中央空調節能改造方案

                       

一、概述

在中央空調系統中，冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻風機的容量是根據建筑物最大設計熱負荷選定的，且留有一定的設計余量。一般中央空調控制系統中，水泵及風機一年四季都是在工頻狀態下全速運行，采用節流或回流的方式來調節流量或風量，產生大量的節流或回流損失，且對水泵或風機電機而言，由于它是在工頻下全速運行，因此造成了能量的大大浪費。

由于四季的變化，陰晴雨雪及白天與黑夜時，外界溫度不同，使得中央空調的熱負荷在絕大部分時間里遠比設計負荷低。也就是說，中央空調實際大部分時間運行在低負荷狀態下。據統計，67%的工程設計熱負荷值為94-165W/m2，而實際上83%的工程熱負荷只有58-93 W/m2，滿負荷運行時間每年不超過10-20小時。

實踐證明，在中央空調的循環系統（冷卻泵、冷凍泵及冷卻風機）中接入變頻系統，利用變頻技術改變電機轉速來調節流量和壓力的變化用來取代閥門控制流量，能取得明顯的節能效果。

二、中央空調系統工作原理

 1.1中央空調系統簡圖

1.2中央空調工作原理簡述

⑴、中央空調啟動后，冷凍單元工作，蒸發器吸收冷凍水中的熱量，使之溫度降低；同時，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，在各個房間由室內風機加速進行熱交換，帶走房間內的熱量使房間內的溫度降低后，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，由冷卻塔風機加速將冷卻水中的熱量散發到大氣中，使水溫降低后，流回冷卻水端。

⑷、冷凍機組工作一段時間后，達到設定溫度，由溫度傳感器檢測出來，并通過中間繼電器及接觸器控制冷凍機停止工作，溫度回升到一定值后又控制其運行。

三、中央空調存在的問題

3. 1 冷卻水系統的不足

從設計角度考慮,冷卻水泵電機的容量是按照最大換熱量(即環境氣溫最高,且所有場所的空調都開足) 的情況下,再取一定的安全系數來確定的。而通常情況下,由于季節和晝夜氣溫的變化以及開機數目的不足,實際換熱量遠小于設計值, 因此,電機容量遠大于實際負荷,出現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將冷凝器中的熱量帶走,以保證制冷機能正常工作。從節能的角度看,只要能保證制冷機能正常工作,冷卻水流量越小,所做的無用功就越少, 節能也就越明顯。根據流量公式: Q = SV ,過去由于交流電機的轉速不可調,只能通過調節節流閥, 改變管道截面積S 的方式來調節流量Q ,節流閥的存在對水流產生阻力,從而產生節流損耗,并且會引起機械振動和產生噪音。

3. 2 冷凍水系統的不足

冷凍水泵的作用是將經制冷機降溫的冷凍水通過輸送管道送到中央空調的各出風口處的風機盤管組件中,對環境起降溫作用,冷凍水的流量與冷凍水泵的轉速成正比,當冷凍水泵轉速高時,冷凍水的流量大,流速也快。因此,當冷凍水流過風機盤管組件時,還沒有充分的時間將所攜冷量全部釋放完,就又返回制冷機去了,因此冷凍水泵電機做了很多無用功,這些都是不必要的能耗。若能夠調節冷凍水泵電機的轉速,根據實際熱負荷的大小來調節冷凍水的流量(實際上是調節交換冷量的大小) 和流速,以便讓冷凍水在風機盤管組件中有充分的時間釋放與熱負荷大小相當的冷量,冷凍水泵電機的功耗可大大降低。

3. 3 冷卻風機系統的不足

  冷卻塔是冷凍機組的冷卻水最主要的熱交換設備之一，它主要靠冷卻塔風機對冷卻水降溫，由于冷卻塔的設備容量是根據在夏天最大熱負載的條件下選定的，也就是考慮到最惡劣的條件，然而在實際設備運行中，由于季節、氣候、工作負載的等效熱負載等諸多因素都決定了設備經常是處于在較低熱負載的情況下運行，所以設備的耗電常常是不必要的和浪費的。因此，使用變頻調速控制冷卻風扇的轉速，在夜間或在氣溫較低的季節氣候條件下，通過調節冷卻風扇的轉速和冷卻風扇的開啟臺數，節能效果就非常顯著。

四、節能改造原理

交流異步電動機的轉速公式為: n = 60f (1 - s)Pp?？梢?轉速與電源頻率近似成正比,即改變頻率可改變電機的轉速。風機、水泵類負載屬于平方轉矩負載,即轉矩T 與轉速n2 成正比,電機軸上的輸出功率W 與轉速n3 成正比。而電機的耗電量近似同電機軸上的輸出功率成正比,即電機的耗電量近似與轉速的三次方成正比。由此可見,當電機的轉速稍有下降時,電機的耗電量就會大幅度地下降。

過去由于電機轉速不可調,電機只能工作在開或停兩種狀態,即使當熱負荷很小的時候,也必須至少開一臺,電機軸上的輸出功率遠大于實際負荷的需要,從而造成不必要的能耗。若將電機的運行頻率由原來的50 Hz 下調到40 Hz 時,則電機的實際轉速大約降為額定轉速的80 % ,即n實際= 0. 8 n額定. 由于電機的額定功率為: W額定= Kn3額定,因此,電機運行在40 Hz 時的實際功率為: W實際= Kn3實際= K(0. 8 n額定) 3 = 0. 512 Kn3額定= 0. 512W額定節電率= (電機額定功率- 電機實際功率)P 電機額定功率= (W額定- W實際)PW額定= ( W額定- 0. 512 W額定)PW額定= 48. 8 %

由此可見,若風機和水泵的電機運行在40 Hz 時,理論上,電機實際軸上的輸出功率只有額定功率的一半左右,此時,理論上的節電率為48. 8 %, 節電效果相當顯著,經濟效益十分可觀。

五、變頻調速技術的中央空調循環系統

采用交流變頻調速技術后,由于電機可在很寬的范圍內平滑調速,可將所有節流閥開至最大,使管道暢通,這樣可以免去節流損耗。通過改變電機轉速改變冷卻水、冷凍水的流速,從而改變冷卻水、冷凍水的流量,使其達到滿足制冷機正常工作的要求,以及達到平衡熱負荷所需冷量的要求, 而此時由于不存在節流損耗以及電機轉速降低, 電機功率大幅度下降,從而達到節能的目的。采用變頻調速技術進行節能改造的關鍵在于可使電機轉速連續可調。過去由于交流電機轉速不可調,當開一臺泵不夠,而開兩臺泵又有余時, 只能開兩臺泵,這樣,多余的部分就是浪費的部分。而現在由于轉速連續可調,開一臺泵不夠時, 開第二臺泵可以根據實際需要的大小設定其轉速,從而節約了本來多余的那部分能量。因此,在這種系統中,任何時候只要求有一臺水泵電機處于可調狀態,就可以達到節能的目的。而且這種方式對系統中并聯運行的泵的臺數沒有任何限。這就是用PLC 控制器對變頻器進行切換控制的優越性所在。

在冷卻水系統、冷凍水系統和散熱水塔風機上分別采用變頻調速控制都可以達到節能的目的。在通常的中央空調系統中,往往有多臺冷卻水泵和冷凍水泵分別構成管路并聯的冷卻水循環系統和冷凍水循環系統。在此類系統中,只須在冷卻水和冷凍水系統中各采用一臺變頻調速器, 分別各用一臺PLC 控制器和切換控制器對一組冷卻泵電機和冷凍泵電機進行切換控制,使兩個系統都有一臺泵處于可調節狀態,這種控制方式在最大程度上節約了投資,達到用最少的投資取得最大回報的效果。

循環系統的控制原理和主電路如圖所示。

六、水循環系統工作原理

6. 1 　系統組成

系統主要由變頻器、可編程控制器PLC、切換控制器、機械聯鎖接觸器和水泵電機組成,水泵電機的個數可以是任意個。通過PLC 和切換控制器的控制,可使任一臺電機處于變頻工作狀態,從而實現在任何時候都有一臺電機處于容量可調狀態,而其余電機根據實際負載的需要,或是處于停機狀態,或是工作在工頻狀態。并且,這種組合可以是任意的,完全由PLC檢測運行溫度差通過PLC內部做PID運算來控制變頻及工頻自由組合。機械聯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串入變頻器的輸出端而設置的。否則,當三相交流電源串入變頻器的輸出端時,變頻器會被損壞。

6. 2 　工作原理

當熱負荷較小、只需一臺電機工作在低于工頻狀態就能滿足要求時,根據操作者的意愿,可通過PLC 控制器和切換控制器使任一臺電機工作在變頻狀態,且運行頻率可根據實際負荷的大小任意設定。

當熱負荷增大,開一臺電機不夠,而開兩臺電機又有余時, 由PLC檢測運行溫度差通過PLC內部做PID運算來控制變頻及工頻自由組合，PLC 發出起動另一臺電機的指令,PLC 控制器和切換控制器會自動地將原來工作在變頻狀態的電機的頻率從運行頻率提升至工頻50 Hz ,然后將它從變頻器上切除并直接掛接到工頻電源上,再將第二臺電機掛接到變頻器上,使第二臺電機實現平滑軟起動,運行頻率由操作者根據實際需要設定。

熱負荷進一步增大,上述切換控制過程不斷重復,直至所有電機全部投入。系統能提供的最大容量是全部電機均工作在工頻滿負荷狀態。

七、中央空調系統進行變頻改造的優點

變頻節能改造后除了可以節省大量的電能外還具有以下優點：

（1）、電機起動是軟起動，電流從OA到額定電流變化，減小了大電流對電機的沖擊；

（2）、電機軟起動轉速從0開始緩慢升速，可以有效減少水泵或風機的機械磨損；

（3）、變頻器是高性能的電力電子設備，具有較強的電機保護功能，能延長系統的各部件使用壽命；

（4）、使室溫維持恒定，讓人感到舒適；

（5）、經過改造后，可以使系統具有較高的可靠性，減少了環境噪音，減少了維修維護工作量。