变频器在中央空调循环水冷却塔中的节能应用方案

1、变频器在中央空调循环水冷却塔中的节能应用方案摘要： 据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的70%以上，其中中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的2040%，故节约低负荷时压缩机系统和水系统的消耗的能量，具有很重要的意义。采用变频调速技术不仅能使空调系统发挥更加理想的工作状态，更重要的是通常其节能效果高达30%以上，能带来良好的经济效益。 关键词： 变频节能 冷却塔风机 固定变频 循环变频1.概论中央空调系统已广泛应用于工业与民用领域，在宾馆、酒店、写字楼、商场、住院部大楼、工业厂房中的中央空调系统，其制冷压缩机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统等的容量大多是按照建筑物

2、最大制冷、制热负荷选定的，且再留有充足余量。在没有使用具备负载随动调节特性的控制系统中，无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，造成了能量的巨大浪费。近年来由于电价的不断上涨，使得中央空调系统运行费用急剧上升，致使它在整个大厦营运成本费用中占据越来越大的比例，加之目前各生产、服务业竞争激烈，多数企业利润空间不够理想。因此电能费用的控制显然已经成为经营管理者所关注的问题所在。据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的70%以上，其中中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的2040%，故节约低负荷时压缩机系统和水系统的消耗的能量，具有很重要的意义。所以，随着负

3、荷变化而自动调节变化的变流量变频空调水系统和自适应智能负荷调节的压缩机系统应运而生，并逐渐显示其巨大的优越性，而且得到越来越多的被广泛推广与应用。采用变频调速技术不仅能使空调系统发挥更加理想的工作状态，更重要的是通常其节能效果高达30%以上，能带来良好的经济效益。2.中央空调系统的一般结构与工作原理中央空调系统一般主要由制冷压缩机系统、冷媒(冷冻和冷热)循环水系统、冷却循环水系统、盘管风机系统、冷却塔风机系统等组成。其工艺结构流程图如图a所示，在图a中制冷压缩机组通过压缩机将制冷剂(冷媒介质如r134a、r22等)压缩成液态后送蒸发器中，冷冻循环水系统通过冷冻水泵将常温水泵入蒸发器盘管中与冷媒

4、进行间接热交换，这样原来的常温水就变成了低温冷冻水，冷冻水被送到各风机风口的冷却盘管中吸收盘管周围的空气热量，产生的低温空气由盘管风机吹送到各个房间，从而达到降温的目的。冷媒在蒸发器中被充分压缩并伴随热量吸收过程完成后，再被送到冷凝器中去恢复常压状态，以便冷媒在冷凝器中释放热量，其释放的热量正是通过循环冷却水系统的冷却水带走。冷却循环水系统将常温水通过冷却水泵泵入冷凝器热交换盘管后，再将这已变热的冷却水送到冷却塔上，由冷却塔对其进行自然冷却或通过冷却塔风机对其进行喷淋式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水变回常温，以便再循环使用。在冬季需要制热时，中央空调系统仅需要通过冷热水泵(在夏季

5、称为冷冻水泵)将常温水泵入蒸汽热交换器的盘管，通过与蒸汽的充分热交换后再将热水送到各楼层的风机盘管中，即可实现向用户提供供暖热风。 图a 中央空调系统工艺结构流程 理解中央空调系统工艺流程对于节能改造的实现至关重要，从因果关系角度上看，冷冻水系统、冷却水系统、冷却塔风机系统均是主压缩机系统的从动系统。当主压缩机系统的负荷发生变化时，对冷冻水、冷却水的需求量和冷却塔需求的冷却风量也发生相应的变化，正因如此，我们才有节能改造的必要前提条件，才有实现“按需分配”控制方案的可能。3.中央空调系统的节能原理中央空调系统按负载类型可分为两大类，变转矩负载:如冷却水系统、冷冻水系统、冷却塔风机系统等风机、水

6、泵类负载;恒转矩负载:如主制冷压缩机系统。不同的转矩类型具有完全不同的转矩功率关系特性，我们知道风机、水泵类变转矩负载特性满足流体动力学关系理论，即以下数学关系成立: n1/n2q1/q2 h1/h2(n1/n2)2 p1/p2(n1/n2)3 (1) 其中，n、h、q、p分别表示转速、流量、扬程、轴功率。它们之间的关系曲线如图b所示。图b 流量、扬程、功率三者间的关系曲线图由式1可知，若转速下降到额定转速的70%，那么，扬程将下降到额定值的50%，同时，轴输出功率下降到额定值的35%。从图2中可以看出，管网的阻尼随扬程的降低而减小。在满足系统基本扬程需求的情形下，若系统的流量需求减少到额定流

7、量的50%时，在变频控制方式下，其对应输出功率仅约为额定功率的13%。这就为实施变频节能技术改造提供了数学理论上的可行性保障空间。由上述流体传输设备水泵、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）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40h

8、z，则p40/p50=403/503=0.512，即p40=0.512p50（p为电机轴功率）。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量来考虑的，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。而用阀门、自动阀调节不仅增大了系统节流损失，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，并可通过变频节能收回投资。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

9、，使系统工作状态稳定，并延长机组及网管的使用寿命。4.下面我们主要探讨一下冷却塔风机使用变频节能的实施方案和应用效果4.1 冷却塔风机变频控制实施方案方案一：固定变频控制方式。因为冷却塔的型式：有单塔型式、和多塔型式的；所以，固定变频控制方式：可分为单台固定变频控制和多台固定变频控制。下面以多台固定变频控制为例，作如下讲解。如图所示：图一：固定变频控制方式该系统由变频回路和工频回路两部分组成： 变频回路：由一台变频器，空气开关qf2，交流接触器km02和变频运行控制回路及信号报警回路组成变频循环运行回路。工频回路：由空气开关qf1、qf3、qf4、qf5、交流接触器km01、km03、km04

10、、km05、和热继电器fr1、fr2、fr3、fr4、以及手动运行控制回路等构成工频（50hz）运行回路。运行方式：工频运行时：风机根据工频控制回路选择指定风机启动，并以50hz全速运行。变频运行时：风机以传感器所测实际水温，经过温控器转换成标准的电流信号或电压信号，送到变频器的摸拟输入端，当第一台变频电机达到满负荷运行时，还不能满足实际工况则第二台电机就会被工频起动，第一台电机仍然变频运行；同理，若第二台电机起动后，还不能满足工况则第三台电机就会被工频起动；此时，三台电机全部运行：第一台电机变频运行、第二台电机工频运行、第三台电机工频运行。方案二：循环变频控制方式。由pn3可知：风机节能的最

11、佳方案是控制风机转速，可通过改变电机控制系统来调节电机运行的转速，从而达到控制风机转速的目的，下面以三台相同功率的电机的冷却塔为例，作如下讲解：三台风机为同一功率的的电机，可采用一台变频器循环控制的方式运行，系统电气原理概况图，如下所示：图二：循环变频控制方式之一（变频器内置循环变频切换功能）该控制系统由变频回路和工频回路两部分组成：变频回路：由一台变频器，空气开关q1，交流接触器km1、km3、km5和自动运行控制回路及信号报警回路组成变频循环运行回路。工频回路：空气开关qf2、qf3、qf4、交流接触器km2、km4、km6和热继电器fr1、fr2、fr3以及手动运行控制回路等构成工频（5

12、0hz）运行回路。图三：循环变频控制方式之二（变频器+plc实现循环变频切换功能）该控制系统由变频回路和工频回路两部分组成：变频回路：由一台变频器，空气开关qf3，交流接触器km4、km5、km6和自动运行控制回路及信号报警回路组成变频循环运行回路。工频回路：空气开关qf0、qf1、qf2、交流接触器km1、km2、km3和热继电器fr1、fr2、fr3以及手动运行控制回路等构成工频（50hz）运行回路。运行方式：正常状态，转换开关切至自动运行回路，由温度传感器测定冷却塔出水温度，经过温控器转换成标准的电流信号或电压信号，送到变频器的摸拟输入端来控制变频器的转速，改变风机的风量，从而改变冷却塔

13、的出水温度；当一台风机运行仍旧不能满足要求时，将此变频运行的风机改为工频运行，再变频启动另一台风机，直到满足生产装置所需的循环水的温度达到工艺要求为止（即水温32c）。整个控制系统为一个闭环调节系统。根据装置的工艺要求，自动确定风机是变频运行还好工频运行。并做到最先运行的风机最先切除，各电机循环运行，从而延长设备使用寿命的目的。当变频系统控制回路或者变频器出故障的时候，将转换开关切换到手动状态，三台电机运行在工频状态仍可满足装置工艺要求。4.2 以循环变频控制方式为例讲解一下循环水冷却塔变频节能的效果：4.2.1循环水冷却塔运行概况 某公司供水厂共有3个编号分别为1#,2#和3#循环水冷却塔。

14、各生产装置返回的循环热水用泵输送到这些塔内,通过塔内的填料增加热水与空气接触面积和时间,促进热水与空气进行热交换,使循环水冷却。从而获得各生产装置所需循环水温度32的冷水。当环境温度升高时,启动冷却塔内的轴流风机实行强制通风,加快冷却塔填料上循环水气相与液相的热交换。每个冷却塔内装设1台轴流风机,其直径为8500mm,由电压为380v,额定功率为160kw的4极异步电机驱动。电机和风机之间采用恒定减速比的减速机直联,塔内不装设节流阀。因此轴流风机的转速与风量是不可调的。3个塔的总处理能力达8000m3/h,远大于各生产装置最大需求量总和6600m3/h, 2002年度各塔的运行参数详见表1与表

15、2。4.2.2冷却塔风机采用变频调速节能方案 4.2.2.1风机节能可行性分析:塔编号处理能力(m3/h)电机电流(a)电机电压(v)功率因数(cos)电机输入功率(kw)电功率单耗(kw/m3)120002503800.871430.0715230002003800.871150.0383330002203800.871280.042表1各塔运行参数统计表由表1所示的数据知：2002年度冷却塔风机全部运行期间,冷却塔进水温度的最高温度平均值分布在34.538内；循环水经冷却后,冷却塔出水温度的最高温度平均值分布在27.628.8内,其较各生产装置所需冷却水温度32低3.24.4；并可知在同时

16、满足冷却塔进水温度低于最高热水温度平均值及冷却塔出水温度低于最高冷水温度平均值这一条件下,单台风机全年的运行时间为2705h。若采用变频控制器调节风机转速,改变风机风量,可使冷却塔出水温度提高23的情况下,仍能满足冷却塔出水温度32的工艺要求,这显然可节省电能。根据厂家所提供的：a.出水与空气湿球温度及冷却塔进水温度关系曲线图；b.进出水温差与空气湿球温度及风机轴功率百分比关系曲线图；以及表2的有关数据,通过工艺计算得风机的不同月份节能潜力及收益值如表3。 表22002年不同月份风机运行台时与冷却塔出水温度关系统计表 日期运行台数运行天数运行=24h/d运行=24h/d同时满足热进热进max冷

17、出冷出max 时风机的运行时间/h最高热水温度平均值热进max/最高冷水温度平均值冷出max/台数累计时间/h 台数平均运行/h/b累计时间/h3 月27日5月17日13400116.7 56956 56951737.627.65 月18日6月16日2451108011567356135.3286 月17日8月26日36923312121.45148010283828.88月27日10月13日2301720110.832415734.528.410月14日11月15日14400115.869344234.528.4表32002年不同月份风机节能潜力及收益计算值 项目内容日期冷却塔进水温度/温差

18、1湿球温度/对应不同功率比冷水温度/运行时间/h风机功率风机节能潜力收益率/万元z2z13.27-5.173.61020.57.457.8729.735170.46p0.54p1.8835.18-6.1635.37.322.56.505.3129.695610.46p0.54p2.0446.178.26389.222.57.007.7030.3010280.46p0.40p2.7748.2710.1334.56.1245.804.0530.451570.46p0.54p0.57210.1411.1534.56.1245.804.0530.454420.46p0.54p1610注：收益率可运行时

19、间风机节能潜力0.56元/kwh100%;表中p120.5kw；总收益值=8.883元。 由表3可知各冷却塔风机节能潜力为40%54%。4.2.3风机变频调速实施方案探讨 4.2.3.1系统结构 由pn3知：风机节能的最佳方案是控制风机转速,可通过改变电机控制系统来调节电机运行转速,从而达到控制风机转速的目的。由于3台风机驱动电机功率均为160kw,可采用1台变频控制器循环方式运行,系统结构框图如图1所示：该系统由2部分组成：变频回路：1台变频器,空气开关q1,交流接触器c1、c2、c3和自动运行控制回路及信号报警回路组成变频循环运行回路;工频回路：空气开关q2、交流接触器c4、c5、c6和热

20、继电器t1、t2、t3以及手动运行控制回路等构成工频(50hz)运行回路。4.2.3.2运行方式 正常状态,转换开关qk切至自动运行回路,由温度传感器测定冷却塔出水温度,转换成标准的电流信号,送至变频器的温度检测器,用于控制冷却塔风机转速,改变风机的风量,从而改变冷却塔出水温度；当1台风机运转频率接近工频运行仍不能满足要求时,将此变频运行风机改为工频运行,再变频启动另1台风机,直到满足各生产装置所需的循环水温度32为止。整个控制系统为一个闭环调节系统。根据工艺要求,自动确定电机是变频运行或是工频运行,并做到最先运行的风机最先切除,各电机循环运行,从而延长设备使用寿命。当变频器出故障时,将转换开

21、关qk切换至手动状态,3台电机运行在工频状态仍可满足运行要求。 采用变频器调速的方法,改变了以往电机的开、停仅为手动控制的单一工频运行方式,从而避免为满足冷却塔出水水温32,必须使1台或几台风机均处在工频状态下运行,而造成水温过低,形成不必要的能源浪费。采用变频调速运行方式,提高了水温控制的准确性,并可实现平滑启动电机,使3台电机循环运行,从而提高电机的使用寿命。 4.2.4风机节能经济分析 (1) 由表1所示的冷却塔运行参数可知：1塔的处理能力只是2#或3#塔的66%,但其处理1m3/h热水风机电功率单耗确是2#塔与3#塔风机电功率单耗之平均值的1.783倍(即其大0.0313kw/m3/h

22、),其原因是该塔填料仍为旧式低效填料,若将1#塔填料改用与2#塔相同性能的新型高效填料,则每小时处理能力就可提高1000m3。如按1#塔处理量为2000m3/h计算,每小时节电20000.031362.6kw,节能效果相当可观。1#塔每年运行时间为3000h,更换填料需投资约45万元。 收益率300062.60.56/45104100%23.37。 (2) 采用变频调速方案,根据表3可得每年总收益值为8.883万元,实施变频控制需要投资约15万元,收益率=8.883/15100%59.2,约1.7年就能收回投资额,另外设备的折旧率大大降低,可见节能效果显著。5. 总述智能楼宇和职能厂房的高速发

23、展，使得现在楼宇和厂房的能耗越来越大，节能方法的使用是每一个管理者和经营者都必须考虑的问题。而节能是目前全球关注的观念主题，而就目前来讲变频器节能是最佳的投入最少的节能方式和控制方式。那么，作为冷却塔的用户如果在了解到变频器节能的好处之后。对于这么少量的投资自然是十分的乐意。对于冷却塔的生产厂家来说，一种新的产品的投入生产首先看市场的需求和能够产生的效益，通过以上的经济分析，我们可以得出使用方只要在了解到了变频器应用的优点后，基于运行成本和设备维护的考虑，必然会对这样的投资产生浓厚的兴趣。而事实上目前市场上对于冷却塔变频器应用已经十分的成熟，而且也正是朝着这个方向快速的发展。变频器的应用是目前

24、整个冷却塔市场乃至整个中央空调市场的趋势，照目前的市场情况来看，越早投入变频器的应用的厂商收到的经济效益必然是越快。当然这需要冷却塔厂商的销售人员对客户进行详尽的到位的变频器技术的解释。而冷却塔生产商在掌握了变频器技术后，控制部分的硬件收入和技术服务收入，都将可成为一个新的利润增长点。从长远来看，冷却塔变频器的应用优势会越来越明显，变频器的使用也会越来越普遍，厂商在使用了冷却塔变频技术后不仅可以得到收益而且也可使自己的冷却塔在激烈的市场竞争中长期处于主动位置。虽然在前期的投入中会有人员配备等投资，但是从长远的立场来看，这项投资对冷却塔的厂商来说必将收到丰厚的利润回报。附件: 系统配置及报价清单

25、(以11kw变频循环控制方式控制三台电机为例)序号名称型号规格含税单价数量品牌冷却塔功率1变频器vlt701666601danfoss11kw2断路器cp65n-d 3p 25a1054施耐德3断路器c65 2p 2a1022施耐德4保险丝rt19-32 2a52正泰5交流接触器lc1-d2510m5c906施耐德6热继电器lr2d1322c803施耐德7电压表450v351天正8电流表100/5a351天正9互感器100/5452天正10指示灯（绿）xb2ev443154施耐德11指示灯（红）xb2ev444154施耐德12指示灯（黄）xb2ev445151施耐德13旋钮开关xb2bd25c

26、353施耐德14旋钮开关xb2bd33c351施耐德15按钮(绿)xb2ba31c204施耐德16按钮(红)xb2ba31c204施耐德17温度传感器wpt-22313501昆仑18温控器lu-904maoloo4501台湾安东19配电柜1600*600*50015001佳丰20排风扇150mm602国产21安装辅材一批5001国产22集成安装费 8001科盈23系统调试费8001科盈合计人民币13234.00元几种bchp技术及其能源利用效率的简要分析摘要： bchp是能量梯级综合利用的技术，对于解决我国面临的环境、能源问题有重要作用。本文对bchp与传统空调用能方式的优缺点进行了分析，讨论

27、了现有技术条件下几种bchp技术的性能和特点，对基于微型燃气轮机和燃气内燃机的bchp技术进行了分析，结果表明，在目前的技术水平下，当”以热定电”时，燃气内燃机方案较微燃机方案的一次能耗要低。 关键词： bchp 微型燃气轮机 燃气内燃机 以热定电1 引言能源、环境问题是中国实现可持续发展战略所面临的重大挑战之一，应对这一挑战，需要各行各业密切协作，在各自的领域里作出巨大努力，空调制冷业也不能例外。事实上近年来空调制冷业的发展，正在造成我国乃至全球能源、环境危机：空调用电不仅已成为城市能源消费最多的领域之一，还在夏季造成电网尖峰负荷，致使电力供应出现紧张局势；而空调在全球的使用也直接、间接地造

28、成诸如大气臭氧层破坏，温室气体排放，城市热岛1等环境问题。因此，解决能源、环境问题，空调制冷行业有着不可推卸的责任，理应有所作为和贡献。提高设备性能虽然是解决问题的一个重要方面，但在空调使用飞速增长的中国，仅仅这样还远不够，必须从提高整个能源系统效率的角度出发，研究提高空调系统用能的高效化、清洁化，有效降低空调制冷能耗，减少环境污染，这是一个不可忽视的领域1,2，而bchp作为一种能量梯级综合利用的技术，可以在这方面发挥重要作用1,2,3，本文就几种bchp技术的能效作一初步分析。2 bchp的概念及其优越性bchp即楼宇冷热电联产，是building cooling, heating and

29、 power的缩写，其原理是：燃料（油、气等）先经热功或电化学过程转换为电力供建筑物使用，燃料发电后的余热则用于建筑物供热、空调等，如图1所示。而在传统的以电力为能源的空调系统中，高品质的能源在中国目前最主要的部份是煤首先以较低的效率被转换为“清洁的”二次能源电力，经输配电设施到建筑物，再经制冷制热设备转换为低品位的空调冷热源通常是冷水或热水，在此过程中能量不仅在质上贬值了高品位的能量被转换成了低品位的空调冷热水，且数量上也“减少了”：大部份排热因远离用户而作为废热与nox、so2、粉尘等污染物一起被排入大气，造成环境污染，如图2所示。比较上面两种空调用能模式可见，bchp的用能方式具有诸多优

30、点：用能合理，实现了能量的梯级利用，减少了能量转化和利用过程中的不可逆损失；高效，燃料作功后的余热也得到充份利用；清洁，可使用天然气等清洁燃料；环保，燃气内燃机、燃气轮机、燃料电池均有低排放特点；分布式现场发电，提高供电可靠性。在当今中国，空调用电持续增加，而污染严重的矿物燃料煤又占能源消耗绝对多数比例，为缓解环境、能源问题，国家已启动了一系列天然气工程，预计未来天然气在能源消费中所占比例将有较大幅度提高。但我国是一个人均能源、资源稀少的国家，已探明天然气储量并不能满足国内能源需求，因此，应当尽可能高效、经济地使用，如bchp，cchp，dhc等等，使之在解决人口密集的城市的能源、环境问题方面

31、有效发挥作用。3 几种bchp技术3.1 bchp的系统构成根据其功能，bchp系统可分为三个子系统：燃料电力转换及接入设备、空调冷热源热备、包括空气处理末端的空调系统。各子系统均有多种技术方案，各有特点。3.2 几种 bchp技术方案的性能特点3.2.1 微型燃气轮机余热溴化锂机组方案此方案中，微型燃气轮机（出力300kw以下）发电后的余热被直接用以驱动吸收式制冷机，制冷量不足时可补燃以增加冷机出力。目前小型燃机发电效率在30以下，国外有数家公司有商品化机组，国内也已开始投入力量进行研发。吸收式机组国内外均有生产厂家。此方案系统较简单，且不用氟利昂制冷剂，与建筑用能匹配也较容易。3.2.2

32、燃气内燃机余热投入型溴化锂机组方案在此方案中内燃机发电后的余热先进行回收，然后被导入直燃机用以预热溶液，减少燃料消耗量。燃气内燃机特别是带增压中冷的机组发电效率较高，目前在30-42间，依机组容量而异。冷（热）负荷较低时，也可仅以排热驱动制冷机。3.2.3 高温燃料电池余热溴化锂机组方案燃料电池是将燃料化学能直接转化为电能的装置，不受卡诺定律的限制，有很高的发电效率（50-79）。sofc（固体氧化物燃料电池）和mcfc（熔融碳酸盐燃料电池）可直接以天然气作燃料发电4，不仅发电效率高，且排热温度高，可达750，用以驱动吸收式制冷机，可获得较高的能效比。此方案因发电效率高，排热相应较少，也需要补

33、燃才可提供足够冷量。3.2.4 燃气内燃发电机压缩式制冷这是一个无吸收式制冷技术的方案。燃气机除用以发电外，还可用以直接驱动蒸汽压缩式制冷机或热泵，也可以发电后驱动电动制冷机组，依建筑物需要而定。燃气机的余热可作各种用途，包括用于除湿干燥，这可以提高制冷机出水温度，使制冷机组能效比大幅提高；在热泵应用中则可以提高制热量，使之在外界环境温度下降时仍能维持一定的制热量。因燃气机热效率较高，这个方案的一次能利用效率也是较高的。除以上方案外，还可能有其它方案的组合，而其它技术如pafc（磷酸型燃料电池）、pemfc（质子交换膜燃料电池）也是合适的bchp动力设备，在此不一一述及。下表列出了国内外知名厂家如康明斯，卡特彼勒，宝曼等的发电机组所能达到的性能。由表可见，不同产品发电效率、余热品位（温度）相差较大，要分析与其相应的bchp的能效，只有火用效率才是合理的指标1，但这在计算上有