中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工作原理

中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工作原理

1 引言

能源的利用情況標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家科技進(jìn)步的水平。在我國(guó)大力推廣節(jié)能產(chǎn)品，禁止使用耗能過(guò)大的設(shè)備，提高能源的利用率，以縮短與世界先進(jìn)國(guó)家的差距，為中國(guó)的現(xiàn)代建設(shè)提供能源的保證。

在中央空調(diào)使用中，它的耗能量是很大的，約占整個(gè)供電部門供電量的4o％ 左右。

例如一家建筑面積為8萬(wàn)多平方米綜合性的大型醫(yī)院，有門診大樓1棟，住院大樓2棟，中央空調(diào)系統(tǒng)有800kW冷卻主機(jī)3臺(tái)，冷凍水泵機(jī)組有93kW電機(jī)4臺(tái)，冷卻水泵機(jī)組有93kW電機(jī)4臺(tái)，通過(guò)對(duì)冷凍水泵機(jī)組和冷卻水泵機(jī)組的變頻節(jié)能的改造使用11個(gè)月，節(jié)約電費(fèi)41.5萬(wàn)元，為中央空調(diào)的節(jié)能，創(chuàng)造了有益的經(jīng)驗(yàn)。

現(xiàn)將其系統(tǒng)組成、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方法作一介紹。

2 中央空調(diào)變頻節(jié)能的原理系統(tǒng)組成中央空調(diào)進(jìn)行變頻節(jié)能系統(tǒng)，需要硬件及軟件技術(shù)的組合，利用矢量控制手段將動(dòng)態(tài)過(guò)程相應(yīng)補(bǔ)償，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)壓、瞬流干擾負(fù)向抑制技術(shù)綜合使用。變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)生的新產(chǎn)品，通過(guò)同步跟蹤，調(diào)壓、調(diào)相、調(diào)節(jié)頻率、瞬流抑制于一體，具有：

(1)恒轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)節(jié)控制電壓，限制電流，使電機(jī)負(fù)載處于最適當(dāng)、最小、最省電力的電壓和電流運(yùn)行狀態(tài)；

(2)矢量控制和模糊邏輯控制的優(yōu)化調(diào)頻技術(shù)，具有最先進(jìn)通用變頻器的全部功能；

(3)由微機(jī)采樣跟蹤，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；

(4)瞬流干擾抑制技術(shù)，過(guò)濾瞬流波動(dòng)減小其所造成的損失和干擾。

正是由于這些優(yōu)勢(shì)，使中央空調(diào)變頻節(jié)能有實(shí)施的理論依據(jù)和進(jìn)行控制的可行性。

其主要應(yīng)考慮的因素有：

1)在中央空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)為保證在天氣溫度最高的情況下能滿足要求，所以按最大的負(fù)荷設(shè)計(jì)并有15％ 左右的富裕量，而平時(shí)使用時(shí)并不能達(dá)到滿負(fù)荷，所以存在較大的裕度，其中主機(jī)常?？梢愿鶕?jù)負(fù)載變化自動(dòng)加載，卸載，而水泵的流量卻不能隨主機(jī)匹配調(diào)節(jié)，存在很大浪費(fèi)；

2)系統(tǒng)的流量壓力必須靠截流閥和旁路閥調(diào)節(jié)來(lái)完成，因此不可避免存在較大截流損失和消耗大流量高壓力主機(jī)，以及低流量小溫差的現(xiàn)象。不僅大量浪費(fèi)電能，而且還可能造成空調(diào)冷暖不適的情形，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備帶來(lái)不利的影響；

3)電機(jī)起動(dòng)電流為額定值的5倍左右。電機(jī)在如此大的電流沖擊下，進(jìn)行頻繁的起停，對(duì)電機(jī)、接觸器觸點(diǎn)、空氣形狀觸點(diǎn)帶來(lái)電弧沖擊，同時(shí)也會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)一定的有害沖擊。同時(shí)起動(dòng)時(shí)帶來(lái)的機(jī)械沖擊和停止時(shí)的承重現(xiàn)象也會(huì)給機(jī)械傳動(dòng)、軸承、閥門等帶來(lái)疲勞損傷。

4)變頻技術(shù)在現(xiàn)代空調(diào)中的使用已成為必然趨勢(shì)，因此這不僅能有效改良現(xiàn)代空調(diào)系統(tǒng)的工藝不足，還能大幅降低能耗節(jié)省運(yùn)行成本。因此，在中央空調(diào)系統(tǒng)中安裝變頻控制系統(tǒng)并設(shè)置閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)，使節(jié)能效果更好。

3 中央空調(diào)變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù),在我國(guó)的南方特別是深圳地區(qū)周圍，每年空調(diào)開的時(shí)間大約1o個(gè)月左右。

這樣一年之中，中央空調(diào)系統(tǒng)中的冷卻泵機(jī)組和冷凍水泵機(jī)組都在固定的大流量下工作。另外由于季節(jié)、晝夜和用戶負(fù)荷的變化，實(shí)際上空調(diào)負(fù)載在絕大部分時(shí)間內(nèi)比設(shè)計(jì)負(fù)載低很多，如圖1和圖2所示。

可由建筑物的實(shí)測(cè)得到熱負(fù)載變化率的情況。這樣，就可以決定水泵流量和壓力的最大(100％)設(shè)計(jì)負(fù)載，這樣相比，一年中負(fù)載率在50%以下的時(shí)間占全部運(yùn)行時(shí)間的50%以上，一般冷凍水設(shè)計(jì)溫差為5～7℃，冷卻水的設(shè)計(jì)溫差為4～6℃，在系統(tǒng)流量固定的情況下，全年絕大部分運(yùn)行時(shí)間溫差僅為1～3℃，即在溫差低、流量大的情況下工作，增加了管路系統(tǒng)的能量損失，浪費(fèi)了水泵運(yùn)行的輸送能量。

一般空調(diào)水泵的耗電量占空調(diào)系統(tǒng)耗電的20～30％。因此，節(jié)約水泵在低負(fù)載時(shí)系統(tǒng)供水輸出能量具有很重要的意義，所以隨負(fù)荷而改變水流量的空調(diào)水泵系統(tǒng)就顯示出巨大的優(yōu)越性，而得到越來(lái)越廣泛的重視及應(yīng)用。

采用變頻器調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速可以很方便地調(diào)節(jié)水的流量其節(jié)能率通?？蛇_(dá)35%～50%左右。

例如水泵的運(yùn)行特性

1)水泵的流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比：Q=N；

2)溫差△T與轉(zhuǎn)速一次方成反比，△T =l/n；

3)揚(yáng)程H 與轉(zhuǎn)速二次方成正比，H=N2；

4)軸功率P與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，P=N3；它們之間的關(guān)系如表1所示。

4 中央空調(diào)變頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變頻系統(tǒng)只涉及冷凍水機(jī)組和冷卻水機(jī)組的變頻調(diào)節(jié)控制。

4．1 冷凍水系統(tǒng)它的水溫取決于蒸發(fā)器的設(shè)定值，回水溫度取決于蒸發(fā)器接收的熱量，中央空調(diào)冷凍水出的溫度與冷凍水的回水溫度設(shè)計(jì)最大溫差為5″C(出水為8″C，回水為13″C)?，F(xiàn)采用在蒸發(fā)器的出水管和回水管上裝有檢測(cè)溫度的變送器。再與PID溫度調(diào)節(jié)器、PLC和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)冷凍水的溫差來(lái)控制，使冷凍水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負(fù)載的變化而變化，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)電機(jī)已達(dá)到工頻時(shí)，還達(dá)不到要求時(shí)就可起動(dòng)第二臺(tái)電機(jī)，工頻運(yùn)行，然后調(diào)控第一臺(tái)電機(jī)。這樣不斷調(diào)整控制，使其達(dá)到最佳的效果。

4．2 冷卻水系統(tǒng)降低水的溫度取決于冷卻塔的工作狀態(tài)，我們只需控制高溫冷卻水的溫度(冷凝器出水口)即可控制溫差。

現(xiàn)采用溫度變送器，PID調(diào)節(jié)器，PLC變頻器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，冷凝器出水溫度控制在T2，(例如38″C)，使冷卻水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負(fù)載的變化而變化。

同樣，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)電機(jī)已達(dá)到工頻時(shí)，還達(dá)不到要求時(shí)，就可起動(dòng)第二臺(tái)電機(jī)實(shí)行工頻運(yùn)行，然后調(diào)控第一臺(tái)電機(jī)，使之達(dá)最佳的狀態(tài)。

5 系統(tǒng)的特點(diǎn)及效果變頻節(jié)能系統(tǒng)由于采用閉環(huán)控制，電機(jī)按需要設(shè)定溫度，使設(shè)備容量隨時(shí)間季節(jié)變化，熱負(fù)荷通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)能在滿足要求的前提下最大限度的節(jié)能，并減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。由于本系統(tǒng)加入了各種保護(hù)措施，使安全可靠性大大提高。本系統(tǒng)進(jìn)行變頻節(jié)能改造后，一直穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行了l1個(gè)月，其數(shù)據(jù)如表2。

以電機(jī)容量90 kW 為例，計(jì)算其變頻節(jié)能效益。

(1)冷凍水泵變頻節(jié)能效益實(shí)際耗電量5298×4=211920kW；

變頻后平均功率2l1920／5839=363 kW；

節(jié)電率(1-36.9/90)×lOO%=59.7%；

節(jié)約費(fèi)用(90×5839—211920)×0.78=244660元

(2)冷卻水泵變頻節(jié)能效益實(shí)際耗電量3452×40=138080kWh；

變頻后平均功率138080／3968=34.8kW；

節(jié)電率(1—34.8／90)×100％ =61.3％，

節(jié)約費(fèi)用(90×3968—138080)×0.78=170851元

兩項(xiàng)節(jié)約費(fèi)用共計(jì)415．511元。由此可見，采用此系統(tǒng)為用戶節(jié)約了成本，提高了效益，取得較好的社會(huì)收益。

6 結(jié)論本文分析了所設(shè)計(jì)的中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的原理，設(shè)計(jì)方法和經(jīng)濟(jì)效益。由于此系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，不少酒店大廈中央空調(diào)的物業(yè)管理部門都十分關(guān)注，并不斷的加入節(jié)能的改造行列，所以前景十分好。因此會(huì)產(chǎn)生較大的影響，為節(jié)能做出貢獻(xiàn)。

7 參考文獻(xiàn)

1 顏全生，等．智能供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2002，14(3)：60～62

2 吳忠智，等．變頻器應(yīng)用手冊(cè)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991

3 三菱變頻調(diào)速器使用手冊(cè)FR—A500 IB(NA)66851-C(0005)ROD AL808系列．1991

4 智能型數(shù)字調(diào)節(jié)器使用說(shuō)明書．2001

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