普通中央空調(diào)水泵變頻改造節(jié)能方案

在中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水泵和冷卻水泵的容量是根據(jù)建筑物大設(shè)計熱負荷選定的，且留有一 定的設(shè)計余量。在沒有使用調(diào)速的系統(tǒng)中，水泵一年四季在工頻狀態(tài)下全速運行，只好采用節(jié)流或回流的方式來調(diào)節(jié)流量，產(chǎn)生大量的節(jié)流或回流損失，且對水泵電機而言，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(diào)的熱負荷在絕大部分時間里遠比設(shè)計負荷低。也就是說，中央空調(diào)實際大部分時間運行在低負荷狀態(tài)下。據(jù)統(tǒng)計，67%的工程設(shè)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(diào)的循環(huán)系統(tǒng)(冷卻泵和冷凍泵)中接入變頻系統(tǒng)，利用變頻技術(shù)改變電機轉(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。

一、普通中央空調(diào)工作系統(tǒng)
1、工作簡述
⑴、中央空調(diào)啟動后，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，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(nèi)風(fēng)機加速進行熱交換，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、冷凍機組工作一段時間后，達到設(shè)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。

二、普通中央空調(diào)存在的問題
1、冷凍水，冷卻水循環(huán)泵不能根據(jù)實際需求來調(diào)整循環(huán)量，電機工作效率低下，造成大量電力浪費，并加速機組磨損；
2、 其控制接觸器等電器動作頻繁，導(dǎo)致使用壽命短，維修量大；而對于大容量系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制線路復(fù)雜，可靠性差，需專人負責(zé)；
3、 整個系統(tǒng)運行噪音大、控制性能差、耗電量大、使用壽命短;在維護管理，檢修調(diào)整方面工作量大，維護費用高。

三、節(jié)能原理
　　由流體傳輸設(shè)備水泵、風(fēng)機的工作原理可知：水泵、風(fēng)機的流量（風(fēng)量）與其轉(zhuǎn)速成正比；水泵、風(fēng)機的壓力（揚程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，而水泵、風(fēng)機的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風(fēng)機的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）根據(jù)上述原理可知：降低水泵、風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，水泵、風(fēng)機的功率可以下降得更多。例如:將供電頻率由50Hz降為45Hz，則P45/P50=(45/50)3=0.729，即P45=0.729P50（P為電機軸功率）；將供電頻率由50Hz降為40Hz，則P40/P50=(40/50)3=0.512，即P40=0.512P50（P為電機軸功率）。

由以上內(nèi)容可以看出，用變頻器進行流量（風(fēng)量）控制時，可節(jié)約大量電能。中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計時是按現(xiàn)場 大冷量需求量來考慮的，其冷卻泵，冷凍泵按單臺設(shè)備的 大工況來考慮的，在實際使用中有90%多的時間，冷卻泵、冷凍泵都工作在非滿載狀態(tài)下。而用閥門、自動閥調(diào)節(jié)不僅增大了系統(tǒng)節(jié)流損失，而且由于對空調(diào)的調(diào)節(jié)是階段性的，造成整個空調(diào)系統(tǒng)工作在波動狀態(tài)；而通過在冷卻泵、冷凍泵上加裝變頻器則可一勞永逸地解決該問題，還可實現(xiàn)自動控制，并
可通過變頻節(jié)能收回投資。同時變頻器的軟啟動功能及平滑調(diào)速的特點可實現(xiàn)對系統(tǒng)的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，并延長機組及網(wǎng)管的使用壽命。
　　因此，隨熱負荷而改變水量的變流量空調(diào)水系統(tǒng)顯示了巨大的優(yōu)越性，因而得到越來越廣泛的應(yīng)用，采用SPWM變頻器調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，可以方便地調(diào)節(jié)水的流量，根據(jù)負荷變化的反饋信號經(jīng)PID調(diào)節(jié)與變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使泵的轉(zhuǎn)速隨負荷變化，這樣就可以實現(xiàn)節(jié)能，其節(jié)能率通常都在20%以上。改造的節(jié)電率與用戶的使用情況密切相關(guān)，一般情況下，春、秋兩季運行節(jié)電率較高，可達40%以上，夏季由于用戶本身需要的電能就大，可節(jié)省的空間有限，一般在20%左右。
四、節(jié)能方案

1、整體說明
　　貴司中央空調(diào)系統(tǒng)目前有3臺55KW冷卻泵，3臺45KW冷凍泵。我們可對冷卻系統(tǒng)和冷凍系統(tǒng)進行節(jié)能改造。
　　中央空調(diào)實際運行時，冷卻系統(tǒng)和冷凍系統(tǒng)的進、出水溫差（△T）約為2oC，根據(jù)：
　　冷凍水、冷卻水帶走的熱量（r）= 流量(Q)×溫差（△T）
　　我們可以適當(dāng)提高溫差（△T），降低流量(Q)，即降低轉(zhuǎn)速，即可達到節(jié)能的目的。
分析：采用變頻器配合可編程控制器組成控制單元，其中冷卻水泵，冷凍水泵均采用溫度自動閉環(huán)調(diào)節(jié)即用溫度傳感器對冷卻水、冷凍水的水溫進行采樣，并轉(zhuǎn)換成電信號（一般為4—20mA，0—10V等）后送至 PLC ,PLC 將該信號與設(shè)定值進行比較運算后決定變頻器輸出頻率，以達到改變冷凍水泵、冷卻水泵轉(zhuǎn)速從而達到節(jié)能目的。冷卻塔風(fēng)機變頻驅(qū)動：可編程控制器根據(jù)回水溫度信號控制變頻器驅(qū)動風(fēng)機，使風(fēng)機工作在經(jīng)濟狀態(tài)而節(jié)約大量電能。

中央空調(diào)系統(tǒng)變頻改造的原理示意圖如下：
　 　
其中冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，回水與出水溫度之差，反應(yīng)了需要進行交換的熱量；根據(jù)回水和出水溫度之差，通過控制循環(huán)水的速度來控制熱交換的速度，在滿足系統(tǒng)冷卻需要的前提下，達到節(jié)電的目的。溫差大說明冷凍機組產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大循環(huán)速度，加速冷卻水的降溫；溫差小，說明冷凍機組產(chǎn)生的熱量小，可降低冷卻泵的循環(huán)速度，以節(jié)約電能。采用變頻調(diào)速器驅(qū)動，兩臺冷卻泵互為備用，可編程控制器（PLC）根據(jù)傳感器檢測到的溫差信號，同設(shè)定溫差比較后控制變頻器驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。（PLC）先控制變頻器軟啟動電動機M1，當(dāng)M1到達額定轉(zhuǎn)速時，仍未達到設(shè)定溫差值時，（PLC）控制M1切換到工頻電網(wǎng)運行，然后再啟動M2，經(jīng)控制變頻器調(diào)節(jié)電機M2運轉(zhuǎn)，從而控制冷卻水的循環(huán)速度；當(dāng)電機M2工作在下限轉(zhuǎn)速值時，如果檢測值大于設(shè)定值，（PLC）控制電機M1停機，同時控制變頻器調(diào)節(jié)電機M2轉(zhuǎn)速從而達到設(shè)定要求。
在冷凍循環(huán)系統(tǒng)中，由于出水溫度比較穩(wěn)定，因此僅回水溫度就足以反應(yīng)了房間的溫度，所以PLC可根據(jù)回水溫度進行控制?；厮疁囟雀?，說明房間溫度高，應(yīng)提高冷凍泵轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)；反之回水溫度低說明房間溫度低，可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度，以節(jié)約能源（其控制過程同冷卻泵循環(huán)系統(tǒng)類似）

2、冷凍水系統(tǒng)控制（冷凍泵3個，單臺45KW,4極異步電機）
　　對于冷凍水系統(tǒng)，由于低溫冷凍水溫度取決于蒸發(fā)器的運行參數(shù)，只需控制高溫冷凍水（回水）的溫度，即可控制溫差，現(xiàn)采用溫度傳感器、PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使冷凍水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負載的變化而變化。即不同的季節(jié)、不同的空調(diào)點負荷的多少要求循環(huán)水的流量和壓力不同，夏天或空調(diào)點較多時要求流量與壓力較高，而冬天或空調(diào)點較少時要求流量與壓力較低，因此設(shè)計變頻控制系統(tǒng)使供水系統(tǒng)滿足佳流量與壓力，達到節(jié)能的目的。因空調(diào)設(shè)計時常對循環(huán)水系統(tǒng)考慮較多的滿負荷余量，所以變頻改造后可以節(jié)省大量的電能，節(jié)電效果非常理想。

3、冷卻水系統(tǒng)控制（冷卻泵2個，單臺55KW，4極異步電機）
　　對于冷卻水系統(tǒng)，取冷凝器兩側(cè)冷卻水的溫度作為控制參數(shù)，采用溫度傳感器、PID溫差調(diào)節(jié)器和變頻器及冷卻水泵組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，冷卻水溫差控制在△T2（例如：5℃），使冷卻水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負載的變化而變化，而冷卻水的溫差保持在設(shè)定值不變，使系統(tǒng)在滿足主機工況不變條件下，冷卻水泵系統(tǒng)節(jié)能大。即冷卻水依靠冷卻泵給至冷卻塔，不同的內(nèi)部熱交換程度要求冷卻水循環(huán)的流量不同，因在空調(diào)設(shè)計時會考慮足夠多熱交換的余量，所以在冬春季節(jié)及空調(diào)點負荷少時會有大量能源浪費，采用變頻恒壓控制設(shè)備對循環(huán)水系統(tǒng)進行控制，可節(jié)省大量的電能，節(jié)電率達30%以上
4、控制方式
　　本方案在保留原工頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝變頻控制系統(tǒng)，與原工頻系統(tǒng)之間僅設(shè)置連鎖以確保系統(tǒng)工作安全。同時要求2臺冷卻泵循環(huán)使用。
圖4：工頻/變頻切換簡圖

五、節(jié)能效果分析
　　風(fēng)機水泵的變頻調(diào)速可達到理想的節(jié)能效果。下面舉例說明采用變頻調(diào)速后系統(tǒng)的節(jié)能效果：
假設(shè)中央空調(diào)的冷凍水泵功率PN=100KW，全速時供水量為QN,每天的平均流量為80%QN，泵的空載損耗約為15%PN，則消耗功率為
　　　P=（100-100*15%）*0.8*0.8*0.8+100*15%=58.52KW
節(jié)電率為　 (100-58.52)/100=42.48%
即使每天的平均流量為90%QN，則消耗功率為
　　　P=（100-100*15%）*0.9*0.9*0.9+100*15%=76.97KW
節(jié)電率為　 (100-76.97)/100=23.03%
實踐證明，改造后系統(tǒng)節(jié)電率一般可達到20%-40%以上。

六、系統(tǒng)選擇
1、 器件選型
　　從性價比的角度出發(fā)，主要器件變頻器和溫度傳感器選用進口名牌部件國內(nèi)組裝的產(chǎn)品。低壓電器部份選用進口產(chǎn)品。
　　變頻器選用易驅(qū)變頻器ED2003-FP系列產(chǎn)品，因水泵負載不重，按1：1的比例配置即可。溫度傳感器選用管道式溫度變送器。
　
主要裝置 ：變頻器 水溫傳感器 、主斷路器 交流接觸器 、熱過載繼電器 電氣柜、指示燈/轉(zhuǎn)換開關(guān)/按鈕 交流電壓表、交流電流表、互感器、數(shù)碼LED顯示器 高穩(wěn)定度開關(guān)電源、控制電源濾波器 、可選裝置（控制系統(tǒng)可編程控制器； A/D、D/A擴展功能模塊）。
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七、中央空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)變頻改造后的性能
　
?。?/span>1）采用變頻器閉環(huán)控制，可按需要進行軟件組態(tài)并設(shè)定溫度進行PID調(diào)節(jié)，使電機輸出功率隨熱負載的變化而變化，在滿足使用要求的前提下達到 大限度的節(jié)能。
　（2）由于降速運行和軟啟運，減少了振動、噪音和磨損，延長了設(shè)備維修周期和使用壽命，減少了維修維護工作量，并減少了對電網(wǎng)沖擊，提高了系統(tǒng)的可靠性。
?。?/span>3）系統(tǒng)具有各種保護措施，使系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)率和安全可靠性大大提高。
?。?/span>4）變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)與原工頻控制系統(tǒng)互為互鎖，不影響原系統(tǒng)的運行，且在變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)檢修或故障時，原工頻控制系統(tǒng)照樣可以正常運行。