中央空调系统变频节能改造

本文介绍了风机、水泵的节能原理，中央空调节能改造的原理和冷冻水、冷却水的控制方法。
1  引言
    改革开放以来，我国国民经济迅速发展，但是能源工业的发展远远满足不了需要，而且相当一个时期内能源缺口的状态不会改观，因此国家以开发与节约并重的能源政策为主。尤其以节约宝贵的二次能源-电能为主，我国电能******的用户是电机，约占50%，其中风机水泵的耗电占全部电能的30%。传统的风机水泵的风量、水量的调节是靠风门、节流阀的调节。当风量、水量的需要减少时，风门、阀的开度减少;当风量、水量的需要增加时，风门、阀的开度增加。这种调节方式虽然简单易行，已成习惯，但它是以增加管网损耗，耗费大量能源在风门、阀上为代价的。并且通常在设计中，用户风机水泵的设计容量都要比实际需要高出很多，这样容易形成人们常说的“大马拉小车”的现象，造成电能的大量浪费。如果采用调节速度的方式来调节流量，就可以从根本上防止电能浪费。近年来随着电力电子技术的发展，变频调速技术越来越成熟，因此推广变频调速在风机、泵类设备上的应用，对于减少能源浪费具有重要意义。
2  中央空调系统的节能改造原理
    在中央空调系统中冷冻水泵和冷却水泵的容量是按照建筑物******设计热负载选定的，且留有余量，而运行情况是一年四季长期在固定的******水流量下工作，由于季节、昼夜和用户负荷的变化，实际空调热负载在绝大部分时间内远比设计负载低，图1示出某建筑物的实测热负载率变化的情况，由图1可见，与决定水泵流量和压力的******设计负载(负载率为100%)相比，一年中负载率在50%以下的小时数约占全部运行时间的50%以上。一般冷冻水设计温差为5～7℃，冷却水的设计温差为4～5℃，在系统流量固定的情况下，全年决大部分运行时间温差仅为1.0～3.0℃，既在低温差、大流量情况下工作，从而增加了管路系统的能量损失，浪费了水泵运行的输送能量。根据统计分析，一般空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20～30%，故节约低负载时水系统的输送能量，具有很重要的意义，因此，随热负载而改变水量的变流量空调水系统显示了其巨大的优越性，而得到越来越广泛的应用。采用变频器调节泵的转速可以方便地调节水的流量，其节能率通常都在40%以上。
    现从以下几个方面分述之:
    2.1 风机、泵类负载调速节能原理
    风机是用来传送气体的机械设备，泵是用来传送液体的机械设备，风机与泵都是把电动机的轴功率转变为机械能的一种机械，它们的启动力矩都较小，负载轻，具有很大节能潜力;二者的结构和工作原理基本相似。
    下面以泵类为例对其工作原理及其运行过程进行分析:
    (1) 泵类的特性和参数
    纯粹用于抽水的功率叫有效功率
    有效功率=(1000QH)/(75×60/0.736)=QH/6.11(kW)
    式中，Q为流量(m3/min);H为总扬程(m)。
    设在扬程内1m3的水的重量为1000kg，因此:
    泵的轴功率=(有效功率)/ 泵的效率(kW)
    电动机输出功率=(1.05～1.2)×轴功率(kW)
    因泵的扬程大小、泵的型号不同，泵的效率不能一概而定，一般标准泵的大致效率曲线如图2所示。
    鉴于泵的设计与制造方面会有误差，故电机的输出功率应较轴功率计算值有5～20%的裕量，而后根据流量和扬程求出电动机的功率，图3为流量和扬程特性曲线。
    (2) 管网的水阻特性
    当管网的水阻R保持不变时，水量与过水阻力之间的关系是不确定的，即水量Q与过水阻力h按阻力定律变化，其表达式为:
    式中，H—过水阻力，R—水阻系数。
    H=f(Q)关系曲线为水阻特性曲线，呈抛物线形状，水阻系数R越大，曲线越陡，即过水阻力越大。
    3) 风机、泵类调速控制节能原理
    由流体力学可知，水量Q与转速的一次方成正比，压力H与转速的平方成正比，功率P与转速的立方成正比。
    式中: Qe—风机、泵类的额定风(流)量;
     He—风机、泵类的额定压力;
     Pe—风机、泵类的额定功率;
     ne—风机、泵类的额定转速。
    由上面的公式可知，如果泵类的效率一定，当要求调节水量下降时，转速可成比例下降，此时水泵的轴功率是成立方关系下降。
    另根据水泵类的特性曲线与水阻特性的关系曲线也可明显的看出风机、水泵的节能效果。图5为风机、水泵调速节能原理示意图，图中曲线H为恒速下的H-f(Q)曲线，其水阻、风阻特性曲线R1相交与A点。对应的风量为Q1。此时风机、水泵的轴功率Q1AH1Q围成的矩形面积成正比。当欲使风量由Q1减少到Q2使用挡板或阀门时，则新的风阻、水阻特性曲线H相交于B点，此时风机轴功率与Q2BH2Q围成的矩形面积成正比。如果采用调速方法将风机、水泵的转速降到n2使对应的风机特性曲线H与风阻特性曲线R2相交于C点。此时与风机轴功率成正比的Q2CH3Q围成的矩形面积显著减少，说明轴功率下降很多，节能效果明显。
    2.2 冷冻水系统控制方式
    对于冷冻水系统,其出水温度取决于蒸发器设定值，回水温度取决于蒸发器接收的热量，中央空调冷冻出水温度与冷冻的回水温度设计******温差为5℃(例如出水7℃，回水12℃)，现采用在蒸发器的出水管和回水管路上装有检测其温度的变送器、PID温差调节器和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差(例如△T=5℃)控制，即可使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。
    2.3 冷却水系统控制方式
    对于冷却水系统, 由于低温冷却水温度取决于冷却塔的工况, 我们只需控制高温冷却水(冷凝器出水)的温度, 即可控制温差, 现采用温度变送器, PID调节器和变频器组成闭环控制系统, 冷凝器出水温度控制在T(例如:37℃), 使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化。
    2.4  关于冷冻水末端压力问题的说明
    冷冻水泵降低流量降低转速运行, 人们担心会不会影响供水末端压力不足, 导致缺水现象, 实际上由于转速降低虽然会使水泵供水压力降低，然而管道特性的压力损失也会随流量减少而减少, 即需要的压力也会减少，供水压力与转速的二次方成比例降低，需要压力(管道损失)则与流量的二次方成比例减少，二者可以相互补偿。而另一方面, 泵的“压力-流量”特性是一个下降的特性, 即随着流量减少, 泵的出口压力将相对增加, 致使供水末端压力相对提高, 也就是说，降低流量降低转运行，不仅不会使末端供水问题恶化反而会有所改善。我们单位的实践也证明了这一点。
    3  结束语
    采用变频闭环控制电机，按需要设定温度，使设备储备容量和随时间季节变化的热负载通过转速调节, 在满足使用要求下达到******限度的节能。以我公司中央空调系统为例, 我们对部分风机、水泵进行改造, 据统计分析节电率平均达到了20～50%。另外, 使用变频器还具有以下特点:
    (1) 变频器对电动机的保护功能较好，有过电压、欠电压、过电流、接地等保护;
    (2) 变频器运行稳定，保养维护简单、方便;
    (3) 变频器的起动电流较小，对电网的冲击较少，有利于电网的稳定运行;
    (4) 变频器中直流电容器的隔离作用使输入的功率因数接近于1, 电动机的励磁无功电流由电容器提供，可节省30%左右的电网容量。

<< 恒压供求变频器节能改造石油与石化行业重点节能技术 >>