中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方案及原理

中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過(guò)程是一個(gè)不斷地進(jìn)行熱交換的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。冷卻水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是能量的主要傳遞者。因此，對(duì)冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制便是中央空調(diào)控制系統(tǒng)的重要組成部分，也是節(jié)能改造的對(duì)象。

　　中央空調(diào)是現(xiàn)代大廈物業(yè)、賓館、商場(chǎng)不可缺少的設(shè)施，由于中央空調(diào)功率大，耗能大，加上設(shè)計(jì)上存在“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象，支付中央空調(diào)所用電費(fèi)是用戶(hù)一項(xiàng)巨大的開(kāi)支。貴酒店的制冷系統(tǒng)保持整棟大廈內(nèi)恒溫。因?yàn)榧竟?jié)的變化，晝夜的變化，還有賓館酒樓客人入住率的變化以及娛樂(lè)場(chǎng)所開(kāi)放時(shí)間的變化，這樣該系統(tǒng)制冷量具有很明顯的需求變化，加之工藝設(shè)計(jì)上電機(jī)功率設(shè)計(jì)有相當(dāng)?shù)母辉Ａ?。所以加變頻節(jié)能改造是十分必要和有明顯節(jié)電效果的。隨著變頻技術(shù)的成熟和發(fā)展，“一天的電費(fèi)用兩天的電”不再是天方夜譚。對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行節(jié)能改造是降本增效的一條捷徑。

　　■ 節(jié)能改造的對(duì)象

　　中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過(guò)程是一個(gè)不斷地進(jìn)行熱交換的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。冷卻水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是能量的主要傳遞者。因此，對(duì)冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制便是中央空調(diào)控制系統(tǒng)的重要組成部分，也是節(jié)能改造的對(duì)象。

　　1、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)

　　由冷凍泵及冷凍水管道組成。從冷凍主機(jī)流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，通過(guò)各房間的盤(pán)管，帶走房間內(nèi)的熱量，使房間內(nèi)的溫度下降，同時(shí)，房間內(nèi)的熱量被冷凍水吸收，使冷凍水的溫度升高。溫度升高了的循環(huán)水經(jīng)冷凍主機(jī)后又成為冷凍水，如此循環(huán)不已。

　　從冷凍主機(jī)流出，進(jìn)入房間的冷凍水簡(jiǎn)稱(chēng)為“出水”，流經(jīng)所有房間后回到冷凍主機(jī)的冷凍水簡(jiǎn)稱(chēng)為“回水”。無(wú)疑回水的溫度將高于出水的溫度形成溫差。

　　2、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

　　冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍主機(jī)在進(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，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進(jìn)行熱交換。然后再將降溫了的冷卻水，送回到冷凍機(jī)組。如此不斷循環(huán)，帶走了冷凍主機(jī)釋放的熱量。

　　流進(jìn)冷凍主機(jī)的冷卻水簡(jiǎn)稱(chēng)為“進(jìn)水”，從冷凍主機(jī)流回冷卻塔的冷卻水簡(jiǎn)稱(chēng)為“回水”。同樣，回水的溫度將高于進(jìn)水的溫度形成溫差。

　　■ 節(jié)能原理

　　1、變頻調(diào)速節(jié)能

　　冷凍水泵和冷卻水泵都是傳送流體的裝置，這類(lèi)負(fù)載消耗的能量與流量的立方成正比，推算可得到能量消耗與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，具體的關(guān)系表達(dá)式：

　　即 Q=K1n; H=K2n2; P=Q×H=K1K2n2=K3n3

　　式中，K為常數(shù)，n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　又，三相交流異步感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常設(shè)在n=120×f×(1-s)/p;式中f為供電頻率，s為滑差率，p為電機(jī)極數(shù)。

　　電機(jī)一旦選定后，S、P基本確定，則n可近似為n=k0f,即與供電頻率成線性正比關(guān)系。

　　則，當(dāng)頻率為50Hz時(shí)，n=k0×50轉(zhuǎn)/分，功率P1=K(k0×50)3;當(dāng)頻率為45Hz時(shí)，n=k0×45轉(zhuǎn)/分，功率P2=K(k0×45)3。

　　P2/P1=K(k0×45)3/K(k0×50)3×100%=72.9%，由此可見(jiàn)，當(dāng)電源頻率從50Hz降為45Hz時(shí)，就可節(jié)約電能達(dá)27.1%。

　　當(dāng)用閥的開(kāi)度來(lái)控制水量的大小時(shí)，管阻檔板阻曲線與功率P變化(如圖1)。由曲線1到曲線2，水量減少了，而功率卻沒(méi)有減少多少。而通過(guò)改變轉(zhuǎn)速n來(lái)調(diào)節(jié)流量情況就不同了(如圖2)。

　　調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時(shí)H-Q曲線由曲線1到曲線2，閥的開(kāi)度100%時(shí)，管阻曲線不變，功率節(jié)省了很多。節(jié)省量，其中n1為調(diào)節(jié)前的轉(zhuǎn)速，其中n2為調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)速。

　　上述推算，可得到一個(gè)定性的概念。也就是說(shuō)，對(duì)于一個(gè)傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，由于空調(diào)設(shè)備均按設(shè)計(jì)工程選配，絕大多數(shù)時(shí)間設(shè)備均在低負(fù)荷情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣無(wú)用功耗掉很大一部分能量。如果改由節(jié)能器進(jìn)行變速驅(qū)動(dòng)，可能此時(shí)電機(jī)只需以5Hz的速度運(yùn)轉(zhuǎn)就能滿(mǎn)足對(duì)整個(gè)系統(tǒng)溫度控制要求。根據(jù)上面的理論推算可知，實(shí)際節(jié)能就可高達(dá)27.1%。

　　2、軟啟動(dòng)節(jié)能

　　由于電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，空載啟動(dòng)電流等于(3～7)倍于額定電流，因此通常在帶載電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)電機(jī)和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，導(dǎo)致對(duì)電網(wǎng)容量要求過(guò)高，而且啟動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)對(duì)設(shè)備極為不利;而啟、停時(shí)，大錘效應(yīng)極易造成管道破裂，采用節(jié)能的軟啟動(dòng)功能將會(huì)使啟動(dòng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定電流實(shí)現(xiàn)電機(jī)真正意義上的軟啟動(dòng)。不但減少了對(duì)電網(wǎng)和管網(wǎng)的沖擊，且能延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少設(shè)備維修費(fèi)用。page

　　■ 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)節(jié)能方案

　　1、節(jié)能控制的主要依據(jù)

　　冷卻水的進(jìn)水溫度也就是冷卻水塔內(nèi)水的溫度，它取決于環(huán)境溫度和冷卻風(fēng)的工作情況;回水溫度主要取決于冷凍主機(jī)的發(fā)熱情況，但還和進(jìn)水溫度有關(guān)。

　　(1)溫度控制

　　在進(jìn)行控制時(shí)，有兩個(gè)基本情況：如果回水溫度太高，將影響冷凍主機(jī)的冷卻效果，為了保護(hù)冷凍主機(jī)，當(dāng)回水的溫度超過(guò)一定值后，必須進(jìn)行保護(hù)性跳閘。一般情況下，回水溫度不得超過(guò)33℃。因此，根據(jù)回水溫度來(lái)決定冷卻水的流量是可取的。即使進(jìn)水和回水的溫度很低，也不允許冷卻水?dāng)嗔鳌Ｒ虼?，在設(shè)置節(jié)能器參數(shù)時(shí)，需預(yù)置一個(gè)下限頻率。

　　綜合起來(lái)，即是：當(dāng)回水溫度較低時(shí)，冷卻泵以下限轉(zhuǎn)速運(yùn)行;當(dāng)回水溫度較高時(shí)，冷卻泵的轉(zhuǎn)速也逐漸升高，而當(dāng)回水溫度升高到某一設(shè)定值(如32℃)時(shí)，應(yīng)該采取進(jìn)一步措施;或增加冷卻泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，或增加水塔冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。

　　(2)溫差控制

　　溫差量能反映冷凍主機(jī)的發(fā)熱情況、體現(xiàn)冷卻效果的是回水溫度T0與進(jìn)水Ti之間的“溫差”△t,因?yàn)闇夭畹拇笮》从沉死鋮s水從冷凍主機(jī)帶走的熱量，所以，把溫差△t作為控制的主要依據(jù)，通過(guò)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)溫差控制是可取的。即：溫差大，說(shuō)明主機(jī)產(chǎn)生的熱量多，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速、加快冷卻水的循環(huán)，反之，溫差小，說(shuō)明主機(jī)產(chǎn)生的熱量少，可以適當(dāng)降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速、減緩冷卻水的循環(huán)。

　　實(shí)際運(yùn)行表明，把溫差值控制在3～5℃的范圍內(nèi)是比較適宜的。

　　溫差與進(jìn)水溫度的綜合控制

　　由于進(jìn)水溫度是隨環(huán)境溫度而改變的，因此，把溫差恒定為某值并非上策。因?yàn)?，?dāng)我們采用節(jié)能器時(shí)，所考慮的不僅僅是冷卻效果，還必須考慮節(jié)能效果。具體地說(shuō)，則：溫差值定低了，水泵的平均轉(zhuǎn)速上升，影響節(jié)能效果;溫差值定高了，在進(jìn)水溫度偏高時(shí)，又會(huì)影響冷卻效果。實(shí)踐表明，根據(jù)進(jìn)水溫度來(lái)隨時(shí)調(diào)整溫差的大小是可取的。即：進(jìn)水溫度低時(shí)，應(yīng)主要著眼于節(jié)能效果，控制溫差可是當(dāng)?shù)馗咭稽c(diǎn);而在進(jìn)水溫度高時(shí)，則必須保證冷卻效果，控制溫差應(yīng)低一些。

　　(3)控制方案

　　根據(jù)以上介紹的情況，考慮到節(jié)能和制冷的綜合效果，節(jié)能器將利用溫差控制為主，回水溫度控制為輔來(lái)控制冷卻水系統(tǒng)。根據(jù)具體情況，用一臺(tái)節(jié)能器控制一臺(tái)電機(jī)或一臺(tái)節(jié)能器切換控制二臺(tái)互為備用電機(jī)，具體方式是:用傳感器采集冷卻水進(jìn)水和出水溫度，PID將溫差量變?yōu)槟M量反饋給中央處理器，然后由中央處理器控制節(jié)能器輸出為設(shè)定的低頻值，電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢，水流量減少;當(dāng)溫度較高時(shí)，冷凍機(jī)組有更多的熱量需要帶走，這時(shí)中央處理器使節(jié)能器輸出為設(shè)定的較高頻率值，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，水流量增加，帶走更多的熱量。如果冷卻水的回水溫度超過(guò)32℃時(shí)(可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定)，節(jié)能器優(yōu)先以較高頻運(yùn)行。這樣能夠根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)需要，提供合適的流量，不會(huì)造成電能浪費(fèi)。page

　　■ 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)節(jié)能方案

　　1、節(jié)能控制的主要依據(jù)

　　在冷凍水系統(tǒng)的節(jié)能方案中，提出的控制依據(jù)主要有兩種：

　　(1)壓差控制

　　即以出水壓力和回水壓力之間的壓差作為控制依據(jù)，基本考慮是使最高樓層的冷凍水能夠保持足夠的壓力。但這種方案沒(méi)有把環(huán)境溫度變化的因素考慮進(jìn)去，就是說(shuō)，冷凍水所帶走的熱量與房間溫度無(wú)關(guān)，這明顯地不大合理。

　　(2)溫度或溫差控制

　　嚴(yán)格地說(shuō)，冷凍主機(jī)的回水溫度和出水溫度之差表明了冷凍水從房間帶走的熱量，應(yīng)該作為控制依據(jù)。但由于冷凍主機(jī)得出水溫度一般較為穩(wěn)定，故實(shí)際上，只需根據(jù)回水溫度進(jìn)行控制就可以了。

　　為了確保最高樓層具有足夠的壓力，在回水管上接一個(gè)壓力表，如果回水壓力低于規(guī)定值，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將不再下降。

　　2、控制方案

　　綜合上述分析，可以改進(jìn)的控制方案有兩種：

　　(1)壓差為主溫度為輔的控制

　　以壓差信號(hào)為反饋信號(hào)，進(jìn)行恒壓差控制。而以回水溫度信號(hào)作為目標(biāo)信號(hào)，使壓差的目標(biāo)值可以在一定范圍內(nèi)根據(jù)回水溫度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。就是說(shuō)，當(dāng)房間溫度較低時(shí)，使壓差的目標(biāo)值適當(dāng)下降一些，減小冷凍泵的平均轉(zhuǎn)速，提高節(jié)能效果。這樣一來(lái)，既考慮到了環(huán)境溫度的因素，又改善了節(jié)能效果。

　　(2)溫度(差)為主壓差為輔的控制

　　以溫度(或溫差)信號(hào)為反饋信號(hào)，進(jìn)行恒溫度(差)控制，而以壓差信號(hào)作為目標(biāo)信號(hào)。就是說(shuō)，當(dāng)壓差偏高時(shí)，說(shuō)明負(fù)荷較重，應(yīng)適當(dāng)提高目標(biāo)信號(hào)，增加冷凍泵的平均轉(zhuǎn)速，確保最高樓層具有足夠的壓力。

　　根據(jù)大廈的空調(diào)系統(tǒng)、樓層高度，對(duì)于冷凍水系統(tǒng)我們采用全閉環(huán)溫度控制。根據(jù)具體情況，用一臺(tái)節(jié)能器控制一臺(tái)冷凍電機(jī)或一臺(tái)節(jié)能器切換控制二臺(tái)互為備用冷凍電機(jī)。具體方法是：在保證冷凍機(jī)組冷凍水流量所需前提下，確定一個(gè)冷凍泵節(jié)能器工作的最小工作頻率，可將其設(shè)定為下限頻率。水泵電機(jī)頻率調(diào)節(jié)是通過(guò)安裝在系統(tǒng)管道上溫度傳感器測(cè)回水溫度。溫控器將其與設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)冷凍回水溫度大于設(shè)定值時(shí)，節(jié)能器輸出上限頻率，水泵電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn);當(dāng)冷凍回水溫度小于設(shè)定溫度時(shí)電機(jī)以設(shè)定的頻率曲線工作。

　　■ 溫度信號(hào)的轉(zhuǎn)換

　　一般來(lái)說(shuō)，由于溫度較低，變化范圍也不大，故溫度傳感器以鉑電阻(Pt100)為宜，信號(hào)轉(zhuǎn)換我們直接采用AL808溫差PID，不但將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換0～10V的標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)，而且可以顯示回水溫度、進(jìn)水溫度、溫差值使用起來(lái)很方便。

　　■ 節(jié)能改造后對(duì)循環(huán)水的水溫及主機(jī)制冷功率的影響

　　因?yàn)槔鋬鏊厮疁囟燃袄鋮s水溫差都是預(yù)先設(shè)定好的，在室內(nèi)和外界熱負(fù)荷發(fā)生變化的情況下，溫度PID控制器會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以維持設(shè)定的溫度/溫差不變。

　　通常，節(jié)電運(yùn)行時(shí)的水流量沒(méi)有市電運(yùn)行時(shí)的大，循環(huán)速度降低，所以水溫會(huì)有所上升，但這不意味著主機(jī)的制冷功率一定會(huì)上升。

　　因?yàn)樵跓嶝?fù)荷降低的情況下，熱交換量減少，市電運(yùn)行時(shí)的循環(huán)水流量始終維持不變，才使得的水溫較低，這樣必然會(huì)使室內(nèi)溫度比需要的低，實(shí)際上是白白浪費(fèi)很多制冷功率。而節(jié)電運(yùn)行時(shí)，因?yàn)镻ID調(diào)節(jié)器可以根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，不論熱負(fù)荷怎樣變化，室內(nèi)的設(shè)定溫度始終維持恒定，這樣就會(huì)節(jié)約因外界熱負(fù)荷變化而無(wú)端消耗的制冷功率。而且通過(guò)適當(dāng)?shù)墓?jié)能器參數(shù)設(shè)定，電機(jī)轉(zhuǎn)速只會(huì)在一定頻率上變化，這樣就不會(huì)使循環(huán)水溫升溫過(guò)高。同時(shí)，由于制冷量的減少，從而使得主機(jī)的能耗也隨之而減少。

　　■ 節(jié)能改造后中央空調(diào)的性能

　　1、采用閉環(huán)控制，可按需要進(jìn)行軟件組態(tài)并設(shè)定溫度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，使電機(jī)輸出功率隨熱負(fù)載的變化而變化，在滿(mǎn)足使用要求的前提下達(dá)到最大限度的節(jié)能。

　　2、由于降速運(yùn)行和軟啟動(dòng)，減少了振動(dòng)、噪音和磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備維修周期和使用壽命，提高了設(shè)備的MTBF(平均故障維修時(shí)間)值，并減少了對(duì)電網(wǎng)沖擊，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　3、節(jié)能器控制系統(tǒng)具有各種保護(hù)措施，使系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率和安全可靠性大大提高。

　　4、節(jié)能器控制系統(tǒng)與原控制系統(tǒng)互為互鎖，不影響原系統(tǒng)的運(yùn)行，且在節(jié)能器控制系統(tǒng)檢修或故障時(shí)，原控制系統(tǒng)照樣可以正常運(yùn)行。

　　5、節(jié)能器全自動(dòng)控制，運(yùn)行頻率由PID自動(dòng)給定，無(wú)需人工調(diào)節(jié)，提高了自動(dòng)化水平，運(yùn)行安全可靠。

瑞澤能源是一家專(zhuān)注節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的高新技術(shù)企業(yè)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“5S”流體輸送系統(tǒng)高效節(jié)能技術(shù)、電能質(zhì)量?jī)?yōu)化節(jié)電技術(shù)、循環(huán)水零排放技術(shù)，在水泵節(jié)能、風(fēng)機(jī)節(jié)能、空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能、供水系統(tǒng)節(jié)能、循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能、中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能、電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能、配電系統(tǒng)節(jié)能和循環(huán)水水處理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，公司依托三元流技術(shù)設(shè)計(jì)的三元流葉輪，用于水泵、風(fēng)機(jī)、離心式空壓機(jī)的節(jié)能改造，技術(shù)應(yīng)用可靠，業(yè)績(jī)優(yōu)良。