中央空調系統節能方案及原理

中央空調系統的工作過(guò)程是一個(gè)不斷地進(jìn)行熱交換的能量轉換過(guò)程。冷卻水和冷卻水循環(huán)系統是能量的主要傳遞者。因此，對冷凍水和冷卻水循環(huán)系統的控制便是中央空調控制系統的重要組成部分，也是節能改造的對象。

　　中央空調是現代大廈物業(yè)、賓館、商場(chǎng)不可缺少的設施，由于中央空調功率大，耗能大，加上設計上存在“大馬拉小車(chē)”的現象，支付中央空調所用電費是用戶(hù)一項巨大的開(kāi)支。貴酒店的制冷系統保持整棟大廈內恒溫。因為季節的變化，晝夜的變化，還有賓館酒樓客人入住率的變化以及娛樂(lè )場(chǎng)所開(kāi)放時(shí)間的變化，這樣該系統制冷量具有很明顯的需求變化，加之工藝設計上電機功率設計有相當的富裕量。所以加變頻節能改造是十分必要和有明顯節電效果的。隨著(zhù)變頻技術(shù)的成熟和發(fā)展，“一天的電費用兩天的電”不再是天方夜譚。對中央空調進(jìn)行節能改造是降本增效的一條捷徑。

　　■ 節能改造的對象

　　中央空調系統的工作過(guò)程是一個(gè)不斷地進(jìn)行熱交換的能量轉換過(guò)程。冷卻水和冷卻水循環(huán)系統是能量的主要傳遞者。因此，對冷凍水和冷卻水循環(huán)系統的控制便是中央空調控制系統的重要組成部分，也是節能改造的對象。

　　1、冷凍水循環(huán)系統

　　由冷凍泵及冷凍水管道組成。從冷凍主機流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，通過(guò)各房間的盤(pán)管，帶走房間內的熱量，使房間內的溫度下降，同時(shí)，房間內的熱量被冷凍水吸收，使冷凍水的溫度升高。溫度升高了的循環(huán)水經(jīng)冷凍主機后又成為冷凍水，如此循環(huán)不已。

　　從冷凍主機流出，進(jìn)入房間的冷凍水簡(jiǎn)稱(chēng)為“出水”，流經(jīng)所有房間后回到冷凍主機的冷凍水簡(jiǎn)稱(chēng)為“回水”。無(wú)疑回水的溫度將高于出水的溫度形成溫差。

　　2、冷卻水循環(huán)系統

　　冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍主機在進(jìn)行熱交換、使水溫冷卻的同時(shí)，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(jìn)行熱交換。然后再將降溫了的冷卻水，送回到冷凍機組。如此不斷循環(huán)，帶走了冷凍主機釋放的熱量。

　　流進(jìn)冷凍主機的冷卻水簡(jiǎn)稱(chēng)為“進(jìn)水”，從冷凍主機流回冷卻塔的冷卻水簡(jiǎn)稱(chēng)為“回水”。同樣，回水的溫度將高于進(jìn)水的溫度形成溫差。

　　■ 節能原理

　　1、變頻調速節能

　　冷凍水泵和冷卻水泵都是傳送流體的裝置，這類(lèi)負載消耗的能量與流量的立方成正比，推算可得到能量消耗與轉速的關(guān)系，具體的關(guān)系表達式：

　　即 Q=K1n; H=K2n2; P=Q×H=K1K2n2=K3n3

　　式中，K為常數，n為電機的轉速。

　　又，三相交流異步感應電機的轉速通常設在n=120×f×(1-s)/p;式中f為供電頻率，s為滑差率，p為電機極數。

　　電機一旦選定后，S、P基本確定，則n可近似為n=k0f,即與供電頻率成線(xiàn)性正比關(guān)系。

　　則，當頻率為50Hz時(shí)，n=k0×50轉/分，功率P1=K(k0×50)3;當頻率為45Hz時(shí)，n=k0×45轉/分，功率P2=K(k0×45)3。

　　P2/P1=K(k0×45)3/K(k0×50)3×100%=72.9%，由此可見(jiàn)，當電源頻率從50Hz降為45Hz時(shí)，就可節約電能達27.1%。

　　當用閥的開(kāi)度來(lái)控制水量的大小時(shí)，管阻檔板阻曲線(xiàn)與功率P變化(如圖1)。由曲線(xiàn)1到曲線(xiàn)2，水量減少了，而功率卻沒(méi)有減少多少。而通過(guò)改變轉速n來(lái)調節流量情況就不同了(如圖2)。

　　調節轉速時(shí)H-Q曲線(xiàn)由曲線(xiàn)1到曲線(xiàn)2，閥的開(kāi)度100%時(shí)，管阻曲線(xiàn)不變，功率節省了很多。節省量，其中n1為調節前的轉速，其中n2為調節后的轉速。

　　上述推算，可得到一個(gè)定性的概念。也就是說(shuō)，對于一個(gè)傳統的空調系統，由于空調設備均按設計工程選配，絕大多數時(shí)間設備均在低負荷情況下運轉，這樣無(wú)用功耗掉很大一部分能量。如果改由節能器進(jìn)行變速驅動(dòng)，可能此時(shí)電機只需以5Hz的速度運轉就能滿(mǎn)足對整個(gè)系統溫度控制要求。根據上面的理論推算可知，實(shí)際節能就可高達27.1%。

　　2、軟啟動(dòng)節能

　　由于電機全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，空載啟動(dòng)電流等于(3～7)倍于額定電流，因此通常在帶載電機啟動(dòng)時(shí)，會(huì )對電機和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，導致對電網(wǎng)容量要求過(guò)高，而且啟動(dòng)時(shí)對設備產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)對設備極為不利;而啟、停時(shí)，大錘效應極易造成管道破裂，采用節能的軟啟動(dòng)功能將會(huì )使啟動(dòng)電流遠遠低于額定電流實(shí)現電機真正意義上的軟啟動(dòng)。不但減少了對電網(wǎng)和管網(wǎng)的沖擊，且能延長(cháng)設備使用壽命，減少設備維修費用。page

　　■ 冷卻水循環(huán)系統節能方案

　　1、節能控制的主要依據

　　冷卻水的進(jìn)水溫度也就是冷卻水塔內水的溫度，它取決于環(huán)境溫度和冷卻風(fēng)的工作情況;回水溫度主要取決于冷凍主機的發(fā)熱情況，但還和進(jìn)水溫度有關(guān)。

　　(1)溫度控制

　　在進(jìn)行控制時(shí)，有兩個(gè)基本情況：如果回水溫度太高，將影響冷凍主機的冷卻效果，為了保護冷凍主機，當回水的溫度超過(guò)一定值后，必須進(jìn)行保護性跳閘。一般情況下，回水溫度不得超過(guò)33℃。因此，根據回水溫度來(lái)決定冷卻水的流量是可取的。即使進(jìn)水和回水的溫度很低，也不允許冷卻水斷流。因此，在設置節能器參數時(shí)，需預置一個(gè)下限頻率。

　　綜合起來(lái)，即是：當回水溫度較低時(shí)，冷卻泵以下限轉速運行;當回水溫度較高時(shí)，冷卻泵的轉速也逐漸升高，而當回水溫度升高到某一設定值(如32℃)時(shí)，應該采取進(jìn)一步措施;或增加冷卻泵的運行臺數，或增加水塔冷卻風(fēng)機的運行臺數。

　　(2)溫差控制

　　溫差量能反映冷凍主機的發(fā)熱情況、體現冷卻效果的是回水溫度T0與進(jìn)水Ti之間的“溫差”△t,因為溫差的大小反映了冷卻水從冷凍主機帶走的熱量，所以，把溫差△t作為控制的主要依據，通過(guò)變頻調速實(shí)現溫差控制是可取的。即：溫差大，說(shuō)明主機產(chǎn)生的熱量多，應提高冷卻泵的轉速、加快冷卻水的循環(huán)，反之，溫差小，說(shuō)明主機產(chǎn)生的熱量少，可以適當降低冷卻泵的轉速、減緩冷卻水的循環(huán)。

　　實(shí)際運行表明，把溫差值控制在3～5℃的范圍內是比較適宜的。

　　溫差與進(jìn)水溫度的綜合控制

　　由于進(jìn)水溫度是隨環(huán)境溫度而改變的，因此，把溫差恒定為某值并非上策。因為，當我們采用節能器時(shí)，所考慮的不僅僅是冷卻效果，還必須考慮節能效果。具體地說(shuō)，則：溫差值定低了，水泵的平均轉速上升，影響節能效果;溫差值定高了，在進(jìn)水溫度偏高時(shí)，又會(huì )影響冷卻效果。實(shí)踐表明，根據進(jìn)水溫度來(lái)隨時(shí)調整溫差的大小是可取的。即：進(jìn)水溫度低時(shí)，應主要著(zhù)眼于節能效果，控制溫差可是當地高一點(diǎn);而在進(jìn)水溫度高時(shí)，則必須保證冷卻效果，控制溫差應低一些。

　　(3)控制方案

　　根據以上介紹的情況，考慮到節能和制冷的綜合效果，節能器將利用溫差控制為主，回水溫度控制為輔來(lái)控制冷卻水系統。根據具體情況，用一臺節能器控制一臺電機或一臺節能器切換控制二臺互為備用電機，具體方式是:用傳感器采集冷卻水進(jìn)水和出水溫度，PID將溫差量變?yōu)槟M量反饋給中央處理器，然后由中央處理器控制節能器輸出為設定的低頻值，電機轉速減慢，水流量減少;當溫度較高時(shí)，冷凍機組有更多的熱量需要帶走，這時(shí)中央處理器使節能器輸出為設定的較高頻率值，電機轉速加快，水流量增加，帶走更多的熱量。如果冷卻水的回水溫度超過(guò)32℃時(shí)(可以根據實(shí)際情況設定)，節能器優(yōu)先以較高頻運行。這樣能夠根據系統實(shí)時(shí)需要，提供合適的流量，不會(huì )造成電能浪費。page

　　■ 冷凍水循環(huán)系統節能方案

　　1、節能控制的主要依據

　　在冷凍水系統的節能方案中，提出的控制依據主要有兩種：

　　(1)壓差控制

　　即以出水壓力和回水壓力之間的壓差作為控制依據，基本考慮是使最高樓層的冷凍水能夠保持足夠的壓力。但這種方案沒(méi)有把環(huán)境溫度變化的因素考慮進(jìn)去，就是說(shuō)，冷凍水所帶走的熱量與房間溫度無(wú)關(guān)，這明顯地不大合理。

　　(2)溫度或溫差控制

　　嚴格地說(shuō)，冷凍主機的回水溫度和出水溫度之差表明了冷凍水從房間帶走的熱量，應該作為控制依據。但由于冷凍主機得出水溫度一般較為穩定，故實(shí)際上，只需根據回水溫度進(jìn)行控制就可以了。

　　為了確保最高樓層具有足夠的壓力，在回水管上接一個(gè)壓力表，如果回水壓力低于規定值，電動(dòng)機的轉速將不再下降。

　　2、控制方案

　　綜合上述分析，可以改進(jìn)的控制方案有兩種：

　　(1)壓差為主溫度為輔的控制

　　以壓差信號為反饋信號，進(jìn)行恒壓差控制。而以回水溫度信號作為目標信號，使壓差的目標值可以在一定范圍內根據回水溫度進(jìn)行適當調整。就是說(shuō)，當房間溫度較低時(shí)，使壓差的目標值適當下降一些，減小冷凍泵的平均轉速，提高節能效果。這樣一來(lái)，既考慮到了環(huán)境溫度的因素，又改善了節能效果。

　　(2)溫度(差)為主壓差為輔的控制

　　以溫度(或溫差)信號為反饋信號，進(jìn)行恒溫度(差)控制，而以壓差信號作為目標信號。就是說(shuō)，當壓差偏高時(shí)，說(shuō)明負荷較重，應適當提高目標信號，增加冷凍泵的平均轉速，確保最高樓層具有足夠的壓力。

　　根據大廈的空調系統、樓層高度，對于冷凍水系統我們采用全閉環(huán)溫度控制。根據具體情況，用一臺節能器控制一臺冷凍電機或一臺節能器切換控制二臺互為備用冷凍電機。具體方法是：在保證冷凍機組冷凍水流量所需前提下，確定一個(gè)冷凍泵節能器工作的最小工作頻率，可將其設定為下限頻率。水泵電機頻率調節是通過(guò)安裝在系統管道上溫度傳感器測回水溫度。溫控器將其與設定值進(jìn)行比較。當冷凍回水溫度大于設定值時(shí)，節能器輸出上限頻率，水泵電機高速運轉;當冷凍回水溫度小于設定溫度時(shí)電機以設定的頻率曲線(xiàn)工作。

　　■ 溫度信號的轉換

　　一般來(lái)說(shuō)，由于溫度較低，變化范圍也不大，故溫度傳感器以鉑電阻(Pt100)為宜，信號轉換我們直接采用AL808溫差PID，不但將溫度信號轉換0～10V的標準模擬量信號，而且可以顯示回水溫度、進(jìn)水溫度、溫差值使用起來(lái)很方便。

　　■ 節能改造后對循環(huán)水的水溫及主機制冷功率的影響

　　因為冷凍水回水溫度及冷卻水溫差都是預先設定好的，在室內和外界熱負荷發(fā)生變化的情況下，溫度PID控制器會(huì )自動(dòng)調節電機轉速，以維持設定的溫度/溫差不變。

　　通常，節電運行時(shí)的水流量沒(méi)有市電運行時(shí)的大，循環(huán)速度降低，所以水溫會(huì )有所上升，但這不意味著(zhù)主機的制冷功率一定會(huì )上升。

　　因為在熱負荷降低的情況下，熱交換量減少，市電運行時(shí)的循環(huán)水流量始終維持不變，才使得的水溫較低，這樣必然會(huì )使室內溫度比需要的低，實(shí)際上是白白浪費很多制冷功率。而節電運行時(shí)，因為PID調節器可以根據設定值自動(dòng)調節電機轉速，不論熱負荷怎樣變化，室內的設定溫度始終維持恒定，這樣就會(huì )節約因外界熱負荷變化而無(wú)端消耗的制冷功率。而且通過(guò)適當的節能器參數設定，電機轉速只會(huì )在一定頻率上變化，這樣就不會(huì )使循環(huán)水溫升溫過(guò)高。同時(shí)，由于制冷量的減少，從而使得主機的能耗也隨之而減少。

　　■ 節能改造后中央空調的性能

　　1、采用閉環(huán)控制，可按需要進(jìn)行軟件組態(tài)并設定溫度進(jìn)行PID調節，使電機輸出功率隨熱負載的變化而變化，在滿(mǎn)足使用要求的前提下達到最大限度的節能。

　　2、由于降速運行和軟啟動(dòng)，減少了振動(dòng)、噪音和磨損，延長(cháng)了設備維修周期和使用壽命，提高了設備的MTBF(平均故障維修時(shí)間)值，并減少了對電網(wǎng)沖擊，提高了系統的可靠性。

　　3、節能器控制系統具有各種保護措施，使系統的運轉率和安全可靠性大大提高。

　　4、節能器控制系統與原控制系統互為互鎖，不影響原系統的運行，且在節能器控制系統檢修或故障時(shí)，原控制系統照樣可以正常運行。

　　5、節能器全自動(dòng)控制，運行頻率由PID自動(dòng)給定，無(wú)需人工調節，提高了自動(dòng)化水平，運行安全可靠。

瑞澤能源是一家專(zhuān)注節能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的高新技術(shù)企業(yè)，擁有自主知識產(chǎn)權的“5S”流體輸送系統高效節能技術(shù)、電能質(zhì)量?jì)?yōu)化節電技術(shù)、循環(huán)水零排放技術(shù)，在水泵節能、風(fēng)機節能、空壓機系統節能、供水系統節能、循環(huán)水系統節能、中央空調系統節能、電機系統節能、配電系統節能和循環(huán)水水處理等領(lǐng)域得到廣泛應用，公司依托三元流技術(shù)設計的三元流葉輪，用于水泵、風(fēng)機、離心式空壓機的節能改造，技術(shù)應用可靠，業(yè)績(jì)優(yōu)良。