变频节能技术在中央空调中的应用.docx

变频节能技术在中央空调中的应用陈剑萍 1 , 王坚敏 2 , 钟晓波 3 , 张利庭 2 , 吴哲 4 , 吴皓 4( 1. 浙江科技学院 自动化与电气工程学院 , 浙江 杭州310023; 2. 嘉兴电业局 , 浙江 嘉兴314033;325000 )3:浙江宁波电力设计院 , 浙江 宁波315000; 4:温州电力局 , 浙江 温州摘 要 :中央空调能耗在高层建筑中所占的比例很大 ,因此空调系统节能成为降低高层建筑能耗的关键因素 。为保证在大气温度最高的情况下也能正常使用 ,在中央空调设计时应按满负荷设计 ,并留有一定的富裕量 ,因此冷冻水系统和冷 却水系统在正常使用时 ,存在着能耗过大的问题 。为了解决这一难题 ,在该 2 个系统中采用了变频节能技术 ,通过温差控制变频器的频率 ,调节水泵的转速 ,以达到节能的目的 。关 键 词 :中央空调 ;节能 ;变频技术中图分类号 : tb657. 2; tp273文献标志码 : a文章编号 : 100522895 ( 2009 ) 02 20101203a pp l ica t ion of frequen cy c on ver s ion en ergy2sa v in gtechn o logy to c en tra l a ir2con d it ion in gch en j ian2p ing1 , wan g j ian2m in2 , zhon g x iao2bo3 , zhan g l i2ting2 , wu zhe4 , wu h ao4( 1. co llege of a u tom a tion and e lec trica l enginee ring, zhe jiang in stitu te of sc ience and techno logy, h angzhou 310023, ch ina;2. j iaxing e lec tric powe r b u reau, j iaxing 314033 , ch ina;3. zhe jiang n ingbo e lec tric powe r d e sign in stitu te, n ingbo 315000 , ch ina;4. w enzhou e lec tric powe r b u reau 325000 , ch ina)a b stra c t: in o rde r to en su re its no rm a l se rvice in h igh temp e ra tu re cen tra l a ir2cond ition ing is de signed to leave ce rta inm a rgin in fu ll load cond ition. in fac t, the cen tra l a ir2cond ition ing system is unde r p a rtia l load fo r mo st of the tim e. the host com pu ter can m ake au tom a tic ad justm en t w ith the load changes, bu t the f rozen w a ter pum p and cooling w a ter pum p a lm ost w o rk a t fu ll capacity in the long 2term , therefore causing an eno rm ous w aste. a s the f low is p roportiona l to the ro ta tiona l speed, and the shaf t pow er to the cube of the rota tiona l speed, it is necessa ry tha t the rota tiona l speed of the electric m o to r change w ith the load of the a ir2cond ition ing to save energy. in order to solve th is problem , f requency conversion energy 2saving technology is applied to the f rozen w a ter pum p system and coo ling w a ter pum p system. the ro ta tiona l speed of the pum p is regu la ted w ith the f requency of the f requency converter w h ich is con trolled by tem pera tu re d ifference, in th is w ay the energy 2saving pu rpose is ob ta ined.key word s: cen tra l a ir2cond ition ing; ene rgy2saving; frequency conve rsion techno logy1 空调节能的必要性随着我国经济的持续发展 、电力供应日趋紧张 。 最近几年夏季 ,我国许多城市由于用电紧张 ,供电部门 被迫实施强制性错峰供电 ,严重影响了人民的生活和 企业生产 。中央空调以电能为动力 ,为人们提供了舒适的生活和工作环境 。高层楼宇的中央空调是用电大 户 ,几乎占了总建筑物耗电量的 50 % ; 对于商场和综合大楼则高达 60 %以上 ,日常开支费用很大 。在欧美等一些发达国家中 ,空调耗电量甚至占了其城市总用 电量的 30 %以上 。因此节能已成为各行业的重要议 题 。随着空调的应用和普及 ,中央空调节能已显得越 来越重要 1 。2 中央空调的组成及工作原理如图 1所示 ,中央空调系统主要由制冷剂回路 、冷收稿日期 : 2008209224;修回日期 : 2008 212224作者简介 :陈剑萍 ( 1969 - ) ,女 ,浙江慈溪人 ,工学硕士 ,讲师 ,主要从事工业自动化和电力系统方面的研究 。102轻工机械l igh t indu stry m ach ine ry2009 年第 2 期2 ) 冷冻水循环系统能耗过大根据泵的流量计算公式 ,冷冻水的流量与冷冻水 泵的转速成正比 ,当冷冻水泵转速高时 ,冷冻水的流量大 ,流速快 。当冷冻水流过风机盘管机组时 ,还没来得 及将所带的冷量全部释放完 ,就已返回制冷机去了 ,造成冷冻水泵输送和空调主机冷却能量的过度损耗 。4 变频技术的概念交流变频技术具有良好的节能效果 、控制性能好 、 过载能力强 、使用维护方便 ,得到了广泛的应用 ,已成为电动机调速的首要选择 。变频器的工作原理就是把工频电源变换成较低频率的交流电源 ,以实现电机的 变速运行 。其中控制电路完成对主电路的控制 ,整流电路将交流电 ( 50h z /60h z) 变换成直流电 , 逆变电路将直流电再逆变成相应频率的交流 电 5 。按照 异 步 电动机的实际转速对应的电源频率 ,并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率 ,就可以使电动机具有对应的输出转矩 。进而达到控制 电 动机 转矩 的 目 的 。采用变频调节技术 ,电机可在很宽的范围内平滑调速 ,可将所有节流阀去掉 ,使管道畅通 ,可免去节流 损耗 。通过改变电机转速改变水的流量 ,达到节能的 目的 。却水循环系统 、冷冻水循环系统等组成 。图 1 中央空调系统工作原理图1 ) 制冷剂回路 制冷剂回路 是 中 央 空 调 系 统 的 心 脏 2 。在 蒸 发器里 ,制冷剂和冷冻水发生热量交换 ,将冷冻水制冷 ,制冷剂吸收热量后蒸发 ;在冷凝器里 ,蒸发后的制冷剂 和冷却水发生热量交换 ,制冷剂释放出热量 ,被冷却循 环水带走 。2 ) 冷冻水循环系统 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冷却空气的目的 。3 ) 冷却水循环系统 冷却水泵将吸收热量后的冷却水送到冷却塔上 ,由冷却塔风机对其进行喷淋冷却 ,与大气进行热交换 。 冷却后的冷却水被送到冷凝器去吸收制冷剂放 出 的热量 。3 当前中央空调系统存在的缺点目前常用的中央空调系统存在以下缺点 :1 ) 冷却水循环系统的能耗过大在设计时 ,为保证在大气温度最高的情况下也能 正常使用 ,所以中央空调要按满负荷计算 ,并留有一定的富裕量 3 24 。平时使用时由于天气情况 、人员数量 、活动内容的变化所需负荷是不断变化的 ,往往达不到 最大值 。冷却水泵的配置是按夏季的最大流量配置 ,必然存在大马拉小车的问题 。从节能的角度考虑 ,只 要能保证制冷系统正常工作 ,冷却水流量越小 ,耗能越少 ,节能效果就越好 。根据流量计算公式 ,流量与电机的转速成正比 。由于交流电机的转速不可调 ,只能全 功率运行 ,增加了管道的能量损失 ,浪费了冷却水泵运 行的输送能量 ,增加了能耗 。5变频器的节能分析中央空调系统中的负载都是各种风机 、泵类 6 。 由水泵的工作原理可知 ,风机 、水泵的特性为q n( 1 )( 2 ) ( 3 )n2n3h p 即流量与转速成正比 , 压力与转速的平方成正比 ,轴功率与转速的三次方成正比 。根据转速公式n = 60 f ( 1 - s)( 4 )p式中 : f电源频率 , 在我国工频为 50 h z;p极对数 ;s转差率 。由式 ( 4 )可知 , 调节转速有 3 种方法 : 改变频率 、改变极对数 、改变转差率 。在这 3 种调速方法中 ,改变 频率的调速性能最好 ,调速范围广 ,运行效率高 ,因此本文采用变频率来调节转速 。调节电动机电源的频率就可改变电动机转速 ,调 节电机转速也就是调节泵的转速 ,因此 ,根据风机 、水泵特性可知 ,调节水泵的转速可以达到调节流量的目 的 ,同时 ,可显著调节轴功率 。若将电机的运行频率由 原来的 50 h z下调到 45 h z时 ,则电机的实际转速 =陈剑萍 ,等 变频节能技术在中央空调中的应用103环保 安全 2 ) 冷却水系统的变频控制冷却水循环系统的温差为冷凝器 2 端的进出水温 差 。同样采用温度变送器 、p id 调节器 、变频器组成的闭环控制系统 ,将设计最大温差控制在 5 (如冷凝 器出水温度为 38 ,进水温度为 33 ) ,工作原理同 冷冻水系统相同 ,使冷却水泵的转速随着热负载的变 化而变化 。同样 ,当第 1台电机已达到额定功率时 ,如 果还达不到要求时 ,可起动第 2台电机变频运行 ,后面几台的控制也是如此 ,这样不断调整控制 ,可使其达到 最佳的效果 。见图 3。额定转速的 90 % ;由于电机的额定功率与转速的三次方成正比 ,因此电机运行时的实际功率 =额定功率的72. 9 % 。电机的实际功率 - 电机的额定功率节电率 = 27. 1 %电机的额定功率此时 ,理论上的节电率为 27. 1 % , 节电效果相当显著 ,经济效益十分可观 7 。若采用挡板或阀门调节 ,会使系统阻力升高 ,对管 路及阀门的密封性不利 ,而且还会加大能耗 ;如果采用变频器调节 , 压力将随转速的降低而降低 , 轴功率 p将随转速的降低而大幅降低 。由此可见 ,采用变频技 术对电机转速进行调节 , 要比阀 门 、挡 板调 节更 为 节 能 ,设备运行工况也将得到明显改善 。可见运用变频技术对风机 、泵类设备转速进行调节 ,是一种理想的调 速控制方式 ,既提高了设备效率 ,又满足了生产工艺要 求 ,并且降低了设备的故障率 ,大大减少了设备维护 、 维修费用 ,具有良好的经济效益 。6 中央空调变频系统设计中央空调变频调节系统主要涉及冷冻水系统和冷 却水系统 8 。1 ) 冷冻水系统的变频控制 进入空调房间的冷冻水称为“出水 ”,流经所有的房间出来的冷冻水称为“回水 ”,回水温度高于出水温度 ,形成温差 ,设计最大温差为 5 (如出水为 8 , 回水温度为 13 ) 9 。在制冷机组冷冻水循环出水 管和回水管上装设检测温度的变送器 ,再与 p id 调节 器 、变频器组成闭环控制系统 ,通过冷冻水的温差来控 制变频器的频率 ,以控制电机转速 ,调节冷冻水的出水量 。温差大 ,说明空调房间内温度高 ,室内负荷大 ,应 提高冷冻泵的转速 ; 温差小 ,则说明室内温度低 ,室内 负荷小 ,可降低冷冻水泵的转速 。这样使冷冻水泵机 组的转速随着热负载的变化而变化 ,当第 1 台电机已 达到额定功率时 ,如果还达不到要求则可起动第 2 台电机 ,变频运行 ,后面几台的操作也是如此 。这样不断 调整控制 ,可使其达到最佳的效果 (见图 2 ) 。图 3 冷却水变频控制系统7 结论随着中央空调系统的普及 ,在我国能源紧张的情 况下 ,如何提升中央空调系统的节能效果 ,是摆在我们 面前的一项迫切的任务 。通过对中央空调的冷却水系统和冷冻水系统采用变频技术 ,除可获得显著的节能效果外 ,还实