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中央空调变频节能系统

发布者::admin   发布时间: :2012-06-06 12:43 浏览次数: :

 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 Hz
100%
100%
100%
100%
45 Hz
90%
90%
81%
72.9%
40 Hz
80%
80%
64%
51.2%
35 Hz
70%
70%
49%
34.3%
30 Hz
60%
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= P×T ;P= Q×H;Q=K1 ×n;H=K2 ×n2
P= K1×K2×n3= K0×n3
T节电= T原来
节电率=(1- P节电/P原来)×100%
=[1-(n节电/n原来)3]×100%
=[1-(0.8)3]×100%
=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、风机管件及空调设备的使用寿命,降低维护费用。
5、安全可靠:系统核心部件采用知名品牌产品,并设有旁路、节电运行切换系统,提高了运行安全可靠性,与系统原有调节装置构成冗余备用系统,确保中央空调系统的正常使用。
6、安装简便:特别适用于老系统节电改造。对现有的空调机组、管道无需进行改动,对风机水泵无特殊要求;不必增加和改动原水、风管道系统。
7、冷却塔风机,根据冷却水回水温度调节风速,不仅节约大量电能而且可大量减少冷却水循环的补水量。
七、小结

    中央空调系统在华南、东部沿海、华北地区使用很普遍,安装节电系统后,节电效果一般在30%~50%,节电率很高,投资回收期短,可以为企业带来可观的经济效益。