得2℃/5℃=40%，在變頻調(diào)速情況下，泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速只要工作在額定轉(zhuǎn)速的40%就可以滿足要求，泵的能耗僅約為額定能耗10%以下，能量的交換不充分原因致使系統(tǒng)的制冷效果變差，因此節(jié)能空間非常大。

在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個(gè)冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率（一般取25.00Hz），將其設(shè)定為下限頻率，鎖定冷凍水泵的最低工作速度，通過智能溫度控制器檢測冷凍進(jìn)出水溫度差值，來控制變頻器的頻率增減，使冷凍回水溫度大于設(shè)定溫度時(shí)頻率無極上調(diào)。

3.2制熱模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制（檢測進(jìn)水、水溫差）

該模式是在中央空調(diào)中熱泵運(yùn)行即制熱時(shí)（秋、冬季），和冷凍水泵系統(tǒng)的控制方案一樣，同上。

3.3冷卻循環(huán)水泵開環(huán)控制（檢測進(jìn)出、水溫差）

中央空調(diào)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)冷卻循環(huán)進(jìn)出水溫差為：4℃-8℃，冷卻塔標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫差為：3℃-5℃，用于采暖的熱水進(jìn)出水溫度為：50℃/60℃，該部分由冷卻泵、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)，并帶走室內(nèi)大量的熱能，能量從主機(jī)內(nèi)的冷媒傳遞給冷凝器，使冷卻水溫升高；冷卻泵將升溫后的冷卻水輸送至冷卻水塔（出水），使之與大氣進(jìn)行能量交換，使冷卻降低溫度后再送回主機(jī)冷凝器（回水）。因此，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)同時(shí)受室內(nèi)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。需在冷卻管進(jìn)出水主管上安裝一個(gè)溫差傳感器如上所示，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，此種方式將比單側(cè)回水溫度節(jié)能空間大5-10%左右。

正是因?yàn)閴毫εc流量的過剩作用使水流過速、熱交換溫差偏小，因此可以通過降低熱泵循環(huán)水的總供應(yīng)流量來實(shí)現(xiàn)向標(biāo)準(zhǔn)溫差參考值靠近，從而達(dá)到節(jié)約能量的目的。因此，在對實(shí)際運(yùn)行工況考察時(shí)，不能簡單的依據(jù)電機(jī)運(yùn)行電流的大小來判斷，若只簡單的從冷媒循環(huán)水系統(tǒng)的電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流來看，就會(huì)發(fā)生沒有多少節(jié)電空間的錯(cuò)誤判斷。所以，應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)數(shù)據(jù)做依據(jù)：如系統(tǒng)設(shè)備容量選型、不同季節(jié)、不同時(shí)間負(fù)荷變化等因素的影響，在實(shí)際投入運(yùn)行的中央空調(diào)系統(tǒng)基本上沒有與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)相一致的情況，大多數(shù)系統(tǒng)都存在著溫差偏小，揚(yáng)程過高，流量過大等現(xiàn)象，利用變頻調(diào)速技術(shù)，把系統(tǒng)多余的流量、揚(yáng)程節(jié)省下來，使系統(tǒng)工作在耗能最佳工況下（揚(yáng)程和流量均無多余的狀態(tài)下），從而達(dá)到既滿足系統(tǒng)需求又使能耗減至最少。

3.4冷卻塔風(fēng)機(jī)控制

冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析，原控制方式采用直接啟動(dòng)方式下的工頻全速運(yùn)行。兩臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)均在全速運(yùn)行，系統(tǒng)缺少有效的冷卻效果監(jiān)測，沒有充分利用自然冷卻狀態(tài)下節(jié)約電能的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致冷卻塔風(fēng)機(jī)處于兩種極端狀態(tài)；要么全速運(yùn)轉(zhuǎn)、或人工停止，尤其在春、秋、冬季，由于人工操作不能及時(shí)響應(yīng)冷卻塔出水溫度的變化而啟停風(fēng)機(jī)，造成因操作管理上帶來能量的極大浪費(fèi)。在改造時(shí)，對每套冷卻塔實(shí)施以進(jìn)水溫度35℃為風(fēng)機(jī)起始運(yùn)行點(diǎn)，以30℃為停止運(yùn)行點(diǎn)，在35℃-30℃溫度區(qū)間作為風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)依據(jù)，實(shí)行溫度PID變風(fēng)量調(diào)節(jié)。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測試，在變風(fēng)量控制方式下的能耗僅為工頻啟停控制方式的40%左右。況且變風(fēng)量控制完全規(guī)避了人工啟停工頻運(yùn)行方式下，因操作無實(shí)時(shí)性或管理不完善造成的能量浪費(fèi)。根據(jù)大量典型的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造案例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在成功的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造實(shí)現(xiàn)后，其冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能率均在40%以上，某些含有大容量冷卻塔蓄水池裝置的冷卻塔系統(tǒng)則可達(dá)到50%以上。

四、SVF-EV中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)特點(diǎn)

1、變頻器界面為雙LED顯示，監(jiān)控參數(shù)豐富；鍵盤布局簡潔、操作方便。

2、溫度/溫差傳感器為數(shù)字雙屏LED顯示，溫度參數(shù)設(shè)定方便，易于監(jiān)控。

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

4、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，延長設(shè)備壽命。

5、該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對溫度的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，室內(nèi)溫度變化平穩(wěn)，令舒適度大大提高。

目前，中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能結(jié)束改造工程項(xiàng)的市場分布不僅廣泛，而且數(shù)量眾多，這為進(jìn)行節(jié)能改造市場化應(yīng)用和推廣奠定基礎(chǔ)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，已投入運(yùn)行的中央空調(diào)系統(tǒng)中，至少有70%以上未進(jìn)行過節(jié)能改造，且具有很好的節(jié)能空間。將變頻技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)，對提升中央空調(diào)自動(dòng)化水平、降低能耗、減少對電網(wǎng)的沖擊、延長機(jī)械及管網(wǎng)的使用壽命，低壓節(jié)能控制系統(tǒng)都具有重要意義。