中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造方案

1 概述

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，而且是某些生活環(huán)境或生產(chǎn)工序中所必須配備的，即所謂人造環(huán)境，不僅是溫度的要求，還有濕度、潔凈度等。之所以要求配置中央空調(diào)系統(tǒng)，目的在于提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高人的舒適度，而且集中供冷供熱效率高，便于管理，節(jié)省投資等。為此，幾乎所有企業(yè)、高層商廈、商務(wù)大樓、會(huì)場(chǎng)、劇場(chǎng)、辦公室、圖書館、賓館、商場(chǎng)、超市、酒店、娛樂場(chǎng)、體育館等中大型建筑上都采用中央空調(diào)，它是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一，但由于它的電能消耗非常之大，是用電大戶，幾乎占了用電量的50%以上，因此其日常開支費(fèi)用很大。

中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì)的，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)，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、D/A轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等部件的有機(jī)結(jié)合，可構(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，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。

2 中央空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

如圖1所示，中央空調(diào)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成。

2.1 冷凍機(jī)組

通往各個(gè)房間的循環(huán)水經(jīng)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”。

2.2 冷凍水塔

用于為冷凍機(jī)組提供“冷卻水”。

2.3 “外部熱交換”系統(tǒng)

此系統(tǒng)由兩個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)組成：

1)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;

2)冷卻水循環(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，促使冷卻水溫度升高，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)組所釋放的熱量。

2.4 冷卻風(fēng)機(jī)

1)室內(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。

2)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)組改造后的節(jié)電效果最為理想。因此我們將重點(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，次要說明冷卻風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)改造。

3 中央空調(diào)系統(tǒng)變頻改造的具體方案

現(xiàn)將淅江省嘉興市某集團(tuán)公司辦公樓的中央空調(diào)系統(tǒng)的變頻節(jié)能改造方案做一具體介紹。

3.1 中央空調(diào)原系統(tǒng)存在的問題

該集團(tuán)中央空調(diào)系統(tǒng)改造前的主要設(shè)備和控制方式：

1)450 t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;

2)冷凍水泵2臺(tái)，揚(yáng)程28 m，配用功率45 kW;

3)冷卻水泵有2臺(tái)，揚(yáng)程35m，配用功率75 kW，冷凍水泵與冷卻水泵均采用一用一備的方式運(yùn)行;

4)冷卻塔2臺(tái)，風(fēng)扇電機(jī)11 kW，并聯(lián)運(yùn)行，室內(nèi)風(fēng)機(jī)4臺(tái)，5.5 kW，并聯(lián)運(yùn)行。

該集團(tuán)是一家合資企業(yè)，為了給員工營造一個(gè)良好的工作環(huán)境，辦公樓大部分空間采用全封密的模式，因此公司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。除了一些節(jié)假日外，其它時(shí)間中央空調(diào)都是全開的。由于中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)按天氣最熱、負(fù)荷最大時(shí)設(shè)計(jì)，且留有10%~20%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)。

原系統(tǒng)中冷凍、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)械部件、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，結(jié)果只能是用大流量獲得小溫差。這樣，不僅浪費(fèi)能量，也惡化了系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)

境與運(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。

針對(duì)上述實(shí)際情況，對(duì)該集團(tuán)的中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施了利用變頻器、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)的方案。主要對(duì)冷凍、冷卻水泵進(jìn)行了變頻調(diào)速技術(shù)改造，達(dá)到節(jié)約電能、穩(wěn)定系統(tǒng)、延長(zhǎng)設(shè)備壽命，提高環(huán)境舒適度的目的。

3.2 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的具體方案

對(duì)該中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行變頻節(jié)能改造的具體裝機(jī)清單如表1所列。

3.2.1 變頻節(jié)電原理

由流體傳輸設(shè)備(水泵、風(fēng)機(jī))的工作原理可知：水泵、風(fēng)機(jī)的流量(風(fēng)量)與其轉(zhuǎn)速成正比;水泵、風(fēng)機(jī)的壓力(揚(yáng)程)與其轉(zhuǎn)速的平方成正比;而水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比(即與電源頻率的

三次方成正比)。變頻器節(jié)能的效果是十分顯著的，這種節(jié)能回報(bào)是看得見的。特別是調(diào)節(jié)范圍大、啟動(dòng)電流大的系統(tǒng)及設(shè)備，通過圖2 可以直觀地看出在流量變化時(shí)只要對(duì)轉(zhuǎn)速(頻率)稍作改變就會(huì)使水泵軸功率有更大程度上的改變，此特點(diǎn)使得使用變頻器進(jìn)行調(diào)速成為一種趨勢(shì)，而且不斷深入并應(yīng)用于各行各業(yè)的調(diào)速領(lǐng)域。

根據(jù)上述原理可知：改變水泵、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可改變水泵、風(fēng)機(jī)的輸出功率。

圖中陰影部分為同一臺(tái)水泵的工頻運(yùn)行狀態(tài)與變頻運(yùn)行狀態(tài)在隨著流量變化所消耗的功率差。

3.2.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)和控制方式

根據(jù)中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻水系統(tǒng)的一般裝機(jī)形式，建議在冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)各裝兩套傳動(dòng)之星SD-YP 系列一體化變頻調(diào)速控制柜，其中冷卻變頻調(diào)速控制柜供兩臺(tái)冷卻水泵切換(循環(huán))使用，

冷凍變頻調(diào)速控制柜供兩臺(tái)冷凍水泵切換(循環(huán))使用。變頻節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)是在保留原工頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改裝的，變頻節(jié)能系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制功能與原工頻系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制功能相同，變頻節(jié)能系統(tǒng)與原工頻系統(tǒng)之間設(shè)置了聯(lián)鎖保護(hù)，以確保系統(tǒng)工作安全。利用變頻器、人機(jī)界面、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，為達(dá)到節(jié)能的目的提供了可靠的技術(shù)條件。如圖3所示，給出了主電路具體的改造方案。

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