概述

中央空調系統在現代企業及生活環境改善方面極為普遍,而且某此生活環境或生產工序中是屬必須的,即所謂人造環境,不僅是溫度的要求,還有濕度、潔凈度等。至所以要中央空調系統,目的是提高產品質量,提高人的舒適度,集中供冷供熱效率高,便管理,節省投資等原因,為此幾乎企業、高層商廈、商務大樓、會場、劇場、辦公室、圖書館、賓館、商場、超市、酒店、娛樂場、體育館等中大型建筑上都采用中央空調的,它是現代大型建筑物不可缺少的配套設施之一,電能的消耗非常之大,是用電大戶,幾乎占了用電量50%以上,日常開支費用很大。

由于中央空調系統都是按最大負載并增加一定余量設計,而實際上在一年中,滿負載下運行最多只有十多天,甚至十多個小時,幾乎絕大部分時間負載都在70%以下運行。通常中央空調系統中冷凍主機的負荷能隨季節氣溫變化自動調節負載,而與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動調節負載,幾乎長期在100%負載下運行,造成了能量的極大浪費,也惡化了中央空調的運行環境和運行質量。

隨著變頻技術的日益成熟,利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結合,構成溫差閉環自動控制系統,自動調節水泵的輸出流量;采用變頻調速技術不僅能使商場室溫維持在所期望的狀態,讓人感到舒適滿意,可使整個系統工作狀態平緩穩定,更重要的是其節能效果高達30%以上,能帶來很好的經濟效益。

水泵節能改造的必要性

中央空調是大廈里的耗電大戶,每年的電費中空調耗電占60% 左右,因此中央空調的節能改造顯得尤為重要。

由于設計時,中央空調系統必須按天氣最熱、負荷最大時設計,并且留10-20%
設計余量,然而實際上絕大部分時間空調是不會運行在滿負荷狀態下,存在較大的富余,所以節能的潛力就較大,其中,冷凍主機可以根據負載變化隨之加載或減載,冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負載變化作出相應調節,存在很大的浪費。

水泵系統的流量與壓差是靠閥門和旁通調節來完成,因此,不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現象,不僅大量浪費電能,而且還造成中央空調最末端達不到合理效果的情況。為了解決這些問題需使水泵隨著負載的變化調節水流量并關閉旁通。

再因水泵采用的是Y- △起動方式,電機的起動電流均為其額定電流的3 ~ 4倍,一臺90KW的電動機其起動電流將達到500A
,在如此大的電流沖擊下,接觸器、電機的使用壽命大大下降,同時,起動時的機械沖擊和停泵時水垂現象,容易對機械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞,從而增加維修工作量和備品、備件費用。

采用變頻器控制能根據冷凍水泵和冷卻水泵負載變化隨之調整水泵電機的轉速,在滿足中央空調系統正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵作出相應調節,以達到節能目的。水泵電機轉速下降,電機從電網吸收的電能就會大大減少。

  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為改變后的轉速, N0為電機原來的轉速, P0為原電機轉速下的電機消耗功率,
Q0為原電機轉速下所產生的水泵流量。由上式可以看出流量的減少與轉速減少的一次方成正比,但功耗的減少卻與轉速減少的三次方成正比。如:假設原流量為100個單位,耗能也為100個單位,如果轉速降低10個單位,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個單位,即比原來減少27.1% 。

再因變頻器是軟啟動方式,采用變頻器控制電機后,電機在起動時及運轉過程中均無沖擊電流,而沖擊電流是影響接觸器、電機使用壽命最主要、最直接的因素,同時采用變頻器控制電機后還可避免水垂現象,因此可大大延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。

中央空調系統構成及工作原理

中央空調系統水泵變頻節能改造方案-濰坊空氣源工程安裝公司

1、冷凍機組:通往各個房間的循環水由冷凍機組進行“內部熱交換”作用,使冷凍水降溫為5~7℃。并通過循環水系統向各個空調點提供外部熱交換源。內部熱交換產生的熱量,通過冷卻水系統在冷卻塔中向空氣中排放。內部熱交換系統是中央空調的“制冷源”。

2、冷凍水塔:用于為冷凍機組提供“冷卻水”。

3、“外部熱交換”系統:由兩個循環水系統組成:

⑴、冷凍水循環系統由冷凍泵及冷凍管道組成。從冷凍機組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道,在各個房間內進行熱交換,帶走房間內的熱量,使房間內的溫度下降。

⑵、冷卻水循環系統由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍機組進行熱交換,使水溫冷卻的同時,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行熱交換,然后再將降了溫的冷卻水,送回到冷凍機組,如此不斷循環,帶走冷凍機組成釋放的熱量。

4、冷卻風機

⑴、室內風機:安裝于所有需要降溫的房間內,用于將由冷凍水冷卻了的冷空氣吹入房間,加速房間內的熱交換;

⑵、冷卻塔風機用于降低冷卻塔中的水溫,加速將“回水”帶回的熱量散發到大氣中去。

中央空調系統的四個部分都可以實施節電改造。但冷凍水機組和冷卻水機組的改造改造后節電效果最為理想,文章中我們將重點闡述對冷凍機組和冷卻機組的變頻調速技術改造。

中央空調變頻系統改造方案

現將內蒙古某飯店的中央空調系統的變頻節能改造方案做一具體介紹。

1.中央空調原系統簡介:

1.1該集飯店中央空調系統改造前的主要設備和控制方式:450冷噸冷氣主機2臺,型號為特靈二極式離心機,兩臺并聯運行;冷凍水泵2臺,揚程28米配有功率45KW,冷卻水泵有2臺,揚程35米,配用功率75KW。均采用兩用一備的方式運行。冷卻塔2臺,風扇電機11KW,并聯運行。室內風機4臺,5.5KW,并聯運行。

1.2原系統的運行及存在問題:該飯店是一家五星飯店,為了給客入營造一個良好的居住環境,飯店大部空間采用全封密的,且飯店大部分空間自然通風效果不好,所以對夏季冷氣質量的要求較高。由于中央空調系統設計時必須按天氣最熱、負荷最大時設計,且留有10%-20%左右的設計余量。其中冷凍主機可以根據負載變化隨之加載或減載,冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負載變化作出相應的調節。這樣,冷凍水、冷卻水系統幾乎長期在大流量、小溫差的狀態下運行,造成了能量的極大浪費。而且冷凍、冷卻水泵采用的均是Y-△起動方式,電機的起動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,啟動時的機械沖擊和停泵時的水錘現象,容易對機械器件、軸承、閥門和管道等造成破壞,從而增加維修工作量、維修費用、設備也容易老化。另外由于冷凍泵軸輸送的冷量不能跟隨系統實際負荷的變化,其熱力工況的平衡只能由人工調整冷凍主機出水溫度,以及大流量小溫差來掩蓋。這樣,不僅浪費能量,也惡化了系統的運行環境、運行質量。特別是在環境溫度偏低、某些末端設備溫控稍有失靈或靈敏度不高時,將會導致大面積空調室溫偏冷,感覺不適,嚴重干擾中央空調系統的運行質量。因為空調偏冷的問題經常接到客人的投訴,處理這些投訴造成不少人力資源的浪費。

根據實際情況,我們向該飯店負責人提出:利用變頻器、人機界面、PLC、數模轉換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等構成的溫差閉環自動調速系統。對冷凍、冷卻水泵進行改造,以節約電能、穩定系統、延長設備壽命。

2.中央空調系統節能改造的具體方案

中央空調系統通常分為冷凍(媒)水和冷卻水兩個系統(如下圖,左半部分為冷凍(媒)水系統,右半部分為冷卻水系統)。根據國內外最新資料介紹,并多處通過對在中央空調水泵系統進行閉環控制改造的成功范例進行考察,現在水泵系統節能改造的方案大都采用變頻器來實現。

中央空調系統水泵變頻節能改造方案-濰坊空氣源工程安裝公司

2.1 、冷凍(媒)水泵系統的閉環控制

制冷模式下冷凍水泵系統的閉環控制

該方案在保證最末端設備冷凍水流量供給的情況下,確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率,將其設定為下限頻率并鎖定,變頻冷凍水泵的頻率調節是通過安裝在冷凍水系統回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度,再經由溫度控制器設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定溫度時頻率無極上調。

該模式是在中中央空調中熱泵運行(即制熱)時冷凍水泵系統的控制方案。同制冷模式控制方案一樣,在保證最末端設備冷凍水流量供給的情況下,確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率,將其設定為下限頻率并鎖定,變頻冷凍水泵的頻率調節是通過安裝在冷凍水系統回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度,再經由溫度控制器設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定溫度時頻率無極上調,當溫度傳感檢測到的冷凍水回水溫越高,變頻器的輸出頻率越低。

2.2 、 冷卻水系統的閉環控制

目前,在冷卻水系統進行改造的方案最為常見,節電效果也較為顯著。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節冷卻水流量,當中中央空調冷卻水出水溫度低時,減少冷卻水流量;當中中央空調冷卻水出水溫度高時,加大冷卻水流量,從而達到在保證中中央空調機組正常工作的前提下達到節能增效的目的。

現有的控制方式大都先確定一個冷卻泵變頻器工作的最小工作頻率,將其設定為:

下限頻率并鎖定,變頻冷卻水泵的頻率是取冷卻管進、出水溫度差和出水溫度信號來調節,當進、出水溫差大于設定值時,頻率無極上調,當進、出水溫差小于設定值時,頻率無極下調,同時當冷卻水出水溫度高于設定值時,頻率優先無極上調,當冷卻水出水溫度低于設定值時,按溫差變化來調節頻率,進、出水溫差越大,變頻器的輸出頻率越高;進、出水溫差越小,變頻器的輸出頻率越低。

2.3該中央空調節能系統具體裝機清單如表二:

配件 PLC 西門子S7300 一臺

人機界面 西門子 一臺

溫度傳感器 丹佛斯 兩個

溫度模塊 歐姆龍 兩個

數字轉換模塊 歐姆龍 兩個

2.4介紹變頻節電原理:

變頻節能原理:由流體傳輸設備(水泵、風機)的工作原理可知:水泵、風機的流量(風量)與其轉速成正比;水泵、風機的壓力(揚程)與其轉速的平方成正比,而水泵、風機的軸功率等于流量與壓力的乘積,故水泵、風機的軸功率與其轉速的三次方成正比(即與電源頻率的三次方成正比)。變頻器節能的效果是十分顯著的,這種節能回報是看到見的。特別是調節范圍大、啟動電流大的系統及設備,通過圖三可以直觀的看出在流量變化時只要對轉速(頻率)稍作改變就會使水泵軸功率有更大程度上的改變,就因此特點使得變頻調速裝置成為一種趨勢,而且不斷深入并應用于各行各業的調速領域。

根據上述原理可知:改變水泵、風機的轉速就可改變水泵、風機的輸出功率。

圖中陰影部分為同一臺水泵的工頻運行狀態與變頻運行狀態在隨著流量變化所耗功率差。

中央空調系統水泵變頻節能改造方案-濰坊空氣源工程安裝公司

2.5介紹系統電路設計和控制方式

根據中央空調系統冷卻水系統的一般裝機,建議在冷卻水系統和冷凍水系統各裝兩套ABB
ACS800一體化變頻調速控制柜,其中冷卻變頻調速控制柜供兩臺冷卻水泵切換(循環)使用,冷凍變頻調速控制柜供兩臺冷凍水泵切換(循環)使用。變頻節能調速系統是在保留原工頻系統的基礎上加裝改裝的,變頻節能系統的聯動控制功能與原工頻系統的聯動控制功能相同,變頻節能系統與原工頻系統之間設置了聯鎖保護,以確保系統工作安全。利用變頻器、人機界面、PLC、數模轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結合,構成溫差閉環自動控制系統,自動調節水泵的輸出流量,為了達到節能目的提供了可靠的技術條件。如圖四所示:  

中央空調系統水泵變頻節能改造方案-濰坊空氣源工程安裝公司

2.6系統主電路的控制設計

根據具體情況,同時考慮到成本控制,原有的電器設備盡可能的利用。冷凍水泵及冷卻水泵均采用一用一備的方式運行,因備用泵轉換時間與空調主機轉換時間一致,均為一個月轉換一次,切換頻率不高,決定將冷凍水泵和冷卻水泵電機的主備切換控制利用原有電器設備,通過接觸器、啟停按鈕、轉換開關進行電氣和機械互鎖。確保每臺水泵只能由一臺變頻器拖動,避免兩臺變頻器同時拖動同一臺水泵造成交流短路事故;并且每臺變頻器任何時間只能拖動一臺水泵,以免一臺變頻器同時拖動兩臺水泵而過載。

2.7系統功能控制方式

上位機監控系統主要通過人機界面完成對工藝參數的檢測、各機組的協調控制以及數據的處理、分析等任務,下位機PLC主要完成數據采集,現場設備的控制及連鎖等功能。具體工作流程:開機:開啟冷水及冷卻水泵,由PLC控制冷水及冷卻水泵的啟停,由冷水及冷卻水泵的接觸器向制冷機發出聯鎖信號,開啟制冷機,由變頻器、溫度傳感器、溫度模塊組成的溫差閉環控制電路對水泵進行調速以控制工作流量,同時PLC控制冷卻塔根據溫度傳感器信號自動選擇開啟臺數。當過濾網前后壓差超出設定值時,PLC發出過濾堵塞報警信號。送風機轉速的快慢是由回風溫度與系統設定值相比較后,用PID方式控制變頻器,從而調節風機的轉速,達到調節回風溫度的目的。停機:關閉制冷機,冷水及冷卻水泵以及冷卻塔延時十五分鐘后自動關閉。保護:由壓力傳感器控制冷水及冷卻水的缺水保護,壓力偏低時自動開啟補水泵補水。

2.8介紹系統節能改造原理

中央空調系統水泵變頻節能改造方案-濰坊空氣源工程安裝公司

1、對冷凍泵進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的回水溫度和出水溫度讀入控制器內存,并計算出溫差值;然后根據冷凍機的回水與出水的溫差值來控制變頻器的轉速,調節出水的流量,控制熱交換的速度;溫差大,說明室內溫度高系統負荷大,應提高冷凍泵的轉速,加快冷凍水的循環速度和流量,加快熱交換的速度;反之溫差小,則說明室內溫度低,系統負荷小,可降低冷凍泵的轉速,減緩冷凍水的循環速度和流量,減緩熱交換的速度以節約電能;

2、對冷卻泵進行變頻改造由于冷凍機組運行時,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行不斷循環的。

冷卻水進水出水溫差大,說明冷凍機負荷大,需冷卻水帶走的熱量大,應提高冷卻泵的轉速,加大冷卻水的循環量;溫差小,則說明,冷凍機負荷小,需帶走的熱量小,可降低冷卻泵的轉速,減小冷卻水的循環量,以節約電能。

3、冷卻塔風機變頻控制通過檢測冷卻塔水溫度對冷卻塔風機進行變頻調速閉環控制,使冷卻塔水溫度恒定在設定溫度,可以有效地節省風機的電能額外損耗,能達到最佳節電效果。

4、室內風機組變頻控制通過檢測冷房溫度對變風機組的風機進行變頻調速閉環控制,實現冷房溫度恒定在設定溫度。室內風機組變頻控制后可達到理想的節電效果,并且空調效果較佳。

2.5系統流量、壓力保障

本方案的調節方式采用閉環自動調節控制,冷卻水泵系統和冷凍水泵系統的調節方式基本相同,用溫度傳感器對冷卻(冷凍)水在主機上的出口水溫進行采樣,轉換成電量信號后送至溫控器將該信號與設定值進行比較運算后輸出一類比信號(一般為4-20MA、0-10V等)給PLC,由PLC、數模轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊進行溫差閉環控制,手動/自動切換和手動頻率上升、下降由PLC控制,最后把數據傳關到上位機人機界面實行監視控制。變頻器根據PLC發出的類比信號決定其輸出頻率,以達到改變水泵轉速并調節流量的目的。

冷卻(冷凍)水系統的變頻節能系統在實際使用中要考慮水泵的轉速與揚程的平方成正比的關系,以及水泵的轉速與管損平方成正比的關系;在水泵的揚程隨轉速的降低而降低的同時管道損失也在降低,因此,系統對水泵揚程的實際需求一樣要降低;而通過設定變頻器下限頻率的方法又可保證系統對水泵揚程的最低需求。供水壓力的穩定和調節量可以通過PID參數的調整。當供水需求量減少時,管道壓力逐漸升高,內部PID調節器輸出頻率降低,當變頻器輸出頻率低至0HZ時,而管道在一設定時間內還高于設定壓力,變頻器切斷當前變頻控制泵,轉而控制下一個原工頻控制泵,變頻器在水泵控制轉換過程中,逐漸輪換使用水泵,使每個水泵的利用率均等,增加系統、管道壓力的穩定性和可靠性。

中央空調系統進行變頻改造的優點

變頻節能改造后除了可以節省大量的電能外還具有以下優點:

1 、只需在中中央空調冷卻管出水端安裝一個溫度傳感器(如圖,安裝在冷卻水系統中中央空調冷卻水出水主管上的B處),簡單可靠。

2 、當冷卻水出水溫度高于溫度上限設定值時,頻率直接優先上調至上限頻率。

3 、當冷卻水出水溫度低于溫度下限設定值時,頻率直接優先下調至下限頻率。而采用冷卻管進、出水溫度差來調節很難達到這點。

4
、當冷卻水出水溫度介于溫度下限設定值與溫度上限設定值時,通過對冷卻水出水溫度及溫度上、下限設定值進行PID計算,從而達到對頻率進行無極調速,閉環控制迅速準確。

5
、節能效果更為明顯。當冷卻水出水溫度低于溫度上限設定值時,采用冷卻管進、出水溫度差來調節方式沒有將出水溫度低這一因素加入節能考慮范圍,而僅僅由溫度差來對頻率進行無極調速,而采用上、下限溫度來調節方式充分考慮這一因素,因而節能效果更為明顯,通過對多家用戶市場調查,平均節電率要提高5
%以上,節電率達到20 %以上。

額定電流變化,減小了大電流對電機的沖擊;