基于變頻技術(shù)的中央空調(diào)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

摘要：基于變頻技術(shù)，對(duì)中央空調(diào)的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)實(shí)施改造。分析了中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行中出現(xiàn)的高能耗問(wèn)題，闡述了水泵的變頻節(jié)能控制原理，繼而給出了PID調(diào)節(jié)的溫差閉環(huán)控制設(shè)計(jì)方案，最后設(shè)計(jì)了變頻器和PLC的控制電路。本研究為設(shè)計(jì)或使用部門(mén)對(duì)中央空調(diào)的改造提供一定借鑒。
關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；變頻技術(shù)；冷卻水循環(huán)系統(tǒng)；改造；設(shè)計(jì)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，中央空調(diào)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在的民用和公共建筑中。中央空調(diào)為人們創(chuàng)造舒適環(huán)境的同時(shí)，其耗電量卻不能被忽視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中央空調(diào)的耗電量占各類(lèi)大型建筑總用電量的60％以上，其中僅水泵電機(jī)的耗電量約占到空調(diào)系統(tǒng)耗電量的20％～40％。而在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，中央空調(diào)的各電機(jī)都長(zhǎng)期工頻恒速運(yùn)行，雖然可滿足最大的用戶負(fù)荷，但不能隨用戶負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，而在90％的時(shí)間都是低負(fù)荷運(yùn)行，這樣就造成很大的能源浪費(fèi)。空調(diào)能耗不僅給城市能源、環(huán)境保護(hù)帶來(lái)巨大壓力，而且也給建筑的經(jīng)營(yíng)者帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。在低碳生活的呼聲越來(lái)越高的情形下，中央空調(diào)的巨大的耗水耗電量的現(xiàn)狀必須得到改變，因此采用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)約低負(fù)荷時(shí)主機(jī)系統(tǒng)和水泵、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的電能消耗，具有極其重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與冷卻水循環(huán)系統(tǒng)
如圖1所示，中央空調(diào)一般由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及主機(jī)3部分組成。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔和冷凝器等組成。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱交換時(shí)，冷凍主機(jī)產(chǎn)生大量熱量，該熱量通過(guò)主機(jī)內(nèi)的制冷劑傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水(出水)壓入冷卻水塔，由冷卻塔對(duì)其進(jìn)行自然冷卻或通過(guò)冷卻塔風(fēng)機(jī)對(duì)其進(jìn)行噴淋式強(qiáng)迫風(fēng)冷，使之與空氣進(jìn)行熱交換，待溫度降低后(回水)再送回冷凍主機(jī)的冷凝器。

2 水泵的變頻節(jié)能控制原理
水泵運(yùn)行時(shí)，通常采用閥門(mén)調(diào)節(jié)來(lái)滿足工藝對(duì)流量的變化要求，即所謂節(jié)流調(diào)節(jié)。在節(jié)流調(diào)節(jié)過(guò)程中，水泵的固有機(jī)械特性不變，僅僅靠調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，人為地增加管路的阻力來(lái)減小流量，因此增大了管路系統(tǒng)的損失。

圖2為閥門(mén)調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速控的3種不同的工況下運(yùn)行時(shí)的能量變化曲線。曲線(1)(2)分別為水泵在額定轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)速n2運(yùn)行時(shí)的特性曲線，曲線(3)(4)為水泵管路閥門(mén)全開(kāi)和部分開(kāi)時(shí)的管阻特性曲線。當(dāng)不變速也不調(diào)節(jié)流量，工況點(diǎn)是曲線(1)、(3)的交點(diǎn)A點(diǎn)，此時(shí)水泵所需的功率正比AQ1OH1所圍成的面積。水泵全速運(yùn)行用閥門(mén)控制時(shí)，即節(jié)流調(diào)節(jié)。當(dāng)流量要求從Q1減小到Q2，必須關(guān)小閥門(mén)。這時(shí)閥門(mén)的磨擦阻力變大，管阻特性曲線從(3)移到(4)，揚(yáng)程則從H1上升到H2，運(yùn)行工況點(diǎn)從A點(diǎn)移到B點(diǎn)。這時(shí)水泵所需的功率正比于BQ2OH2所圍成的面積。當(dāng)水泵采用變頻調(diào)速控制方式運(yùn)行時(shí)，要求流量從Q1減小到Q2，由于管阻特性曲線(3)不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，則速度從n1降到n2，揚(yáng)程從H1下降到H3，運(yùn)行工況點(diǎn)則從A點(diǎn)移到C點(diǎn)。這時(shí)水泵所需的功率正比于CQ2OH3所圍成的面積。
由圖2可見(jiàn)，四邊形CQ2OH3的面積總是小于四邊形BQ2OH2的面積，功率的減少是非常明顯的，閥門(mén)控制流量時(shí)，有BH2H3C的功率被損耗浪費(fèi)掉了，且隨著閥門(mén)不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。而用轉(zhuǎn)速控制時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的所需功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。那么在運(yùn)轉(zhuǎn)同樣流量的情況下，原來(lái)消耗在閥門(mén)的功率就可以全避免，取得良好的節(jié)能效果，這就是水泵變頻調(diào)速節(jié)能的基本原理。