中央空调节能系统的设计及实现

  摘要：本文介绍中央空调系统中的冷却水系统、冷冻水系统在满足供冷质量的情况下最佳的节能方法、原理及实现。
 
    1 引言
 
    能源的利用情况标志着一个国家科技进步的水平。在我国大力推广节能产品，禁止使用耗能过大的设备，提高能源的利用率，以缩短与世界先进国家的差距，为中国的现代建设提供能源的保证。在中央空调使用中，它的耗能量是很大的，约占整个供电部门供电量的4o％ 左右。例如一家建筑面积为8万多平方米综合性的大型医院，有门诊大楼1栋，住院大楼2栋，中央空调系统有800kW冷却主机3台，冷冻水泵机组有93kW电机4台，冷却水泵机组有93kW电机4台，通过对冷冻水泵机组和冷却水泵机组的变频节能的改造使用11个月，节约电费41.5万元，为中央空调的节能，创造了有益的经验。现将其系统组成、设计、实现方法作一介绍。
 
    2 中央空调变频节能的原理系统组成
 
    中央空调进行变频节能系统，需要硬件及软件技术的组合，利用矢量控制手段将动态过程相应补偿，恒转矩调压、瞬流干扰负向抑制技术综合使用。变频调速技术产生的新产品，通过同步跟踪，调压、调相、调节频率、瞬流抑制于一体，具有：
 
    (1)恒转矩的条件下调节控制电压，限制电流，使电机负载处于最适当、最小、最省电力的电压和电流运行状态；
　　(2)矢量控制和模糊逻辑控制的优化调频技术，具有最先进通用变频器的全部功能；
　　(3)由微机采样跟踪，实现功率因数动态补偿；
　　(4)瞬流干扰抑制技术，过滤瞬流波动减小其所造成的损失和干扰。
 
    正是由于这些优势，使中央空调变频节能有实施的理论依据和进行控制的可行性。其主要应考虑的因素有：
 
    1)在中央空调设计时为保证在天气温度最高的情况下能满足要求，所以按最大的负荷设计并有15％ 左右的富裕量，而平时使用时并不能达到满负荷，所以存在较大的裕度，其中主机常常可以根据负载变化自动加载，卸载，而水泵的流量却不能随主机匹配调节，存在很大浪费；
　　2)系统的流量压力必须靠截流阀和旁路阀调节来完成，因此不可避免存在较大截流损失和消耗大流量高压力主机，以及低流量小温差的现象。不仅大量浪费电能，而且还可能造成空调冷暖不适的情形，同时对系统设备带来不利的影响；
　　3)电机起动电流为额定值的5倍左右。电机在如此大的电流冲击下，进行频繁的起停，对电机、接触器触点、空气形状触点带来电弧冲击，同时也会给电网带来一定的有害冲击。同时起动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会给机械传动、轴承、阀门等带来疲劳损伤。
　　4)变频技术在现代空调中的使用已成为必然趋势，因此这不仅能有效改良现代空调系统的工艺不足，还能大幅降低能耗节省运行成本。因此，在中央空调系统中安装变频控制系统并设置闭环自动调节，使节能效果更好。
 
    3 中央空调变频系统设计的依据
 
    在我国的南方特别是深圳地区周围，每年空调开的时间大约1o个月左右。这样一年之中，中央空调系统中的冷却泵机组和冷冻水泵机组都在固定的大流量下工作。另外由于季节、昼夜和用户负荷的变化，实际上空调负载在绝大部分时间内比设计负载低很多，如图1和图2所示。
    可由建筑物的实测得到热负载变化率的情况。这样，就可以决定水泵流量和压力的最大(100％)设计负载，这样相比，一年中负载率在50%以下的时间占全部运行时间的50%以上，一般冷冻水设计温差为5～7℃，冷却水的设计温差为4～6℃，在系统流量固定的情况下，全年绝大部分运行时间温差仅为1～3℃，即在温差低、流量大的情况下工作，增加了管路系统的能量损失，浪费了水泵运行的输送能量。一般空调水泵的耗电量占空调系统耗电的20～30％。因此，节约水泵在低负载时系统供水输出能量具有很重要的意义，所以随负荷而改变水流量的空调水泵系统就显示出巨大的优越性，而得到越来越广泛的重视及应用。采用变频器调节泵的转速可以很方便地调节水的流量其节能率通常可达35%～50%左右。例如水泵的运行特性如下：
 
    1)水泵的流量与转速的一次方成正比：Q=N；
　　2)温差△T与转速一次方成反比，△T =l/n；
　　3)扬程H 与转速二次方成正比，H=N2；
　　4)轴功率P与转速的三次方成正比，P=N3；
 
它们之间的关系如表1所示。
           
    4 中央空调变频系统的设计
 
    变频系统只涉及冷冻水机组和冷却水机组的变频调节控制。
 
    4.1 冷冻水系统
 
    它的水温取决于蒸发器的设定值，回水温度取决于蒸发器接收的热量，中央空调冷冻水出的温度与冷冻水的回水温度设计最大温差为5"C(出水为8"C，回水为13"C)。现采用在蒸发器的出水管和回水管上装有检测温度的变送器。再与PID温度调节器、PLC和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差来控制，使冷冻水泵机组的转速相应于热负载的变化而变化，当第一台电机已达到工频时，还达不到要求时就可起动第二台电机，工频运行，然后调控第一台电机。这样不断调整控制，使其达到最佳的效果。

    4.2 冷却水系统
 
    降低水的温度取决于冷却塔的工作状态，我们只需控制高温冷却水的温度(冷凝器出水口)即可控制温差。现采用温度变送器，PID调节器，PLC变频器组成的闭环控制系统，冷凝器出水温度控制在T2，(例如38"C)，使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化。同样，当第一台电机已达到工频时，还达不到要求时，就可起动第二台电机实行工频运行，然后调控第一台电机，使之达最佳的状态。

    5 系统的特点及效果
 
    变频节能系统由于采用闭环控制，电机按需要设定温度，使设备容量随时间季节变化，热负荷通过转速调节能在满足要求的前提下最大限度的节能，并减少对电网的冲击。由于本系统加入了各种保护措施，使安全可靠性大大提高。本系统进行变频节能改造后，一直稳定连续运行，累计运行了l1个月，其数据如表2。
 
    以电机容量90 kW 为例，计算其变频节能效益。
 
    (1)冷冻水泵变频节能效益
　　　 实际耗电量5298×4=211920kW；
　　　 变频后平均功率2l1920／5839=363 kW；
　　　 节电率(1-36.9/90)×lOO%=59.7%；
　　　 节约费用(90×5839—211920)×0.78=244660元
 
    (2)冷却水泵变频节能效益
　　　 实际耗电量3452×40=138080kWh；
　　　 变频后平均功率138080／3968=34.8kW；
　　　 节电率(1—34.8／90)×100％ =61.3％，
　　　 节约费用(90×3968—138080)×0.78=170851元
 
    两项节约费用共计415．511元。由此可见，采用此系统为用户节约了成本，提高了效益，取得较好的社会收益。
 
    6 结论
 
    本文分析了所设计的中央空调节能系统的原理，设计方法和经济效益。由于此系统节能效果显著，不少酒店大厦中央空调的物业管理部门都十分关注，并不断的加入节能的改造行列，所以前景十分好。因此会产生较大的影响，为节能做出贡献。