中央空調(diào)系統(tǒng)在現(xiàn)代企業(yè)及生活環(huán)境改善方面極為普遍,而且某此生活環(huán)境或生產(chǎn)工序中是屬必須的,中央空調(diào)系統(tǒng)的使用能提高人的舒適度,集中供冷供熱效率高,便管理,節(jié)省投資等原因,為此幾乎企業(yè)、高層商廈、商務(wù)大樓、會(huì)場(chǎng)、劇場(chǎng)、辦公室、圖書館、超市、酒店等中大型建筑上都采用中央空調(diào),但是中央空調(diào)電能的消耗非常之大,是用電大戶,幾乎占了用電量50%以上,日常開支費(fèi)用很大。所以節(jié)能改造勢(shì)在必行,接下來請(qǐng)跟隨中央空調(diào)維修網(wǎng)一起來了解一下關(guān)于北京中央空調(diào)系統(tǒng)水泵變頻節(jié)能改造方案。
由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì),而實(shí)際上在一年中,滿負(fù)載下運(yùn)行最多只有十多天,甚至十多個(gè)小時(shí),幾乎絕大部分時(shí)間負(fù)載都在70%以下運(yùn)行。通常中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機(jī)的負(fù)荷能隨季節(jié)氣溫變化自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載,而與冷凍主機(jī)相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載,幾乎長(zhǎng)期在100%負(fù)載下運(yùn)行,造成了能量的極大浪費(fèi),也惡化了中央空調(diào)的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行質(zhì)量。
隨著變頻技術(shù)的日益成熟,利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機(jī)結(jié)合,構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng),自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量;采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能使商場(chǎng)室溫維持在所期望的狀態(tài),讓人感到舒適滿意,可使整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定,更重要的是其節(jié)能效果高達(dá)30%以上,能帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益。
一、水泵節(jié)能改造的必要性
中央空調(diào)是大廈里的耗電大戶,每年的電費(fèi)中空調(diào)耗電占60% 左右,因此中央空調(diào)的節(jié)能改造顯得尤為重要。
由于設(shè)計(jì)時(shí),中央空調(diào)系統(tǒng)必須按天氣最熱、負(fù)荷大時(shí)設(shè)計(jì),并且留10-20% 設(shè)計(jì)余量,然而實(shí)際上絕大部分時(shí)間空調(diào)是不會(huì)運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)下,存在較大的富余,所以節(jié)能的潛力就較大,其中,冷凍主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化隨之加載或減載,冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié),存在很大的浪費(fèi)。
水泵系統(tǒng)的流量與壓差是靠閥門和旁通調(diào)節(jié)來完成,因此,不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象,不僅大量浪費(fèi)電能,而且還造成中央空調(diào)最末端達(dá)不到合理效果的情況。為了解決這些問題需使水泵隨著負(fù)載的變化調(diào)節(jié)水流量并關(guān)閉旁通。
再因水泵采用的是Y- △起動(dòng)方式,電機(jī)的起動(dòng)電流均為其額定電流的3 ~ 4倍,一臺(tái)90KW的電動(dòng)機(jī)其起動(dòng)電流將達(dá)到500A ,在如此大的電流沖擊下,接觸器、電機(jī)的使用壽命大大下降,同時(shí),起動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊和停泵時(shí)水垂現(xiàn)象,容易對(duì)機(jī)械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞,從而增加維修工作量和備品、備件費(fèi)用。
采用變頻器控制能根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵負(fù)載變化隨之調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速,在滿足中央空調(diào)系統(tǒng)正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵作出相應(yīng)調(diào)節(jié),以達(dá)到節(jié)能目的。水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速下降,電機(jī)從電網(wǎng)吸收的電能就會(huì)大大減少。
其減少的功耗 △ P=P0〔 1-(N1/N0)3 〕( 1 )式,減少的流量 △ Q=Q0〔 1-(N1/N0) 〕( 2 )式。
其中N1為改變后的轉(zhuǎn)速, N0為電機(jī)原來的轉(zhuǎn)速, P0為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下的電機(jī)消耗功率, Q0為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的水泵流量。由上式可以看出流量的減少與轉(zhuǎn)速減少的一次方成正比,但功耗的減少卻與轉(zhuǎn)速減少的三次方成正比。如:假設(shè)原流量為100個(gè)單位,耗能也為100個(gè)單位,如果轉(zhuǎn)速降低10個(gè)單位,由( 2 )式△ Q=Q0 〔 1-(N1/N0) 〕 =100 *〔 1-(90/100) 〕 =10可得出流量改變了10個(gè)單位,但功耗由( 1 )式△ P=P0[1-(N1/N0)3]=100 *〔 1-(90/100)3 〕 =27.1可以得出,功率將減少27.1個(gè)單位,即比原來減少27.1% 。
再因變頻器是軟啟動(dòng)方式,采用變頻器控制電機(jī)后,電機(jī)在起動(dòng)時(shí)及運(yùn)轉(zhuǎn)過程中均無沖擊電流,而沖擊電流是影響接觸器、電機(jī)使用壽命最主要、最直接的因素,同時(shí)采用變頻器控制電機(jī)后還可避免水垂現(xiàn)象,因此可大大延長(zhǎng)電機(jī)、接觸器及機(jī)械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。
二、中央空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
1、冷凍機(jī)組:通往各個(gè)房間的循環(huán)水由冷凍機(jī)組進(jìn)行“內(nèi)部熱交換”作用,使冷凍水降溫為5~7℃。并通過循環(huán)水系統(tǒng)向各個(gè)空調(diào)點(diǎn)提供外部熱交換源。內(nèi)部熱交換產(chǎn)生的熱量,通過冷卻水系統(tǒng)在冷卻塔中向空氣中排放。內(nèi)部熱交換系統(tǒng)是中央空調(diào)的“制冷源”。
2、冷凍水塔:用于為冷凍機(jī)組提供“冷卻水”。
3、“外部熱交換”系統(tǒng):由兩個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)組成:
⑴、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由冷凍泵及冷凍管道組成。從冷凍機(jī)組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道,在各個(gè)房間內(nèi)進(jìn)行熱交換,帶走房間內(nèi)的熱量,使房間內(nèi)的溫度下降。
?、啤⒗鋮s水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍機(jī)組進(jìn)行熱交換,使水溫冷卻的同時(shí),必將釋放大量的熱量,該熱量被冷卻水吸收,使冷卻水溫度升高,冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入水塔,使之在冷卻塔中與大氣進(jìn)行熱交換,然后再將降了溫的冷卻水,送回到冷凍機(jī)組,如此不斷循環(huán),帶走冷凍機(jī)組成釋放的熱量。
4、冷卻風(fēng)機(jī)
?、拧⑹覂?nèi)風(fēng)機(jī):安裝于所有需要降溫的房間內(nèi),用于將由冷凍水冷卻了的冷空氣吹入房間,加速房間內(nèi)的熱交換;
⑵、冷卻塔風(fēng)機(jī)用于降低冷卻塔中的水溫,加速將“回水”帶回的熱量散發(fā)到大氣中去。
中央空調(diào)系統(tǒng)的四個(gè)部分都可以實(shí)施節(jié)電改造。但冷凍水機(jī)組和冷卻水機(jī)組的改造改造后節(jié)電效果最為理想,文章中我們將重點(diǎn)闡述對(duì)冷凍機(jī)組和冷卻機(jī)組的變頻調(diào)速技術(shù)改造。
三、中央空調(diào)變頻系統(tǒng)改造方案
1.中央空調(diào)原系統(tǒng)簡(jiǎn)介
1.1該集飯店中央空調(diào)系統(tǒng)改造前的主要設(shè)備和控制方式:450冷噸冷氣主機(jī)2臺(tái),型號(hào)為特靈二極式離心機(jī),兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行;冷凍水泵2臺(tái),揚(yáng)程28米配有功率45KW,冷卻水泵有2臺(tái),揚(yáng)程35米,配用功率75KW。均采用兩用一備的方式運(yùn)行。冷卻塔2臺(tái),風(fēng)扇電機(jī)11KW,并聯(lián)運(yùn)行。室內(nèi)風(fēng)機(jī)4臺(tái),5.5KW,并聯(lián)運(yùn)行。
1.2原系統(tǒng)的運(yùn)行及存在問題:該飯店是一家五星飯店,為了給客入營(yíng)造一個(gè)良好的居住環(huán)境,飯店大部空間采用全封密的,且飯店大部分空間自然通風(fēng)效果不好,所以對(duì)夏季冷氣質(zhì)量的要求較高。由于中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須按天氣最熱、負(fù)荷大時(shí)設(shè)計(jì),且留有10%-20%左右的設(shè)計(jì)余量。其中冷凍主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化隨之加載或減載,冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。這樣,冷凍水、冷卻水系統(tǒng)幾乎長(zhǎng)期在大流量、小溫差的狀態(tài)下運(yùn)行,造成了能量的極大浪費(fèi)。而且冷凍、冷卻水泵采用的均是Y-△起動(dòng)方式,電機(jī)的起動(dòng)電流均為其額定電流的3-4倍,在如此大的電流沖擊下,接觸器的使用壽命大大下降;同時(shí),啟動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊和停泵時(shí)的水錘現(xiàn)象,容易對(duì)機(jī)械器件、軸承、閥門和管道等造成破壞,從而增加維修工作量、維修費(fèi)用、設(shè)備也容易老化。另外由于冷凍泵軸輸送的冷量不能跟隨系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷的變化,其熱力工況的平衡只能由人工調(diào)整冷凍主機(jī)出水溫度,以及大流量小溫差來掩蓋。這樣,不僅浪費(fèi)能量,也惡化了系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行質(zhì)量。特別是在環(huán)境溫度偏低、某些末端設(shè)備溫控稍有失靈或靈敏度不高時(shí),將會(huì)導(dǎo)致大面積空調(diào)室溫偏冷,感覺不適,嚴(yán)重干擾中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。因?yàn)榭照{(diào)偏冷的問題經(jīng)常接到客人的投訴,處理這些投訴造成不少人力資源的浪費(fèi)。
根據(jù)實(shí)際情況,我們向該飯店負(fù)責(zé)人提出:利用變頻器、人機(jī)界面、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等構(gòu)成的溫差閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)冷凍、冷卻水泵進(jìn)行改造,以節(jié)約電能、穩(wěn)定系統(tǒng)、延長(zhǎng)設(shè)備壽命。
2.中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的具體方案
中央空調(diào)系統(tǒng)通常分為冷凍(媒)水和冷卻水兩個(gè)系統(tǒng)(如下圖,左半部分為冷凍(媒)水系統(tǒng),右半部分為冷卻水系統(tǒng))。根據(jù)國(guó)內(nèi)外最新資料介紹,并多處通過對(duì)在中央空調(diào)水泵系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制改造的成功范例進(jìn)行考察,現(xiàn)在水泵系統(tǒng)節(jié)能改造的方案大都采用變頻器來實(shí)現(xiàn)。
2.1 、冷凍(媒)水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制
制冷模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制
該方案在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下,確定一個(gè)冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率,將其設(shè)定為下限頻率并鎖定,變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測(cè)冷凍水回水溫度,再經(jīng)由溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減,控制方式是:冷凍回水溫度大于設(shè)定溫度時(shí)頻率無極上調(diào)。
該模式是在中中央空調(diào)中熱泵運(yùn)行(即制熱)時(shí)冷凍水泵系統(tǒng)的控制方案。同制冷模式控制方案一樣,在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下,確定一個(gè)冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率,將其設(shè)定為下限頻率并鎖定,變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測(cè)冷凍水回水溫度,再經(jīng)由溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減。不同的是:冷凍回水溫度小于設(shè)定溫度時(shí)頻率無極上調(diào),當(dāng)溫度傳感檢測(cè)到的冷凍水回水溫越高,變頻器的輸出頻率越低。
2.2 、 冷卻水系統(tǒng)的閉環(huán)控制
目前,在冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造的方案最為常見,節(jié)電效果也較為顯著。該方案同樣在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下,通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量,當(dāng)中中央空調(diào)冷卻水出水溫度低時(shí),減少冷卻水流量;當(dāng)中中央空調(diào)冷卻水出水溫度高時(shí),加大冷卻水流量,從而達(dá)到在保證中中央空調(diào)機(jī)組正常工作的前提下達(dá)到節(jié)能增效的目的。
現(xiàn)有的控制方式大都先確定一個(gè)冷卻泵變頻器工作的最小工作頻率,將其設(shè)定為:
下限頻率并鎖定,變頻冷卻水泵的頻率是取冷卻管進(jìn)、出水溫度差和出水溫度信號(hào)來調(diào)節(jié),當(dāng)進(jìn)、出水溫差大于設(shè)定值時(shí),頻率無極上調(diào),當(dāng)進(jìn)、出水溫差小于設(shè)定值時(shí),頻率無極下調(diào),同時(shí)當(dāng)冷卻水出水溫度高于設(shè)定值時(shí),頻率優(yōu)先無極上調(diào),當(dāng)冷卻水出水溫度低于設(shè)定值時(shí),按溫差變化來調(diào)節(jié)頻率,進(jìn)、出水溫差越大,變頻器的輸出頻率越高;進(jìn)、出水溫差越小,變頻器的輸出頻率越低。
2.3介紹系統(tǒng)節(jié)能改造原理
1、對(duì)冷凍泵進(jìn)行變頻改造控制原理說明如下:PLC控制器通過溫度模塊及溫度傳感器將冷凍機(jī)的回水溫度和出水溫度讀入控制器內(nèi)存,并計(jì)算出溫差值;然后根據(jù)冷凍機(jī)的回水與出水的溫差值來控制變頻器的轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)出水的流量,控制熱交換的速度;溫差大,說明室內(nèi)溫度高系統(tǒng)負(fù)荷大,應(yīng)提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速,加快冷凍水的循環(huán)速度和流量,加快熱交換的速度;反之溫差小,則說明室內(nèi)溫度低,系統(tǒng)負(fù)荷小,可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速,減緩冷凍水的循環(huán)速度和流量,減緩熱交換的速度以節(jié)約電能;
2、對(duì)冷卻泵進(jìn)行變頻改造由于冷凍機(jī)組運(yùn)行時(shí),其冷凝器的熱交換量是由冷卻水帶到冷卻塔散熱降溫,再由冷卻泵送到冷凝器進(jìn)行不斷循環(huán)的。
冷卻水進(jìn)水出水溫差大,說明冷凍機(jī)負(fù)荷大,需冷卻水帶走的熱量大,應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速,加大冷卻水的循環(huán)量;溫差小,則說明,冷凍機(jī)負(fù)荷小,需帶走的熱量小,可降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速,減小冷卻水的循環(huán)量,以節(jié)約電能。
3、冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻控制通過檢測(cè)冷卻塔水溫度對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速閉環(huán)控制,使冷卻塔水溫度恒定在設(shè)定溫度,可以有效地節(jié)省風(fēng)機(jī)的電能額外損耗,能達(dá)到最佳節(jié)電效果。
4、室內(nèi)風(fēng)機(jī)組變頻控制通過檢測(cè)冷房溫度對(duì)變風(fēng)機(jī)組的風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)冷房溫度恒定在設(shè)定溫度。室內(nèi)風(fēng)機(jī)組變頻控制后可達(dá)到理想的節(jié)電效果,并且空調(diào)效果較佳。
2.4系統(tǒng)流量、壓力保障
本方案的調(diào)節(jié)方式采用閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制,冷卻水泵系統(tǒng)和冷凍水泵系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式基本相同,用溫度傳感器對(duì)冷卻(冷凍)水在主機(jī)上的出口水溫進(jìn)行采樣,轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)后送至溫控器將該信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算后輸出一類比信號(hào)(一般為4-20MA、0-10V等)給PLC,由PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊進(jìn)行溫差閉環(huán)控制,手動(dòng)/自動(dòng)切換和手動(dòng)頻率上升、下降由PLC控制,最后把數(shù)據(jù)傳關(guān)到上位機(jī)人機(jī)界面實(shí)行監(jiān)視控制。變頻器根據(jù)PLC發(fā)出的類比信號(hào)決定其輸出頻率,以達(dá)到改變水泵轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)流量的目的。
冷卻(冷凍)水系統(tǒng)的變頻節(jié)能系統(tǒng)在實(shí)際使用中要考慮水泵的轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程的平方成正比的關(guān)系,以及水泵的轉(zhuǎn)速與管損平方成正比的關(guān)系;在水泵的揚(yáng)程隨轉(zhuǎn)速的降低而降低的同時(shí)管道損失也在降低,因此,系統(tǒng)對(duì)水泵揚(yáng)程的實(shí)際需求一樣要降低;而通過設(shè)定變頻器下限頻率的方法又可保證系統(tǒng)對(duì)水泵揚(yáng)程的最低需求。供水壓力的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)量可以通過PID參數(shù)的調(diào)整。當(dāng)供水需求量減少時(shí),管道壓力逐漸升高,內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器輸出頻率降低,當(dāng)變頻器輸出頻率低至0HZ時(shí),而管道在一設(shè)定時(shí)間內(nèi)還高于設(shè)定壓力,變頻器切斷當(dāng)前變頻控制泵,轉(zhuǎn)而控制下一個(gè)原工頻控制泵,變頻器在水泵控制轉(zhuǎn)換過程中,逐漸輪換使用水泵,使每個(gè)水泵的利用率均等,增加系統(tǒng)、管道壓力的穩(wěn)定性和可靠性。
四、中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造的優(yōu)點(diǎn)
變頻節(jié)能改造后除了可以節(jié)省大量的電能外還具有以下優(yōu)點(diǎn):
1 、只需在中中央空調(diào)冷卻管出水端安裝一個(gè)溫度傳感器(如圖,安裝在冷卻水系統(tǒng)中中央空調(diào)冷卻水出水主管上的B處),簡(jiǎn)單可靠。
2 、當(dāng)冷卻水出水溫度高于溫度上限設(shè)定值時(shí),頻率直接優(yōu)先上調(diào)至上限頻率。
3 、當(dāng)冷卻水出水溫度低于溫度下限設(shè)定值時(shí),頻率直接優(yōu)先下調(diào)至下限頻率。而采用冷卻管進(jìn)、出水溫度差來調(diào)節(jié)很難達(dá)到這點(diǎn)。
4 、當(dāng)冷卻水出水溫度介于溫度下限設(shè)定值與溫度上限設(shè)定值時(shí),通過對(duì)冷卻水出水溫度及溫度上、下限設(shè)定值進(jìn)行PID計(jì)算,從而達(dá)到對(duì)頻率進(jìn)行無極調(diào)速,閉環(huán)控制迅速準(zhǔn)確。
5 、節(jié)能效果更為明顯。當(dāng)冷卻水出水溫度低于溫度上限設(shè)定值時(shí),采用冷卻管進(jìn)、出水溫度差來調(diào)節(jié)方式?jīng)]有將出水溫度低這一因素加入節(jié)能考慮范圍,而僅僅由溫度差來對(duì)頻率進(jìn)行無極調(diào)速,而采用上、下限溫度來調(diào)節(jié)方式充分考慮這一因素,因而節(jié)能效果更為明顯,通過對(duì)多家用戶市場(chǎng)調(diào)查,平均節(jié)電率要提高5 %以上,節(jié)電率達(dá)到20 %以上。額定電流變化,減小了大電流對(duì)電機(jī)的沖擊。
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