中央空調節能系統的設計及工作原理

中央空調節能系統的設計及工作原理

1 引言

能源的利用情況標志著(zhù)一個(gè)國家科技進(jìn)步的水平。在我國大力推廣節能產(chǎn)品，禁止使用耗能過(guò)大的設備，提高能源的利用率，以縮短與世界先進(jìn)國家的差距，為中國的現代建設提供能源的保證。

在中央空調使用中，它的耗能量是很大的，約占整個(gè)供電部門(mén)供電量的4o％ 左右。

例如一家建筑面積為8萬(wàn)多平方米綜合性的大型醫院，有門(mén)診大樓1棟，住院大樓2棟，中央空調系統有800kW冷卻主機3臺，冷凍水泵機組有93kW電機4臺，冷卻水泵機組有93kW電機4臺，通過(guò)對冷凍水泵機組和冷卻水泵機組的變頻節能的改造使用11個(gè)月，節約電費41.5萬(wàn)元，為中央空調的節能，創(chuàng )造了有益的經(jīng)驗。

現將其系統組成、設計、實(shí)現方法作一介紹。

2 中央空調變頻節能的原理系統組成中央空調進(jìn)行變頻節能系統，需要硬件及軟件技術(shù)的組合，利用矢量控制手段將動(dòng)態(tài)過(guò)程相應補償，恒轉矩調壓、瞬流干擾負向抑制技術(shù)綜合使用。變頻調速技術(shù)產(chǎn)生的新產(chǎn)品，通過(guò)同步跟蹤，調壓、調相、調節頻率、瞬流抑制于一體，具有：

(1)恒轉矩的條件下調節控制電壓，限制電流，使電機負載處于最適當、最小、最省電力的電壓和電流運行狀態(tài)；

(2)矢量控制和模糊邏輯控制的優(yōu)化調頻技術(shù)，具有最先進(jìn)通用變頻器的全部功能；

(3)由微機采樣跟蹤，實(shí)現功率因數動(dòng)態(tài)補償；

(4)瞬流干擾抑制技術(shù)，過(guò)濾瞬流波動(dòng)減小其所造成的損失和干擾。

正是由于這些優(yōu)勢，使中央空調變頻節能有實(shí)施的理論依據和進(jìn)行控制的可行性。

其主要應考慮的因素有：

1)在中央空調設計時(shí)為保證在天氣溫度最高的情況下能滿(mǎn)足要求，所以按最大的負荷設計并有15％ 左右的富裕量，而平時(shí)使用時(shí)并不能達到滿(mǎn)負荷，所以存在較大的裕度，其中主機常?？梢愿鶕撦d變化自動(dòng)加載，卸載，而水泵的流量卻不能隨主機匹配調節，存在很大浪費；

2)系統的流量壓力必須靠截流閥和旁路閥調節來(lái)完成，因此不可避免存在較大截流損失和消耗大流量高壓力主機，以及低流量小溫差的現象。不僅大量浪費電能，而且還可能造成空調冷暖不適的情形，同時(shí)對系統設備帶來(lái)不利的影響；

3)電機起動(dòng)電流為額定值的5倍左右。電機在如此大的電流沖擊下，進(jìn)行頻繁的起停，對電機、接觸器觸點(diǎn)、空氣形狀觸點(diǎn)帶來(lái)電弧沖擊，同時(shí)也會(huì )給電網(wǎng)帶來(lái)一定的有害沖擊。同時(shí)起動(dòng)時(shí)帶來(lái)的機械沖擊和停止時(shí)的承重現象也會(huì )給機械傳動(dòng)、軸承、閥門(mén)等帶來(lái)疲勞損傷。

4)變頻技術(shù)在現代空調中的使用已成為必然趨勢，因此這不僅能有效改良現代空調系統的工藝不足，還能大幅降低能耗節省運行成本。因此，在中央空調系統中安裝變頻控制系統并設置閉環(huán)自動(dòng)調節，使節能效果更好。

3 中央空調變頻系統設計的依據,在我國的南方特別是深圳地區周?chē)?，每年空調開(kāi)的時(shí)間大約1o個(gè)月左右。

這樣一年之中，中央空調系統中的冷卻泵機組和冷凍水泵機組都在固定的大流量下工作。另外由于季節、晝夜和用戶(hù)負荷的變化，實(shí)際上空調負載在絕大部分時(shí)間內比設計負載低很多，如圖1和圖2所示。

可由建筑物的實(shí)測得到熱負載變化率的情況。這樣，就可以決定水泵流量和壓力的最大(100％)設計負載，這樣相比，一年中負載率在50%以下的時(shí)間占全部運行時(shí)間的50%以上，一般冷凍水設計溫差為5～7℃，冷卻水的設計溫差為4～6℃，在系統流量固定的情況下，全年絕大部分運行時(shí)間溫差僅為1～3℃，即在溫差低、流量大的情況下工作，增加了管路系統的能量損失，浪費了水泵運行的輸送能量。

一般空調水泵的耗電量占空調系統耗電的20～30％。因此，節約水泵在低負載時(shí)系統供水輸出能量具有很重要的意義，所以隨負荷而改變水流量的空調水泵系統就顯示出巨大的優(yōu)越性，而得到越來(lái)越廣泛的重視及應用。

采用變頻器調節泵的轉速可以很方便地調節水的流量其節能率通?？蛇_35%～50%左右。

例如水泵的運行特性

1)水泵的流量與轉速的一次方成正比：Q=N；

2)溫差△T與轉速一次方成反比，△T =l/n；

3)揚程H 與轉速二次方成正比，H=N2；

4)軸功率P與轉速的三次方成正比，P=N3；它們之間的關(guān)系如表1所示。

4 中央空調變頻系統的設計變頻系統只涉及冷凍水機組和冷卻水機組的變頻調節控制。

4．1 冷凍水系統它的水溫取決于蒸發(fā)器的設定值，回水溫度取決于蒸發(fā)器接收的熱量，中央空調冷凍水出的溫度與冷凍水的回水溫度設計最大溫差為5″C(出水為8″C，回水為13″C)?，F采用在蒸發(fā)器的出水管和回水管上裝有檢測溫度的變送器。再與PID溫度調節器、PLC和變頻器組成閉環(huán)控制系統，通過(guò)冷凍水的溫差來(lái)控制，使冷凍水泵機組的轉速相應于熱負載的變化而變化，當第一臺電機已達到工頻時(shí)，還達不到要求時(shí)就可起動(dòng)第二臺電機，工頻運行，然后調控第一臺電機。這樣不斷調整控制，使其達到最佳的效果。

4．2 冷卻水系統降低水的溫度取決于冷卻塔的工作狀態(tài)，我們只需控制高溫冷卻水的溫度(冷凝器出水口)即可控制溫差。

現采用溫度變送器，PID調節器，PLC變頻器組成的閉環(huán)控制系統，冷凝器出水溫度控制在T2，(例如38″C)，使冷卻水泵的轉速相應于熱負載的變化而變化。

同樣，當第一臺電機已達到工頻時(shí)，還達不到要求時(shí)，就可起動(dòng)第二臺電機實(shí)行工頻運行，然后調控第一臺電機，使之達最佳的狀態(tài)。

5 系統的特點(diǎn)及效果變頻節能系統由于采用閉環(huán)控制，電機按需要設定溫度，使設備容量隨時(shí)間季節變化，熱負荷通過(guò)轉速調節能在滿(mǎn)足要求的前提下最大限度的節能，并減少對電網(wǎng)的沖擊。由于本系統加入了各種保護措施，使安全可靠性大大提高。本系統進(jìn)行變頻節能改造后，一直穩定連續運行，累計運行了l1個(gè)月，其數據如表2。

以電機容量90 kW 為例，計算其變頻節能效益。

(1)冷凍水泵變頻節能效益實(shí)際耗電量5298×4=211920kW；

變頻后平均功率2l1920／5839=363 kW；

節電率(1-36.9/90)×lOO%=59.7%；

節約費用(90×5839—211920)×0.78=244660元

(2)冷卻水泵變頻節能效益實(shí)際耗電量3452×40=138080kWh；

變頻后平均功率138080／3968=34.8kW；

節電率(1—34.8／90)×100％ =61.3％，

節約費用(90×3968—138080)×0.78=170851元

兩項節約費用共計415．511元。由此可見(jiàn)，采用此系統為用戶(hù)節約了成本，提高了效益，取得較好的社會(huì )收益。

6 結論本文分析了所設計的中央空調節能系統的原理，設計方法和經(jīng)濟效益。由于此系統節能效果顯著(zhù)，不少酒店大廈中央空調的物業(yè)管理部門(mén)都十分關(guān)注，并不斷的加入節能的改造行列，所以前景十分好。因此會(huì )產(chǎn)生較大的影響，為節能做出貢獻。

7 參考文獻

1 顏全生，等．智能供水系統的設計與實(shí)現．電力系統及其自動(dòng)化學(xué)報，2002，14(3)：60～62

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3 三菱變頻調速器使用手冊FR—A500 IB(NA)66851-C(0005)ROD AL808系列．1991

4 智能型數字調節器使用說(shuō)明書(shū)．2001

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