（动力工程及工程热物理专业论文）中央空调末端盘管及水系统变频节能运行控制研究和实现.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 随着国民经济的飞速发展及对能源需求的日益增加，节约能源与减少温室气 体排放已经被提到非常重要的高度。如何降低能耗，提高能源利用率是关系到国 民经济可持续发展的重要问题。据统计，中央空调能耗一般约占整个建筑总耗能 的 6070%，传统的中央空调系统是基于定流量运行的，风机盘管电机也普遍采用 了有级调速的方式，基于建筑物最大冷、热负荷并留有一定余量的计算方法进行 系统设计和设备选型的。但由于建筑物内部对冷热负荷的需求依照建筑物外部环 境温度随季节和昼夜的动态变化，从而导致对中央空调系统负荷的动态变化，所 以对中央空调水系统变流量改造以适应空调负荷的实时变化是必须的。 本课题在分析研究了中央空调变流量节能控制、盘管电机变频调速的工作原 理基础上，针对现有节能控制系统庞大、控制参数多、控制方法复杂和系统响应 速度慢等问题，提出了改进的控制算法；针对中央空调的定流量和末端盘管系统 设计及运行中存在的能源浪费的问题，课题提出了将定流量系统改造为变流量系 统及对风机盘管电机进行变频调速的节能控制方案，使中央空调系统的出力与实 际负荷相匹配，从而达到节能的目的。 本文在综述了课题的背景和研究意义、国内外中央空调系统节能控制系统的 现状和发展趋势的基础上，提出了课题的主要内容，确定了中央空调节能控制系 统的总体设计方案；详细阐述了中央空调节能控制系统的硬件设计和软件设计； 并介绍所设计的中央空调节能控制系统设备的应用与实现；最后对该研究做了总 结。 关键词：中央空调，变频调速，单总线温度传感器，节能 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract with the rapid developing of national economy and energy demand increased, energy saving and reduce greenhouse gas emissions are paid much attention to. how to reduce energy consumption and improve the energy utilization efficiency are determined the continuable development of economy and society. according to statistics, the energy consumption of central air- condition system accounts for about 60%70% percentage of the total energy consumption of building trades. traditional central air- condition system usually is based on constant flow and the fan coil units are also adopted step- type speed regulation. the design and the auxiliary equipments selection of air- condition system are usually according to maximum load of the building, and also have a margin. but owing to the load of building is varied with outer environment temperature, which is varied with the summer and the day and night. and this leads to the needs of central air- condition load dynamic change. to solve the problems, convert constant flow into variable flow can make the central air- condition system loads adjust to the actual loads of environment. this research analyses the theories of variable flow hydraulic system and the frequency conversion control of fcu motor for central air- condition system energy- savings, aimed at the problem that the existing control system is complicated, the control parameters are excessive, the control way is complex, the system response rate is slow, and so on, and then a novel control scheme is given. based on the energy waste of constant flow hydraulic system, the design of fcu and the operation, this thesis gives a energy- saving control scheme that the constant flow hydraulic system is converted into variable flow hydraulic system, and the frequency conversion control of fcu motor, which make the central air- condition system load adjust to actual load of the building, and aim at energy- saving. based on summarizing the background and significance of this thesis, the actuality and trend of development of the central air- condition control system, this thesis gives the main contents, confirms the general design scheme of the c entral air- condition 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii system, and expounds the design of software and hardware of the control system. and then illustrates the research and implement of the control system equipment of this thesis. at last, to summed up this research. keywords: central air condition, frequency control of motor speed, single- wire digital temperature sensors, energy- saving 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 引言 随着全球气候的变暖，节能与减少温室气体的排放已经被提到相当的高度。 如何减少能耗，提高能源的有效利用率是关系到我国经济可持续发展的重要问题。 据统计，在发达国家，建筑能耗占总能耗的 3040%；在我国，建筑能耗占 国民经济国总能耗的 19.8%左右1。而中央空调能耗又在建筑能耗中占了相当大的 比重，一般中央空调能耗约占整个建筑总能耗的 50%，对于商场和综合大楼高达 60%以上2。因此，空调系统的节能研究对降低建筑能耗具有十分重要的意义。 现代空调系统在系统的节能研究主要集中在以下两个方面，一方面是冷热源 节能方面的研究，包括新能源的利用。另一方面是空调装置输送系统节能方面的 研究，如末端风机的变速控制、变流量技术、变风量技术、空调大温差控制的研 究等35。 水系统变流量是一种能有效节约冷水输送系统运行能耗的节能技术， 随 着变频器和控制技术的发展，这项传统技术开始焕发出新的生命力，其应用也越 来越广泛。虽然单个末端盘管的能耗较低，但是其总量很大，累计能耗在中央空 调总能耗中就占有相当的比重。末端是中央空调能量发挥效果最直接的体现者， 末端节能足以决定整个中央空调系统节能的效果。可以说，没有末端节能就无所 谓中央空调系统节能，搞好了末端节能才能突出整个中央空调系统的节能效果。 因此，末端节能具有十分重要的意义。 在传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、 冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量基本是按照建筑物最大制冷、制热负荷 或新风交换量需求选定的，且留有充足余量3。由于建筑中央空调系统的负荷主要 来自围护结构传热（包括太阳辐射）和新风负荷，空调系统负荷是随室外气象条 件而变化，而中央空调冷水系统一般采用定流量运行方式，其结果是为满足极短 时间段内的大冷负荷制冷要求，而使绝大部分时间水量输送处于严重过剩状态， 即水系统长时间运行在大流量小温差状态，造成严重的电能和燃气浪费。 末端盘管的变频控制，可以实现对房间温度的精确控制，克服了传统的有级 调速导致的末端冷量过大、房间温度低于实际需要的问题，从而节约了大量冷源， 进而降低机组的负荷；采用温度巡检系统，还可以实现对末端温度监测与报警功 能。变流量系统可以根据实际负荷的大小改变送到各用户处的水流量，水泵也可 以根据系统实际所需流量调节其转速或运行台数，从而达到节约水泵能耗的目的， 更节约了主机的能源消耗。办公楼、高层旅馆空调用水泵的耗电量约占总空调系 统耗电量的 1520%，若采用变流量和对盘管电机进行变频调速的节能控制系统， 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 据估算，运行费用比定流量水系统要节约 3035%4。 1.2 中央空调系统运行的现状与节能技术的发展 空调水系统的目的是为空调末端提供抵消余热或补偿热损耗所需的冷水或热 水，在满足这个要求的前提下尽可能地节能，即以最少的能耗提供最好的服务。 为了实现上述要求，设计者们一直在孜孜以求，在这个发展过程中总是老问题刚 刚解决，新的问题又接着产生，如系统冷水温差过小、水系统阻力损失过大、水 系统的平衡等等，诸如此类，使得系统越来越复杂，恰是这种矛盾的作用下推动 了变流量技术的发展。随着控制技术和水泵变速技术的发展，变流量系统在得到 了大量的研究及充分地发展，并广泛应用于各类建筑中的空调系统中。 从上实际 50 年代起，一些机械式流量控制装置就开始应用于空调水系统中， 它们被安装在加热或供冷盘管上，通过三通阀来改变通过盘管的水流量，对盘管 出口空气温度进行控制。但整个冷水系统还是使用定速水泵，由于当时电力充足， 人们对变速水泵系统并不大关心。这类系统只是改变空调末端的冷水量，并不节 约输送系统的能耗，只能说是变流量系统最初的雏形。 到了 70 年代中期，模拟控制已经出现并广泛代替了机械控制。它相对于机械 控制来说更容易调节，使用这种控制也能获得较为精确的水泵转速。二十世纪 70 年代后期，电子变速器的发展使得变速水泵在暖通空调水系统中应用越来越广泛。 这个时期也首次出现使用变频调速器改变水泵转速的工程，并采用多个压差传送 器测量多点压差作为控制水泵转速的信号，但系统设计所采用的方法上仍然没有 明显的变化。 从 20 世纪 90 年代末期开始，伴随着计算机及电子技术的高速发展，变流量 水系统的发展与研究达到了高潮。首先集成型冷水水泵系统的出现大大推广了变 速水泵系统在空调冷水系统中的使用，水泵及控制系统所需的空间大大减少。与 此同时水泵、变速驱动器及控制器等设备的性能己经极大地得以提高，完全能满 足冷水系统的各种要求。ddc 控制成为先驱，结束了机械控制的时代，增强了控 制水泵速度的能力和水泵启停及运行台数的管理，充分提高了水泵系统运行效率， 有可能最大限度地挖掘其节能潜力6。 在这段时期，单一环路应用变速泵的变流量系统的研究也开始了，这类系统 不同于传统的保持冷水机组蒸发器冷水量不变的变流量系统，而提出冷水机组蒸 发器及冷凝器都变流量，并认为在系统负荷不少于预定值，以及供回水温差不大 于预定值的情况下可以正常运行。这是变流量系统随着控制技术日益成熟后的又 一新的发展方向。但是对于末端盘管而言，其调速基本上都是采用有级调速的方 式来控制风量大小，其他的方式基本上没有出现7。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 在我国，对变流量系统的概念已不再陌生，随着变频器技术的成熟及其价格 的大幅下降，越来越多的设计人员开始认识到在空调冷水系统中应用变频器改变 水泵转速的巨大效益89。但这方面的研究基本上还停留在消化与吸收国外的技术 和经验的基础上。虽然变频器已用于冷水系统中，但其具体的控制方法、节能效 果分析等方面的研究，尚且只能说是一种初级的研究。目前改变系统总水量的方 法多为采用改变水泵运行台数的一级泵系统，水泵还远没有达到最大限度的节能。 因此变水量系统的研究还需从理论走向实践。而对于风机盘管的变速控制的研究 是少之又少，基本处于空白；因此，有很多问题值得深入研究。 1.3 课题的提出 目前国内绝大多数大型建筑空调水系统均为定流量系统，风机盘管基本全采 用有级调速的方式控制风量；而空调都是以最不利工况为设计标准，冷水系统在 运行过程中水流量不能跟随负荷变化，水泵始终按照设计负荷运行，同时也造成 了末端盘管的选型过大，因此空调系统设备的实际运行状态远大于实际负荷需要， 导致了空调系统设备和机组的严重能源浪费。 公共和民用建筑空调系统的负荷主要来自围护结构传热（包括太阳辐射）和 新风负荷。空调系统负荷是随室外气象条件而变化的，而空调设计、设备选择是 按最不利工况进行的，因此空调系统在绝大部分时间内在部分负荷下工作的。据 统计2全年有 98 %的时间是在设计负荷的 80 %以下运行， 有 80 %的时间是在设计 负荷的 50 %55 %以下运行。冷水机组在实际运行过程中安全系数较大，在实际 运行过程中，水泵的扬程、流量以及机组的制冷、热量都有非常大的浪费。因此 降低建筑空调的运行费用成为目前建筑节能中的一个重大课题，而变流量水系统 和末端风机无级变速控制是减少建筑空调能源浪费的有效手段。变流量水系统和 风机盘管无极调速系统会根据建筑物的实际负荷自动调节水泵的流量、扬程及风 量，配合制冷机组的负荷调节或台数控制，可以达到十分理想的节能效果。所以， 研究将建筑空调的定流量水系统改造为变流量水系统及风机的有级调速改造成无 极调速具有重大的现实意义，研究成果的推广应用会带来巨大的社会效益和经济 效益389。 在整个节能控制系统的改造过程中，仍然存在着许多的问题，末端风机盘管 电机变频器设计的可靠性和安全性，温度巡检系统的传感器布置位置的选择，改 造对系统性能有何影响，及改造是否具有可行性、定流量水系统的变流量如何实 现、控制方案和控制策略的选择、改造后的经济效益；本课题就是在这些问题的 基础上提出的，这些问题也是本课题的主要研究内容。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 1.4 课题的主要研究内容及方法 1.4.1 课题的主要研究内容 本课题主要研究的内容是： 介绍了末端盘管风机（fcu）风量控制及变流量水系统的基本概念、分类 和特点。通过对中央空调系统的负荷特性和目前定流量系统中普遍采用的泵与管 网的特性分析，阐明了中央空调节能改造的理论基础。研究了水系统变流量运行 和风机盘管的变频控制的可行性，证明了该节能方案是可行的。 针对某大厦的空调系统的实际情况，设计了一套系统改造方案。根据系统 的实际情况，完成了硬件选型和硬件结构设计。 根据风机盘管和冷水系统在实际工况下运行时，系统内各空调末端的流量 分布情况，分析了 fcu 变频控制器的设计与实现及定流量系统改造为变流量系统 的控制方案，针对实际改造的中央空调系统的末端盘管和水系统情况，提出了一 种切实可行的控制方案，并通过仿真分析，证明了控制策略的可行性和优越性。 介绍中央空调节能控制系统软件的结构，编程方法和一些子程序的具体编 写过程。 结合工程投入及运行后的实际运行情况，分析计算系统改造带来的经济效 益，总结了整个中央空调系统节能改造的一些研究结论。 1.4.2 研究方法 运用传热学、工程热力学、流体力学、泵与风机及其变频控制技术的基础理 论知识，分析了中央空调节能改造的可行性，设计了改造的具体方案。并根据大 厦中央空调负荷时间分布情况表，对采用末端盘管电机变频控制和水泵变频控制 的中央空调节能控制系统的节能效益做出了理论上的估算。 在选择系统改造方案时，结合某大厦空调系统的实际情况，选择以 rs485 总 线和温度巡检系统作为基础的控制系统变频调速方案，采用总线控制方案整个系 统结构简单，运行更加稳定可靠。针对中央空调末端盘管系统和水系统存在很大 纯滞后特性，对于温度的控制可达数分钟的延迟时间，本文提出了改进的 elman 网络中央空调负荷预测控制算法，克服了这种滞后引起的系统超调或振荡，系统 不容易达到稳定过程等难题，很好的解决了系统大滞后、大延时性。 程序的编写采用 matlab 与 labview 混和编程。 依靠 labview 的强大的显示 和数据采集功能，结合 matlab 强大的数据分析计算能力，编写了的节能运行系统 控制软件。 重庆大学硕士学位论文 2 节能控制的基本原理 5 2 节能控制的基本原理 目前中央空调末端盘管基本都是采用有级调速机构对盘管电机进行控制，从 而控制室内的冷热交换量，而达到控制室温的目的。采用变频调速对水系统和末 端盘管而言都是一种极为有效的节能控制策略，可以达到较为理想的节能效果。 本课题基于传统的控制方案的基础上，提出了一种新的中央空调节能控制方 案，该系统应该具备以下特点：负荷波动时应该能够保持冷却水、冷冻水的送回 水温差不变；水系统运行能耗最小，当负荷降低时，冷水机组运行能耗也应该随 之降低，水泵运行能耗也随负荷的降低而相应减少；能够实现对末端盘管电机转 速进行变频调速，对终端用户温度进行监控和连续精确调节；具备存储、温度监 视和事故报警等功能。 本章将对介绍节能控制系统的节能原理及硬件组成。 2.1 中央空调节能控制系统简介 2.1.1 变频节能的基本原理 水泵相似定律是变流量控制的基本原理10。离心水泵的相似定律又称为比例 定律，反映了水泵性能参数之间的相似关系，对同一台水泵进行变频调速时，在 相似工况下其流量、扬程、功率与转速的关系表示如下21011： 2 1 0 1 n n w w = (2.1a) 2 0 1 0 1 n n h h = (2.1b) 3 0 1 0 1 n n p p = (2.1c) 式中：w0，h0，p0是水泵在转速 n0下的流量、扬程和功率； w1，h1，p1是水泵在转速 n1下的流量、扬程和功率。 根据相似定律得出，当水泵转速改变时，水泵的功率和转速成三次方映射关 系。因此，变频调速对离心式水泵的节能具有很好的效果。 2.1.2 中央空调系统负荷的影响因素及其负荷特性 对于一个既定空间内的空气环境，一般要经受来自空间内部产生的热量、湿 和其他的有害物质的干扰，所以来自空间外部气候的变化、太阳辐射和外界有害 物质的干扰。清除以上物质的干扰的技术手段是通过空气和水等介质，经传热、 传质交换，将多余的热、湿和有害物质转移置换或者降低浓度。如图 2.1 所示是中 重庆大学硕士学位论文 2 节能控制的基本原理 6 央空调的一般组成，其中关键的部分是空气处理设备。 新风空气处理设备空气输送末端用户 排风 排风 (再循环) 热 回 收 自 控 供 热 供 冷 供 排 水 供 电 图 2.1 中央空调系统结构图 fig. 2.1 structure of central air condition system 在中央空调系统中，其能耗主要有两个方面：一是为供给空气处理设备冷量 和热量的冷（热）源耗能；二是为了输送空气和水，风机和水泵克服流动阻力需 要的电能，成为动力耗能12。 可以将中央空调系统看作一个完整的热力系统，以夏季为例，系统的热平衡 方程式为： 210 qqqq w+ += (2.2) 其中 q0是中央空调系统的冷负荷；q1是空调房间的冷负荷，当室内热源形成 的冷负荷一定及室外环境不发生改变时，q1随围护结构的热特性及室内空气参数 改变而改变；)( ,nwwmw hhqq=， 当室外空气的焓值hw一定时，qw随新风量的qm,w 的增加和室内比焓hn的降低而增加；q2为包括风机的温升、再热和风道系统冷热 量的损失引起的冷负荷的增加。 由以上分析可知，空调系统能耗的影响因素包括室外环境温度参数的变化、 室内的设计标准、围护结构的特性、室内人员的变化、设备、照明等的热、湿负 荷，以及新回风比等。另外，风机、泵的能耗直接受到所输送的空气量与水量的 大小及风、水系统管系的阻力损失的影响。 据统计，空调水系统和末端盘管电机的耗电量又约占空调总耗电量的20 2511。由于空调系统的负荷主要来自围护结构传热（包括太阳辐射）和新风负 荷，空调系统实际负荷随室外环境的变化而变化；另外，由于建筑物中各个房间 功能的差异，使用时间不同，室内发热情况也不同，高峰负荷出现的时间也不相 同。然而冷水机组及水泵和末端盘管型号都是按照设计最大负荷来选择的，这就 使得空调系统绝大部分时间都是在低负荷下运行2，导致能源的严重浪费。这种空 重庆大学硕士学位论文 2 节能控制的基本原理 7 调运行的方式既不节能又不合理，而通过变频控制改变水系统的流量、根据末端 负荷情况改变风机盘管的转速，根据相关的温度数据实现机组的负荷跟实际负荷 相匹配，可大大降低系统的能耗，对于建筑节能具有重要的意义。 表2.1是北京地区旅馆类建筑夏季运行平均空调负荷时间频数(全年总运行时 数2850h)2。 表 2.1 北京地区夏季空调负荷时间频数 (%) table 2.1 summer air conditions load-time relation in beijing area (%) 负荷率 5 10 20 3040506070 80 90 100 时间频数 12.26.5 23.616.514.910.17.3 4.7 2.9 1.0 0.3 累计时间 12.218.7 42.358.873.783.891.195.8 98.7 99.7 100 表2.2是1998年夏季对长沙某宾馆实测得到的空调负荷变化(全年总运行时数 3372 h) 表 2.2 长沙地区夏季空调负荷时间频数(%) table 2.2 summer air conditions load-time relation in changsha area (%) 负荷率 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 时间频数 0.1 0.1 4.9 19.531.620.811.97.6 2.3 0.9 0.3 累计时间 0.1 0.2 5.1 24.656.277.088.996.5 98.8 99.7 100 根据以上数据在夏季该宾馆空调最大负荷为2 162 kw。该系统配置2 台制冷 量为1 758 kw的直燃机，夏季空调最大冷负荷仅仅达到设计容量的62 %。从上表 可以看出： 全年有98 %的时间是在设计负荷的80 %以下运行。 全年有80 %的时间是在设计负荷的50 %55 %以下运行。 冷水机组在实际运行中大部分时间处于低工况下，根据上面的统计结果可以得出 以下结论： 现有的中央空调机组大约有98 %的时间是在设计值的65 %的负荷下运行。 现有机组约有80 %的时间是在设备值的45 %的负荷下运行的。对照表2 可以得出，机组有90 %的时间是在设备值的50 %的负荷下工作。如选用两台冷水 机组有90 %时间仅需1 台工作。 考虑对中央空调机组的安全运行产生影响，水系统流量的调节范围可控制在 60 %到100 %。两种系统的水量分别可表示为： 重庆大学硕士学位论文 2 节能控制的基本原理 8 tc q w = 变 变 (2.3a) tc q w = 定 定 (2.3b) 定变 qq (2.3c) 式中q变为瞬时的建筑物总设计负荷，kj/s；q定为各房间设计负荷的总值， kj/s；为同时使用系数和参差系数；c为水的容积比热，kj/m3k；t为设计负 荷下冷水机组中冷冻水进出口温差，k() 。 同时使用系数和参差系数按照0.60.8进行计算，即q变(0.60.8)q定。当 中央空调水系统供、回水的温差保持不变时： 512. 0216. 0 )8 . 06 . 0( )/( )/( 333 定 定 定 变 定 变 定 变 = q q tcq tcq w w p p (2.4) 根据文献2，对于冷冻水系统，流量变化时由于水泵工作点移动会导致的水 泵效率下降，当负荷在7090%之间时，水泵效率约为77%，所以当采用变流量 水系统时，实际能耗将只有设计工况时的28%66.5%。由于冷却水系统的扬程只 有几米，管路特性曲线十分平坦，负荷变化对冷却水泵效率的影响很小，所以实 际能耗将遵守水泵相似定律，能耗将只有设计工况时的21.6%51.2%。 综上所述，采用变流量水系统对中央空调系统的节能效果将非常明显。 2.2 风机盘管的变频控制 中央空调末端产品主要包括空调箱（新风机组、变风量空调箱、组合式空调 箱） 、风机盘管等。中央空调末端产品的能耗主要是电耗，虽然单个空调末端的能 耗是比较低，但所有空调末端的总能耗还是占据了相当比重的；降低单个末端能 耗，实现整个系统中末端的优化控制运行，对于降低中央空调能耗有着重要的意 义。目前中央空调末端常会出现设备选型过大，控制上很难达到末端设备的按需 运行，造成能源浪费。末端节能在中央空调节能中有着非常重要的意义。一般来 说， 冷热源系统的能耗占空调系统总能耗的55%65%， 空调系统辅助设备和末端 的能耗约占hvac总能耗的40%。随着经济的快速增长，宾馆、大商场、办公及 商用建筑越来越多，使空调能耗激增，夏季空调耗电已日渐成为能耗大户，空调 节能已日渐成为刻不容缓的大事。目前，国内各类建筑空调系统中使用最广是风 机盘管和新风系统。因此，研究风机盘管系统的节能对建筑节能有着重要意义12。 中央空调末端的能耗主要有风机能耗和辅助电加热能耗。在降低中央空调末 端能耗应该注意这几个方面的问题： （1）正确设定室内温湿度及新风量； （2）设 定合理的冷冻水供回水温差； （3）设计合理的室内气流组织； （4）优化控制系统； 重庆大学硕士学位论文 2 节能控制的基本原理 9 （5）选择合适的温度传感器并安装于合适的采集点； （6）合理确定空调系统预热 预冷开机时间； （7）开发新的调速控制器，实现对末端盘管电机运行的节能控制。 本文主要研究的内容之一就是对末端盘管电机进行变频控制研究与实现1213。 2.2.1 风机盘管系统的构成及优缺点 风机盘管空调系统属于半集中式中央空调系统，也是空气空调水系统的一 种主要形式。风机盘管包括盘管、风机、空气过滤器、风量控制装置和箱体等部 分。风机盘管直接安装在空调房间内，管内的冷水或热水与管外的空气发生热交 换，实现对温度空气的调节，对室内温度的控制可以达到要求。室内所需的新风， 由新风处理机组将室外空气作集中处理后，经风管送入各个末端用户。风机盘管 安装方便、布置灵活、可独立调节室温并且对其他房间基本不产生影响，较易适 应于末端用户负荷波动时的调节需要，便于建筑物增扩空调系统；另外对水系统 而言，由于风机盘管的阻力损失较大，因而水系统不易产生失调。但风机盘管也 存很多缺点，如风机盘管的盘管只有 23 排管，除湿能力比较弱，对室内相对 湿度的控制能力比较差，夏季室内经常会出现相对湿度过大的现象，因此只适用 于湿负荷较小的终端用户；由于风机盘管设置在各个终端用户内，由于盘管数量 众多，又很分散，给维修管理带来相当大的难度；而且水系统要达到每一个终端 用户的风机盘管上，除湿过程中产生凝结水，容易发生漏水和滋生病菌等；另外， 风机盘管机组的静压小，这样就限制空气过滤器性能，空气洁净度不高13。 2.2.2 风机盘管系统的控制系统发展 风机盘管的控制目的是调节盘管的供冷（热）量与使其末端负荷相匹配。调 节方式有：风量调节、水量调节和水温调节等。其中水温调节属于集中式调节， 主要根据气候变化或终端人员变化情况对系统进行调节。 风量调节有：on/off 风 机开停控制、三档手动风机调速、温控风机三级调速和温控风机无级调速等，水 量调节方式有电磁阀通断控制和电动阀流量调节控制等。随着控制理论和技术的 发展，越来越先进的控制方法和控制策略被运用到风机盘管控制中。有的风机盘 管还配置了遥控装置，对风机盘管控制在硬件上大大的简化；有的将风机盘管的 控制器连接到大楼的自动化系统，实现了集中和管理。控制技术的进步，使风机 盘管的使用更加方便，对终端温度的控制更加精确，室内环境调节得更加舒适， 而且实现了节能降耗的目的1415。 本文主要研究内容就是设计了风机盘管变频器，与传统的变频器不同，针对 风机盘管这样的对象，本文设计了一种结构简单，可靠性良好的小型电机变频器； 变频器设计采用变压器隔离技术，提高了变频器的可靠性；通过单片机直接控制 电机转速，单片机的控制信号可以采用本地设置也可以通过rs485总线接受主机 的控制信号。此设计使得变频器制造价格低廉，完全可以取代通过变压方式的风 重庆大学硕士学位论文 2 节能控制的基本原理 10 量开关。实际可靠性测试表明，该设计达到了很高的可靠性。其详细内容见第三 章相关内容。 2.2.3 风机盘管变频控制的执行机构 风机盘管空调器是半集中式空调系统的末端装置，用微电脑对风机盘管空调 器进行模糊控制，国外己有相关产品，但由于其价格太高，所以未能普及。目前 国内市面上仍为常规的控制方式，即采用三档手动调节风机速度和采用室内温度 自动调节装置控制电动三通阀阀位来调节盘管冷、热水流量。众所周知，常规控 制方式有许多缺点，不能实现完全自动控制，耗电量大，易产生不舒适感等，盘 管的无级调速执行机构其实就是一个小型的变频器，作为风机盘管电机调速的核 心部件，在系统中起到十分重要的作用；因此变频器的设计是一个十分关键的问 题，关系到整个系统的稳定性和可靠性。针对特定的电机的功率范围（其功率一 般在100w以下） ，设计了执行机构。其详细设计参见第三章相关内容。 2.3 空调水系统变频控制运行分析 目前中央空调的水系统一般都采用一级泵系统，通过盘管上二通阀调节水的 流量。为保证冷水机组在定流量下运行，在供、回水管间设有旁通阀，通过供、 回水管上的压差控制器控制旁通阀的开度。 由于水泵 定流量运行， 不随负荷变化， 水泵的能耗基本不变，电能和主机能耗浪费严重。为了克服一级泵系统能耗大的 缺点，于是出现了二级泵系统。即用一级泵保证机组的定流量运行，而二级泵根 据末端负荷变化进行变流量运行。它的运行能耗比一级泵系统低，但是缺点也是 很多的，如水泵数增加，设备投资和占地面积增大，而且运行控制较为复杂1617。 为保证机组的稳定，必须保持蒸发器(或冷凝器)的定流量运行。冷水机组要求 保持定流量运行的主要原因有：一、蒸发器(或冷凝器)内水流速改变会改变水侧传 热系数，对换热产生很大影响。二、避免出现冷水流量突然变小导致蒸发器内水 的冻结现象1722。 随着控制技术的发展，不同类型的冷水机组都有较完善的自动控制调节装置， 能随负荷变化自动调节运行状况，保持高效率运行。对于溴化锂吸收式制冷机组， 可以根据负荷变化自动调节供给的蒸汽量(或燃油量)，同时溶液泵采用变频控制， 自动调节溶液循环量，使制冷量在一定区间内连续调节23。 从上述分析可知，蒸发器的冷媒流量是随负荷下降而改变的。如果冷水机组 的冷水流量也随负荷按比例变化，在蒸发器内是不会发生冻结的。在空调系统设 计中通常都会给出蒸发器和冷凝器的允许流速变化范围。 只要保持温差不变，蒸发器内水流速随负荷变化时，蒸发器的实际传热量是 大于要求的供热量的，所以不会影响水侧换热。变流量运行是不会对冷水机组的 重庆大学硕士学位论文 2 节能控制的基本原理 11 安全和性能产生大的影响21。出于对机组安全运行的考虑，流量的调节范围一般 可控制在60 %100 %。 2.3.1 影响水泵变频调速范围的因素 水泵采用变频调速运行时，其电机的运行参数相对于原来的设计参数而言均 会发生很大变化。出于对电机安全运行及整个系统的运行效率影响的考虑，就限 制了泵的变频调速范围，变频调速范围必须经过综合的考虑、结合实际计算确定。 相似工况下，电动机功率pn3，也就是说轴功率跟转速呈三次方关系。当电 动机输出功率严重偏离额定功率，工作频率也过度偏离额定频率时，则会导致泵 的电动机效率快速下降，从而影响整个水泵系统效率。 图 2.2 变频器效率曲线 fig. 2.2 efficiency curve of transducer 变频器拖动异步电动机时，电动机工作电流会比工频供电时增大约5%，因为 冷却风机与电动机是同轴运行的，因此冷却风量随着转速的降低而大幅下降，电 机在低速运行时，将导致电机散热困难、产生过热，影响其运行安全。 变频器的负载率与效率的关系如图2.2所示。转速下降时，变频器的效率 有所下降。 综上所述，水泵转速调节范围的不能过大，一般不低于额定转速的50%，最 好选择在70%100%之间。当水泵的转速低于额定转速的50%时，水泵效率就会 明显下降，节能效果也大大下降，还会导致电机的散热不良，影响其安全运行。 2.3.2 水泵变频调速的理论节能效果分析 据统计，在重庆地区，空调每年运行时间大约八个月左右。由于用户负荷的 变化，在绝大部分时间内空调实际负荷比设计负荷低很多。图2.3所示的是重庆某 大厦空调负荷时间频率图，该大厦有商场、餐饮娱乐场所、写字楼等，用户很复 杂。由于用户使用空调的时间不同步，中央空调经常在低负荷状态下运行。 重庆大学硕士学位论文 2 节能控制的基本原理 12 0 5 10 15 20 25 30 5102030405060708090 100 空调负荷(%) 运行时间(%) 冬季 夏季 图 2.3 某大厦空调负荷时间频率图 fig. 2.3 load and time relation of someone edifice air condition 由负荷时间频率图可知，夏季制冷时，60%以上的时间中央空调都是在低于 60%的负荷下运行的；而冬季，约有80%的时间空调负荷率低于60%。根据负荷 时间频率图，可知部分负荷与冷冻水泵和冷却水泵的性能的关系，如表2.3和表 2.4所示。 表 2.3 部分负荷与冷却水泵性能关系 table 2.3 performance relation of part-load and cooling pump 负荷(%) 轴功率(%) 变频运行功率 （kw） 运行台数 工频运行能耗 （kw） 运行时间 比例 100 100 a=150 2 a=150 5% 90 72.9 b=109.4 2 b=150 7% 80 51.2 c=76.8 2 c=150 10% 70 34.3 d=51.5 1 d=75 18% 60 21.6 e=32.4 1 e=75 60% 冷却水泵节能效果分析 冷却水泵负荷特性关系如表2.3所示，由于采用溴化锂吸收式直燃机组，冷却 水泵只是在夏季制冷时才会投入运行， 运行时间比例根据图2.3夏季空调负荷时间 频率计算。表中负荷、轴功率和实际功率间的关系是根据离心水泵的相似定律求 出的。 按照表2.3的运行时间比例： p0=0.05a+0.07b+0.1c+0.18d+0.6e=91.5kwh (2.5a) p1=0.05a+0.07b+0.1c+0.18d+0.6e=51.5kwh (2.5b) 重庆大学硕士学位论文 2 节能控制的基本原理 13 则平均节电率1： 1=(p0-p1)/p0100%=43.7% (2.6) 其中p0表示工频运行功率，kw；p1表示水泵实际加权功率，kw。 根据上式计算，理论上冷却泵平均每小时可节电约40kwh，平均节电率为 43.7%。如果按每天运行17小时，一年运行天数按150天（制冷周期5个月）计 算，则年理论节电量为102000kwh。 表 2.4 部分负荷与冷冻水泵性能关系 table 2.4 performance relation of part-load and refrigeration pump 负荷(%) 轴功率(%) 变频运行功率 （kw） 运行台数 工频运行能耗 （kw） 运行时间 比例 100 100 a=110 2 a=110 3% 90 72.9 b=80.2 2 b=110 5% 80 51.2 c=56.3 2 c=110 8.5% 70 34.3 d=37.7 1 d=55 13.5% 60 21.6 e=23.8 1 e=55 70% 冷冻水泵节能效果分析 冷冻泵在机组运行时必须开启，因此年运行时间较长，按夏季运行5个月， 冬季运行3个月进行计算，共计每年运行240天，可得表2.4的冷冻泵不同负荷时 的运行时间比例。采用与冷却泵节能率相同的算法，冷冻泵平均每小时可节电约 30.2kwh，平均节电率2约等于47.1。假定冷冻泵按每天运行17小时，则年节 电量约为123338kwh。 因此，理论上每年共可节约用电量248798kwh，节约效果十分显著。 盘管电机变频节能效果分析 目前，实际运行中的中央空调末端盘管风机风量没有实施有效的控制，造成 严重的能源浪费。改造前后末端温度控制对比如图2.4所示。其中曲线1表示的是 神经网络对温度的控制曲线，曲线2表示的是原系统的对末端温度的控制曲线。 风机盘管是按照最大负荷需求设计的，因此大部分时间都运行在低负荷状态 下。对盘管风机实施变频控制从节能的角度分析，包含以下两个方面： 其一，改变末端盘管强制对流换热风量，对空调系统热负荷的影响，从热力 学的角度分析，末端变频控制对机组的负荷的影响，粗略估计整个大厦的末端的 容量为vg=124000m3，空气密度取g=1.18kg/m3(25) ，比热取cg=1.005kj/(kgk)， 空气换热量记为qg，结合图2.4显示的温差，则有： 重庆大学硕士学位论文 2 节能控制的基本原理 14 312400018. 1005. 1=tvcq gggg kjqq gw 8 .441154= (2.7) 冷冻水换热量为qw，根据能量守恒则得出： kjqq gw 8 .441154= (2.8) 也就是说对末端盘管采用变频控制，能够实现对末端用户温度的精确控制， 从而可以达到节约冷源的目的，进而可以降低冷冻水泵的运行频率，并最终降低 机组的负荷，达到节约燃气的目的。值得注意的是，这里的节约的冷源是和冷却 泵的流量相关联的，因此系统总得节能效率不能把两者简单的相加。 根据总的风机盘管的流量和室内换热空气循环次数及总的空气体积可以推算 出达到热平衡的换热时间大概为t=5分钟。 风机盘管节约冷源的量占机组负荷的比3，则： %28)1758(3 3 =tqg (2.9) 由此可知，风机盘管的变频控制，对冷源的节约是相当客观的，对机组负荷 的影响也会是很大的，值得进行深入的研究和探讨。这种改造方案将会产生良好 的节能效果。 图 2.4 末端温度控制对比图 fig.2.4 the terminal temperature control contrast plot 其二，对风机电机实施变频所节约的电能，根据变频器运行时间计数器和能 量消耗计量表记录，每台风机盘管平均累计运行时间为1560小时，风机功率为 80w，平均每台风机工作时间和功率如表3所示。实际节能率为： 4=801560-(800.5%+58.3220%+40.9674%+27.445.5%)1560/(801560) 100%45.1% (2.10) 风机盘管变频控制后节能率为45.1%， 表明了风机盘管电机的平均运行负荷长 重庆大学硕士学位论文 2 节能控制的基本原理 15 期低于设计负荷， 由表2.5可以看出风机大约有80%的时间是在80%的负荷下运行 的，也就是说改造后，可以降低冷冻水的需求量，进而影响主机的负荷，对主机 节能来说具有十分客观的效果。 表 2.5 风机盘管负荷特性 table2.5 the loads of the fans-coil tubes 负荷(%) 功率比(%) 工频能耗 变频能耗 运行时间比 100 100 a=80w a=80 w 0.5% 90 72.9 b=80 w b=58.3 w 2% 80 51.2 c=80 w c=41 w 74% 70 34.3 d=80 w d=27.4w 5.5% 2.4 本章小结 本章介绍了中央空调节能的基本概念和原理，分析了中央空调负荷特