中央空调系统的变频改造3.doc

中央空调系统的变频改造中央空调系统已广泛应用于工业与民用领域。在我国目前能源相对不足的情况下，节约能源显得尤为重要。寻找一种节能效果明显、性能稳定可靠的控制系统成为当务之急。最佳方法就是采用变频调速技术。由于中央空调主要是由风机和水泵组成，采用变频调速技术不仅能使车间、办公场所、商场等室温维持在所期望的状态，让产品品质得到保证，让人感到舒适满意，更重要的是其节能效果高30%以上，能带来良好的经济效益。一、中央空调系统的构成及工作原理它主要由制冷机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和散热水塔组成。其工作原理如图一所示：图一、中央空调系统制冷原理图制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻水泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中，由风机吹送冷风达到降温的目的。经蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量，与冷却循环水进行热交换，由冷却水泵将带来热量的冷却水泵到散热水塔上由水塔风扇对其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气中去。二、对中央空调的变频调速节能改造1、系统组成Minoor变频改造方案对中央空调系统进行改造，可以组成如下系统，如图二所示：图二、中央空调系统变频改造图在该系统中，控制冷冻泵、冷却泵、水塔风扇变频器可以采用开环控制，由维护人员根据季节不同和负荷的变化进行调节，也可以采用闭环控制，可根据传感器的反馈值（如压力，流量，风量等），自动改变泵的转速，从而达到流量、风量的按需供给；控制管盘风机的变频器采用温度闭环控制，可根据温度传感器的反馈值，自动改变风机的转速，从而使被控环境温度基本保持恒定。其原理图如图三所示：图三、温度闭环控制原理图Minoor中央空调系统变频改造方案所选用的变频器适用于风机和水泵的控制，能根据负载情况，自动实现节能运行。并且其内置PID功能，无需借助其它控制器便可完成温度等参量的闭环自动控制，还提供了RS232/RS485串行接口，以便与中央控制室的微机联网，实现集中监控，使维护人员及时了解各变频器的工作状态。三、综合效益预测1、显著的节电效果，良好的经济效益2、温度维持恒定，产品质量得到保证，人感到舒适3、操作方便，维护量小4、变频调速使电机大多数时间运行在工频之下，减少了环境噪音，并减轻了电机轴承磨损5、电机直接启动时，启动电流为额定电流的46倍，而变频调速后启动电流小于额定电流的2倍，从而大大改善了电机的启动性能，减少了启动电流对电网的冲击，并延长了电机的使用寿命。节能分析：一、风机、 水泵变频调速节能原理目前为了控制空调系统的温度、通风系统的风量往往采用一些简单的方法，如通过挡板来调节风量，用阀门来调节流量等，但这些方法不仅达不到很好的调节效果，而且大量的电能被挡板和阀门白白浪费。据统计，目前使用的风机、水泵大约有25%的能量是无谓消耗。下面我们分析采用变频调速为什麽有显著的节能效果。简单说来，风机、水泵的流量与转速一次方成正比，压力与转速二次方成正比，轴功率与转速三次方成正比，即Q1/Q2 n1/n2 （ 1）H1/H2 （n1/n2）2 （ 2）P1/P2 （n1/n2）3 （ 3）式中，Q为风机、水泵流量；H为压力；P为轴功率。如图四所示：图四、风机水泵节能图在图中，曲线为管网阻力特性，曲线为恒速下的流量与压力关系曲线，假如风机、水泵工作在A点时效率最高，输出流量为100%，此时，轴功率P1与Q1 、H1乘积，即图四中面积AQ10H1A成正比，根据调节需要，流量要从Q1降到Q2时，如果调节 风门或挡板，相当于增加管网阻力，此时流量下降，压力反而上升，轴功率与CQ2OH3C成正比，从图中可以看出，轴功率显然减少不多，如果采用调速方法，风机、水泵转速由n1降到n2，从图中可见，在满足同样流量Q2的情况下，压力也下降到H2，此时轴功率与面积BQ20H2B成正比，由图四可以看出，通过调整风机、水泵转速降低流量，较之通过调节风门、挡板降低流量，具有显著的节能效果。以上定性地叙述了节电原理，下面通过一个节电率指标N%来定量地描述节电的效果，见下表：举例说明，若将电机的运行频率由原来的50Hz下调到35Hz时，则电机的实际转速降为额定转速的70%，即n实际=0.7n额定。由于电机的额定功率为：W额定=Kn3额定。因此，电机运行在35Hz时实际功率为：由此可见，若风机和水泵的电机运行在35Hz时，理论上的节电率可达66%，节电效果相当显著，经济效益十分可观。二、系统改造实例某某中央空调现场共有4台冷却泵，电机均为75KW，正常情况下开12台泵，3号、4号冷却泵使用变频器，1号、2号泵为工频备用，当变频器需检修时1、2号泵运行，从而保证系统运行可靠性。变频器由上位计算机监控其运行状态。下表为变频改造前后一台冷却泵数据对照表：以冷却泵一年使用9个月，一个月30天，每天使用24个小时为例，按电价07元/度计算，一年可节约电费为：31930240.7=140616（元）由于此客户节电率大（48），所以半年左右就收回了成本。中央空调节电系统一、应用背景： 目前，大多数宾馆、饭店、写字楼、商场等单位夏季都采用中央空调系统调节室内温度。建筑节电已经成为环保节电的重大课题！按照国家标准，中央空调系统的最大负载能力是按照气温最高，负荷最大的工作环境来设计的，就中央空调系统本身来说，存在着很大的节能空间，而实际上系统又很少在满负荷状态下工作。 据统计，在夏季中央空调系统的耗电量约占用户总耗电量的60%，中央空调系统只要减少耗能10%，就能减少用户6%的能源成本。根据现场实际测试，中央空调设备90%的时间在70%负荷以下波动运行，所以实际平均负荷小于设备满负荷，特别是冷气需求量较少的情况下，主机实际负荷量就更低。这样就使得空调机组的两个水循环系统长期处于“大流量小温差”的现象，使大量的电能白白浪费。造成实际需要负荷与最大功率输出之间的矛盾，给中央空调使用单位造成巨额电费支出，增加了运营成本。所以，针对中央空调系统的节电改造能为运营单位创造出显著的效益。二、系统组成及工作原理1、工作原理图1 中央空调系统图2、工作流程简述(1) 中央空调启动后，冷冻单元工作，蒸发器吸收冷冻水中的热量，使之温度降低；同时，冷凝器释放热量使冷却水温度升高。(2) 降了温的冷冻水通过冷冻泵加压送入冷冻水管道，在各个房间由室内风机加速进行热交换，带走房间内的热量使房间内的温度降低后，又流回冷冻水端。(3) 而升了温的冷却水通过冷却泵压入冷却塔，由冷却塔风机加速将冷却水中的热量散发到大气中，使水温降低后，流回中央空调主机冷却水端。(4) 冷冻机组工作一段时间后达到设定温度，由温度传感器检测出来，并通过中间继电器及接触器控制冷冻机组停止工作，温度回升到一定值后又控制其运行。三、存在的问题1、冷冻水，冷却水循环泵不能根据实际需求来调整循环量，电机工作效率低下，造成大量电力浪费。2、循环泵启动电流大，会造成泵轴损伤，降低电机使用寿命。3、循环泵系统运行噪音大，停泵时产生的水锤现象会对管路和水泵造成伤害，增加了系统维护成本。4、冷却塔风机总在全速运行，流回中央空调主机的冷却水温度大部分时间大大低于主机要求的水温，这样不仅造成用电浪费，而且由于风机全速运行风速较大而造成冷却水蒸发过量，这样每天要补充大量软化水，造成水资源的浪费。5、空调箱风机总在全速运行，造成大量的电能浪费。四、改造方案1、节电方案分析根据现场中央空调系统的配置情况可分别对以下设备进行变频改造：(1) 冷却水泵，(2) 冷冻水泵，(3) 冷却塔风机，(4) 空调箱风机。节电改造简图如图2：图2 中央空调节点带改造简图 变频器和可编程控制器为系统控制单元，温度传感器为现场温度信号采集单元，用两组传感器分别采集冷却水泵，冷冻水泵管道实际温度，然后把信号传送到PLC，PLC对温度信号进行处理，进而调节变频器对循环泵实现闭环控制。因为循环泵会根据管道实际温度相应进行转速调节，所以循环泵达到了节电的目的。 冷却塔风机变频驱动：可编程控制器采集冷却塔出水温度信号与设定温度信号比较，进行PID运算后输出信号控制变频器使之驱动风机，直到风机转速满足回水温度要求，从而实现自动控制达到节电目的。 空调箱风机变频驱动：可编程控制器采集公共场所温度信号与设定温度相比较，进行PID运算后输出信号控制变频器使之驱动风机对公共场所冷气量进行调控，直到满足场所温度要求从而实现节电的功能。注：可对其中一部分进行变频节电改造，也可对全部进行变频节电改造，改造部分越多，节电效果越佳。2、节电方案实施 冷却水、冷冻水循环系统，各装设一套变频器，其中冷却变频器供2台冷却水泵切换使用；冷冻变频器供2台冷冻水泵切换使用。（如图3） 冷却水循环系统中的回水与出水温度之差，反映出管路吸收热量的多少，与房间制冷效果成正比；根据回水和出水温度之差控制循环水的速度，进而控制热交换的速度，在满足系统冷却需要的前提下，达到节电的目的。温差大说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，加快冷却水循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可降低冷却泵的转速，以节约电能。冷却泵采用变频器驱动，两台冷却泵互为备用，可编程控制器（PLC）根据传感器检测到的温度信号，同设定温差比较后控制变频器驱动电机运转。当冷却泵达到额定转速时，实际温差值仍未达到设定温差值，此时PLC会控制M1切换到工频运行，然后再变频启动M2，根据以上所说原理对M2进行调节，实现恒温差控制；当电机M2工作在下限转速值时，如果温差实际值大于温差设定值，（PLC）控制电机M1停机，同时对变频器进行调节，控制M2转速达到实际要求。 在冷冻循环系统中，由于出水温度比较稳定，因此仅回水温度就足以反应了房间的温度，所以PLC可根据回水温度进行控制。回水温度高，说明房间温度高，应提高冷冻泵转速，加快冷冻水的循环；反之回水温度低说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，降低冷冻水的循环速度，以实现节电目的（其控制过程同冷却泵循环系统类似）。工频/变频切换简图如图3图3 工频/变频切换简图 本方案在保留原工频系统的基础上加装，与原工频系统之间仅设置连锁以确保系统工作安全。五、节电原理1、节电原理 由流体传输设备水泵、风机的工作原理可知：水泵、风机的流量（风量）与其转速成正比；水泵、风机的压力（扬程）与其转速的平方成正比，而水泵、风机的轴功率等于流量与压力的乘积，故水泵、风机的轴功率与其转速的三次方成正比（即与电源频率的三次方成正比）如下表频率f转速 n%流量Q%压力H%轴功率P%50 Hz100%100%100%100%45 Hz90%90%81%72.9%40 Hz80%80%64%51.2%35 Hz70%70%49%34.3%30 Hz60%60%36%21.6% 根据上述原理可知：改变水泵、风机的转速就可改变水泵、风机的功率。例如:将供电频率由50Hz降为45Hz，则P45/P50=453/503=0.729，即P45=0.729P50（P为电机轴功率）；将供电频率由50Hz降为40Hz，则P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50（P为电机轴功率）。变频节电效果简图如下：图4 变频节电效果简图 由以上内容可以看出，用变频器进行流量（风量）控制时，可节约大量电能。中央空调系统在设计时是按现场最大冷量需求来考虑的，其冷却泵，冷冻泵按单台设备的最大工况来考虑的，在实际使用中有90%多的时间，冷却泵、冷冻泵都工作在非满载状态下。如采用阀门、自动阀调节流量不仅增大了管道损耗，而且由于对空调的调节是阶段性的，造成整个空调系统工作在波动状态；而通过在冷却泵、冷冻泵上加装变频器则可一劳永逸地解决该问题，还可实现自动控制，并可通过变频节电收回投资。同时变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对系统的平稳调节，使系统工作状态稳定，并延长机组及网管的使用寿命。2、冷冻、冷却循环节电原理 现定性的分析一下冷冻、冷却循环系统节电的原理。现假设某循环水泵改为变频控制，平均流量为原来的0.8；现分析节电情况。节电率=（W原来-W节电）/ W原来100% =(1- W节电/ W原来) 100%注：W= PT ；P= QH；Q=K1 n；H=K2 n2；P= K1K2n3= K0n3；T节电= T原来；节电率=(1- P节电/P原来)100%=1-(n节电/n原来)3100%=1-(0.8)3100%=48.8%49%；（注：W：功，即水泵所消耗电量；P：功率；T：时间； Q：流量；H：扬程；n：转速；K1：系数；K2：系数；K0：系数）六、中央空调节电改造后的性能1、高效节电：对于风机、水泵等变转矩负载而言，根据积累的经验，空调系统风机、水泵应用节电控制系统后的平均节电率为30%50%。2、操作简洁：可根据传感器反馈的测点温度、水温差、管道压力、流量等参数，实现闭环自动控制；配有触摸屏显示空调相关参数，操作简洁明快，减轻运行监控人员的劳动强度。3、性能全面：具备报警指示功能，对过压、过流、缺相、传感器故障进行报警控制。4、延长寿命：应用中央空调节电控制系统后，电机的启停实现了软启动和软停机，无骤启和骤停现象，大大降低机械和电网冲击；可延长水泵、风机管件及空