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技術(shù)文章

變頻器在中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)用

發(fā)布時間:2013-10-21

變頻器在中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)用

 

 

變頻器技術(shù)及應(yīng)用論文

 

- 2 - 

 

 

 

盤管風(fēng)機(jī)

冷凍主機(jī)

風(fēng)扇

冷卻塔

冷卻泵

冷卻水回水

冷凍水出水

壓縮機(jī)

冷卻水進(jìn)水

冷凍水回水

房間

冷凍泵

冷凍水管道

冷卻水管道

 

1-1 

中央空調(diào)冷水機(jī)組系統(tǒng)組成

 

冷凝器

蒸發(fā)器

冷卻水

冷凍水

M

壓縮機(jī)

32

37

7

高壓氣體

低壓氣體

低壓液體

高壓液體

熱力膨脹閥

(放熱)

(吸熱)

12

 

1-2 

制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)的原理圖

 

由圖

1-1

可以看出,中央空調(diào)的冷水機(jī)組主要有兩個水循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成,即

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷凍水循環(huán)系統(tǒng),

壓縮機(jī)

(圖

1-2

不斷地從蒸發(fā)器中抽取制

冷劑蒸汽,低壓制冷劑蒸汽在壓縮機(jī)內(nèi)部被壓縮為高壓蒸汽后進(jìn)入冷凝器中,

制冷劑和冷卻水在冷凝器中進(jìn)行熱交換,制冷劑放熱后變?yōu)楦邏阂后w,通過熱

力膨脹閥后,液態(tài)制冷劑壓力急劇下降,變?yōu)榈蛪阂簯B(tài)制冷劑后進(jìn)入蒸發(fā)器,

在蒸發(fā)器中,低壓液態(tài)制冷劑通過與冷凍水的熱交換吸收冷凍水的熱量,冷凍

水通過盤管吹出冷風(fēng)以達(dá)到降溫的目的,溫度升高了的循環(huán)水回到冷凍主機(jī)又

中央空調(diào)冷水機(jī)組系統(tǒng)的組成以及工作原理

 

- 3 - 

成為了冷凍水,而變?yōu)榈蛪赫羝闹评鋭?,在通過回氣管重新吸入壓縮機(jī),開

始新的一輪制冷循環(huán)。

而冷卻水在與制冷劑完成熱交換之后,由冷卻水泵加壓,

通過冷卻水管道到達(dá)散熱塔與外界進(jìn)行熱交換,降??后的冷卻水重新流入冷凍

主機(jī)開始下一輪的循環(huán)。

 

1.1

水泵的變頻節(jié)能原理

 

中央空調(diào)進(jìn)行熱交換的大小由冷凍水的流量控制,通常采用的流量控制方

法有閥門控制和調(diào)述控制

[4]

。

閥門控制是通過增加管道的阻抗而達(dá)到控制流量的

目的,因而浪費(fèi)了能量,如果采用調(diào)速控制,冷凍水的流量由冷凍泵電機(jī)的轉(zhuǎn)

速決定,電機(jī)的耗電量決定于電機(jī)的輸出功率,輸出功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成

正比,而電機(jī)轉(zhuǎn)速與供電頻率成正比,所以電機(jī)轉(zhuǎn)速稍有下降,即稍微降低供

電頻率,輸出功率將大幅度下降,若電機(jī)轉(zhuǎn)速能根據(jù)實(shí)際所需的熱交換量來調(diào)

整,電機(jī)的功率將大大減少,從而顯著節(jié)約電能。

 

1.2

水泵節(jié)能改造的必要性

 

由于設(shè)計時,中央空調(diào)系統(tǒng)必須按天氣*熱、負(fù)荷*大時設(shè)計,并且留

10-20%

設(shè)計余量,然而實(shí)際上絕大部分時間空調(diào)是不會運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)下,

存在較大的富余,所以節(jié)能的潛力就較大,其中,冷凍主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化

隨之加載或減載,冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié),存在

很大的浪費(fèi)。

 

 

 

水泵系統(tǒng)的流量與壓差是靠閥門和旁通調(diào)節(jié)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(xiàn)象,不僅大量浪費(fèi)電能,而且

還造成中央空調(diào)*末端達(dá)不到合理效果的情況。為了解決這些問題需使水泵隨

著負(fù)載的變化調(diào)節(jié)水流量并關(guān)閉旁通。

 

 

 

再因水泵采用的是

Y-

起動方式,

電機(jī)的起動電流均為其額定電流的

3

4

倍,

一臺

90KW

的電動機(jī)其起動電流將達(dá)到

500A

,

在如此大的電流沖擊下,

觸器、電機(jī)的使用壽命大大下降,同時,起動時的機(jī)械沖擊和停泵時水垂現(xiàn)象,

容易對機(jī)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(fèi)用。

 

 

 

綜上,為了節(jié)約能源和費(fèi)用,對水泵系統(tǒng)進(jìn)行改造,采用變頻器加以實(shí)現(xiàn),

以便達(dá)到節(jié)能和延長電機(jī)、接觸器及機(jī)械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。

 

 

 

 

這是因?yàn)樽冾l器能根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵負(fù)載變化隨之調(diào)整水泵電機(jī)的

變頻器技術(shù)及應(yīng)用論文

 

- 4 - 

轉(zhuǎn)速,在滿足中央空調(diào)系統(tǒng)正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵作出相應(yīng)

調(diào)節(jié),以達(dá)到節(jié)能目的。水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速下降,電機(jī)從電網(wǎng)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(zhuǎn)速,

N0

為電機(jī)原來的轉(zhuǎn)速,

P0

為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下的

電機(jī)消耗功率,

Q0

為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的水泵流量。

 

 

 

 

由上式可以看出流量的減少與轉(zhuǎn)速減少的一次方成正比,

但功耗的減少卻

與轉(zhuǎn)速減少的三次方成正比。

 

 

 

如:假設(shè)原流量為

100

個單位,耗能也為

100

個單位,如果轉(zhuǎn)速降低

10

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

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(jī)后,電機(jī)在起動時及運(yùn)轉(zhuǎn)

過程中均無沖擊電流,而沖擊電流是影響接觸器、電機(jī)使用壽命*主要、*直

接的因素,同時采用變頻器控制電機(jī)后還可避免水垂現(xiàn)象,因此可大大延長電

機(jī)、接觸器及機(jī)械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。

 

2

水泵節(jié)能改造的方案

 

中央空調(diào)系統(tǒng)通常分為冷凍(媒)水和冷卻水兩個??統(tǒng)(如下圖,左半部

分為冷凍(媒)水系統(tǒng),右半部分為冷卻水系統(tǒng))

 

 

2.1

 

冷凍(媒)水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制

 

1

、制冷模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制

 

 

 

該方案在保證*末端設(shè)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*小工作頻率,將其設(shè)定為下限頻率并鎖定,變頻冷凍水泵的頻率調(diào)

水泵節(jié)能改造的方案

 

- 5 - 

節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度,再

經(jīng)由溫度控制器設(shè)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(shè)定溫度時頻率無極上調(diào)。

 

2

、制熱模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制

 

 

 

該模式是在中中央空調(diào)中熱泵運(yùn)行

(即制熱)

時冷凍水泵系統(tǒng)的控制方案。

同制冷模式控制方案一樣,在保證*末端設(shè)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*小工作頻率,將其設(shè)定為下限頻率并鎖定,變頻冷

凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍

水回水溫度,再經(jīng)由溫度控制器設(shè)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(shè)定溫度時頻率無極上調(diào),當(dāng)溫度傳感檢測到的冷凍水

回溫水越高,變頻器的輸出頻率越低。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2

冷卻水系統(tǒng)的閉環(huán)控制

 

 

 

目前,在冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造的方案*為常見,節(jié)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(diào)節(jié)冷卻水流量,

當(dāng)中中央空調(diào)冷卻水出水溫度低時,

減少冷卻水流量;

當(dāng)中中央空調(diào)冷卻水出水溫度高時,加大冷卻水流量,從而達(dá)到在保證中中央

空調(diào)機(jī)組正常工作的前提下達(dá)到節(jié)能增效的目的。

 

 

 

 

 

現(xiàn)有的控制方式大都先確定一個冷卻泵變頻器工作的*小工作頻率,將其

設(shè)定為

 

 

 

下限頻率并鎖定,變頻冷卻水泵的頻率是取冷卻管進(jìn)、出水溫度差和出水

溫度信號來調(diào)節(jié),當(dāng)進(jìn)、出水溫差大于設(shè)定值時,頻率無極上調(diào),當(dāng)進(jìn)、出水

溫差小于設(shè)定值時,頻率無極下調(diào),同時當(dāng)冷卻水出水溫度高于設(shè)定值時,頻

率優(yōu)先無極上調(diào),當(dāng)冷卻水出水溫度低于設(shè)定值時,按溫差變化來調(diào)節(jié)頻率,

進(jìn)、出水溫差越大,變頻器的輸出頻率越高;進(jìn)、出水溫差越小,變頻器的輸

出頻率越低。

 

 

 

經(jīng)多方實(shí)踐應(yīng)用,現(xiàn)用于冷卻水系統(tǒng)閉環(huán)控制的系列智能變頻器采用同制

冷模式下冷凍水泵系統(tǒng)閉環(huán)控制一樣的控制方式。

 

2.3

水泵節(jié)能改造的方案的優(yōu)點(diǎn)

 

1

、只需在中中央空調(diào)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(tǒng)中中央空調(diào)冷卻水出水主管上的

B

處)

,簡單可靠。

變頻器技術(shù)及應(yīng)用論文

 

- 6 - 

2

、

 

當(dāng)冷卻水出水溫度高于溫度上限設(shè)定值時,頻率直接優(yōu)先上調(diào)至上限

頻率。

 

 

 

3

、

 

當(dāng)冷卻水出水溫度低于溫度下限設(shè)定值時,頻率直接優(yōu)先下調(diào)至下限

頻率。而采用冷卻管進(jìn)、出水溫度差來調(diào)節(jié)很難達(dá)到這點(diǎn)。

 

 

 

4

、

 

當(dāng)冷卻水出水溫度介于溫度下限設(shè)定值與溫度上限設(shè)定值時,通過對

冷卻水出水溫度及溫度上、下限設(shè)定值進(jìn)行PID計算,從而達(dá)到對頻率進(jìn)行

無極調(diào)速,閉環(huán)控制迅速準(zhǔn)確。

 

 

 

5

、

 

節(jié)能效果更為明顯。當(dāng)冷卻水出水溫度低于溫度上限設(shè)定值時,采用

冷卻管進(jìn)、出水溫度差來調(diào)節(jié)方式?jīng)]有將出水溫度低這一因素加入節(jié)能考慮范

圍,而僅僅由溫度差來對頻率進(jìn)行無極調(diào)速,而采用上、下限溫度來調(diào)節(jié)方式

充分考慮這一因素,因而節(jié)能效果更為明顯,通過對多家用戶市場調(diào)查,平均

節(jié)電率要提高

5

%以上,節(jié)電率達(dá)到

20

%~

40

%。

 

 

 

6

 

具有**起動全速運(yùn)行功能。通過設(shè)定變頻器參數(shù)中的數(shù)值可使水系

統(tǒng)充分交換一段時間,避免由于剛起動運(yùn)行時熱交換不充分而引起的系統(tǒng)水流

量過小。