中央空調系統(tǒng)變頻節(jié)能改造方案
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1 概述
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201808/387624.htm中央空調系統(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系統(tǒng)，目的在于提高產品質量，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，它是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設施之一，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，因此其日常開支費用很大。
中央空調系統(tǒng)都是按最大負載并增加一定余量設計的，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，絕大部分時間負載都在70%以下運行。通常，中央空調系統(tǒng)中冷凍主機的負荷能隨季節(jié)氣溫變化自動調節(jié)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(jié)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(huán)境和運行質量。
隨著變頻技術的日益成熟，利用變頻器、PLC、D/A轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等部件的有機結合，可構成溫差閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調節(jié)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(tài)，讓人感到舒適滿意，使整個系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定，更重要的是其節(jié)能效果高達30%以上，能帶來很好的經濟效益。
2 中央空調系統(tǒng)構成及工作原理
如圖1所示，中央空調系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成。
2.1 冷凍機組
通往各個房間的循環(huán)水經由冷凍機組進行“內部熱交換”作用，使冷凍水降溫為5~7℃。并通過循環(huán)水系統(tǒng)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(tǒng)在冷卻塔中向空氣中排放。內部熱交換系統(tǒng)是中央空調的“制冷源”。
2.2 冷凍水塔
用于為冷凍機組提供“冷卻水”。
2.3 “外部熱交換”系統(tǒng)
此系統(tǒng)由兩個循環(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;
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，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(huán)，帶走冷凍機組所釋放的熱量。
2.4 冷卻風機
1)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。
2)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(fā)到大氣中去。
中央空調系統(tǒng)的四個部分都可以實施節(jié)電改造，但冷凍水機組和冷卻水機組改造后的節(jié)電效果最為理想。因此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，次要說明冷卻風機的變頻調速技術改造。
3 中央空調系統(tǒng)變頻改造的具體方案
現(xiàn)將淅江省嘉興市某集團公司辦公樓的中央空調系統(tǒng)的變頻節(jié)能改造方案做一具體介紹。
3.1 中央空調原系統(tǒng)存在的問題
該集團中央空調系統(tǒng)改造前的主要設備和控制方式：
1)450 t冷氣主機2臺，型號為特靈二極式離心機，兩臺并聯(lián)運行;
2)冷凍水泵2臺，揚程28 m，配用功率45 kW;
3)冷卻水泵有2臺，揚程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行;
4)冷卻塔2臺，風扇電機11 kW，并聯(lián)運行，室內風機4臺，5.5 kW，并聯(lián)運行。
該集團是一家合資企業(yè)，為了給員工營造一個良好的工作環(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效果不好，所以對夏季冷氣質量的要求較高。除了一些節(jié)假日外，其它時間中央空調都是全開的。由于中央空調系統(tǒng)設計時按天氣最熱、負荷最大時設計，且留有10%~20%的設計余量。其中冷凍主機可以根據(jù)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(jié)。這樣，冷凍水、冷卻水系統(tǒng)幾乎長期在大流量、小溫差的狀態(tài)下運行，造成了能量的極大浪費。
原系統(tǒng)中冷凍、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(xiàn)象，容易對機械部件、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(tǒng)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，結果只能是用大流量獲得小溫差。這樣，不僅浪費能量，也惡化了系統(tǒng)的運行環(huán)
境與運行質量。特別是在環(huán)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(tǒng)的運行質量。
針對上述實際情況，對該集團的中央空調系統(tǒng)實施了利用變頻器、人機界面、PLC、數(shù)模轉換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等構成的溫差閉環(huán)自動調速系統(tǒng)的方案。主要對冷凍、冷卻水泵進行了變頻調速技術改造，達到節(jié)約電能、穩(wěn)定系統(tǒng)、延長設備壽命，提高環(huán)境舒適度的目的。
3.2 中央空調系統(tǒng)節(jié)能改造的具體方案
對該中央空調節(jié)能系統(tǒng)進行變頻節(jié)能改造的具體裝機清單如表1所列。
3.2.1 變頻節(jié)電原理
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(jié)能的效果是十分顯著的，這種節(jié)能回報是看得見的。特別是調節(jié)范圍大、啟動電流大的系統(tǒng)及設備，通過圖2 可以直觀地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，此特點使得使用變頻器進行調速成為一種趨勢，而且不斷深入并應用于各行各業(yè)的調速領域。
根據(jù)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(tài)與變頻運行狀態(tài)在隨著流量變化所消耗的功率差。
3.2.2 系統(tǒng)電路設計和控制方式
根據(jù)中央空調系統(tǒng)冷卻水系統(tǒng)的一般裝機形式，建議在冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)各裝兩套傳動之星SD-YP 系列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(huán))使用，
冷凍變頻調速控制柜供兩臺冷凍水泵切換(循環(huán))使用。變頻節(jié)能調速系統(tǒng)是在保留原工頻系統(tǒng)的基礎上改裝的，變頻節(jié)能系統(tǒng)的聯(lián)動控制功能與原工頻系統(tǒng)的聯(lián)動控制功能相同，變頻節(jié)能系統(tǒng)與原工頻系統(tǒng)之間設置了聯(lián)鎖保護，以確保系統(tǒng)工作安全。利用變頻器、人機界面、PLC、數(shù)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(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調節(jié)水泵的輸出流量，為達到節(jié)能的目的提供了可靠的技術條件。如圖3所示，給出了主電路具體的改造方案。
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