EV100變頻器用于中央空調(diào)節(jié)能改造
█ 前言
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，它能帶給人們四季如春，溫馨舒適的每一天，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。因?yàn)榧竟?jié)的變化、晝夜的變化、賓館酒樓客人入住率的變化、娛樂(lè)場(chǎng)所開(kāi)放時(shí)間的變化等等，從而導(dǎo)致中央空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)熱源吸收量的變化，再加之工藝設(shè)計(jì)上電機(jī)功率設(shè)計(jì)有相當(dāng)?shù)母辉Ａ?，因此，存在明顯的節(jié)電空間。將變頻技術(shù)引入中央空調(diào)系統(tǒng)，保持室內(nèi)恒溫，對(duì)其進(jìn)行的節(jié)能改造是降本增效的一條捷徑。
█ 中央空調(diào)系統(tǒng)
圖1所示為一典型中央空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)圖，主要由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及主機(jī)三部分組成：
圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)原理圖
● 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)
該部分由冷凍泵、室內(nèi)風(fēng)機(jī)及冷凍水管道等組成。從主機(jī)蒸發(fā)器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道（出水），進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量，最后回到主機(jī)蒸發(fā)器（回水）。室內(nèi)風(fēng)機(jī)用于將空氣吹過(guò)冷凍水管道，降低空氣溫度，加速室內(nèi)熱交換。
● 冷卻水循環(huán)部分
該部分由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等組成。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)熱交換的同時(shí)，必將帶走室內(nèi)大量的熱能。該熱能通過(guò)主機(jī)內(nèi)的冷媒傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔（出水），使之與大氣進(jìn)行熱交換，降低溫度后再送回主機(jī)冷凝器（回水）。
● 主機(jī)
主機(jī)部分由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器及冷媒（制冷劑）等組成，其工作循環(huán)過(guò)程如下：
首先低壓氣態(tài)冷媒被壓縮機(jī)加壓進(jìn)入冷凝器并逐漸冷凝成高壓液體。在冷凝過(guò)程中冷媒會(huì)釋放出大量熱能，這部分熱能被冷凝器中的冷卻水吸收并送到室外的冷卻塔上，至始釋放到大氣中去。隨后冷凝器中的高壓液態(tài)冷媒在流經(jīng)蒸發(fā)器前的節(jié)流降壓裝置時(shí)，因?yàn)閴毫Φ耐蛔兌鴼饣?，形成氣液混合物進(jìn)入蒸發(fā)器。冷媒在蒸發(fā)器中不斷氣化，同時(shí)會(huì)吸收冷凍水中的熱量使其達(dá)到較低溫度。最后，蒸發(fā)器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體，重新進(jìn)入了壓縮機(jī)，如此循環(huán)往復(fù)。
█節(jié)能理論
● 中央空調(diào)節(jié)能改造前的工況
在中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，冷凍泵、冷卻泵的電機(jī)容量是根據(jù)建筑物的較大設(shè)計(jì)熱負(fù)荷選定的，都留有一定設(shè)計(jì)余量。由于四季氣候及晝夜溫差變化，中央空調(diào)工作時(shí)的熱負(fù)荷總是不斷變化。下圖2為一民用建筑物的平均熱負(fù)荷情況：
如上圖所示，該中央空調(diào)一年中負(fù)荷率在50%以下的時(shí)間超過(guò)了全部運(yùn)行時(shí)間的50%。通常冷卻水管路的設(shè)計(jì)溫差為5～6℃，而實(shí)際應(yīng)用表明大部分時(shí)間里冷卻水管路的溫差僅為2～4℃，這說(shuō)明制冷所需的冷凍水、冷卻水流量通常都低于設(shè)計(jì)流量，這樣就形成了中央空調(diào)低溫差、低負(fù)荷、大工作流量的工況。
在沒(méi)有使用節(jié)能系統(tǒng)前，工頻供電下的水泵始終全速運(yùn)行，管道中的供水流量只能通過(guò)閥門(mén)或回流方式調(diào)節(jié)，這必會(huì)產(chǎn)生大量的節(jié)流及回流損失，同時(shí)也增加了電機(jī)的負(fù)荷，白白消耗了許多電能。
中央空調(diào)水泵電機(jī)的耗電量約占中央空調(diào)系統(tǒng)總耗電量的30-40%，故對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造具有很明顯的節(jié)能效果。
● 節(jié)能理論根據(jù)
由流體力學(xué)理論可知，離心式流體傳輸設(shè)備（如離心式水泵、風(fēng)機(jī)等）的輸出流量Q與其轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力P（揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速n的平方成正比；輸出功率N與其轉(zhuǎn)速n的三次方成正比，用數(shù)學(xué)公式可表示為：
Q ＝ K1 × n
P ＝ K2 × n2
N ＝ Q × P ＝ K3 × n3 (K1、 K2 、K3為比例常數(shù))
由上述原理可知，降低水泵的轉(zhuǎn)速，水泵的輸出功率就可以下降更多。如將電機(jī)的供電頻率由50Hz降為40Hz，則理論上，低頻40Hz與高頻50Hz的輸出功率之比為(40/50)3=0.512。
實(shí)踐證明，在中央空調(diào)系統(tǒng)中接入變頻節(jié)能系統(tǒng)，利用變頻技術(shù)改變水泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)管道中的流量，以取代閥門(mén)調(diào)節(jié)及回流方式，能取得明顯的節(jié)能效果，一般節(jié)電率都在30％以上。同時(shí)變頻器的軟啟動(dòng)功能及平滑調(diào)速的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)中央空調(diào)的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，并可延長(zhǎng)機(jī)組及管組的使用壽命。
█ 節(jié)能方案分析
中央空調(diào)各循環(huán)水系統(tǒng)的回水與出水溫度之差，反映了整個(gè)系統(tǒng)需要進(jìn)行的熱交換量。因此，根據(jù)回水與出水的溫度差來(lái)控制循環(huán)水的流量，從而控制熱交換的速度，是節(jié)能控制方法。
● 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)
冷凍水的出水溫度是由主機(jī)的制冷效果決定的，通常比較穩(wěn)定，因此冷凍回水溫度可以準(zhǔn)確的反映室內(nèi)的熱負(fù)荷情況。由此，對(duì)于冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能改造，可以取回水溫度作為控制目標(biāo)，通過(guò)變頻器對(duì)冷凍泵流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的控制。
● 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)
冷卻水循環(huán)系統(tǒng)同時(shí)受室外環(huán)境溫度及室內(nèi)熱負(fù)荷兩方面影響，循環(huán)水管道單側(cè)的水溫不能準(zhǔn)確反映該系統(tǒng)的熱交換量，因此以出水與回水之間的溫差作為控制室內(nèi)溫度的依據(jù)是合理的節(jié)能方式。在外界環(huán)境溫度不變的情況下，溫差大，說(shuō)明室內(nèi)熱負(fù)荷較大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水循環(huán)的速度；相應(yīng)的，溫差小則減小冷卻泵轉(zhuǎn)速。
● 方案結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)上述分析，可得出整個(gè)節(jié)能工程結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示：
圖3 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造結(jié)構(gòu)示意圖
由上圖，該節(jié)能方案的基本思路為：
分別在主機(jī)蒸發(fā)器回水處、冷凝器出水及回水處安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)管網(wǎng)的溫度，以模擬信號(hào)（0~10V或者4~20mA）反饋給變頻器，通過(guò)變頻器內(nèi)置的PID運(yùn)算輸出相應(yīng)的頻率指令后自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)各循環(huán)水的熱交換速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)恒溫度的控制。需要特別說(shuō)明的是，變頻器內(nèi)部在設(shè)計(jì)上集成了溫差反饋處理功能，系統(tǒng)無(wú)須另配專(zhuān)用控制模塊。
● 電路控制方案
某公司中央空調(diào)機(jī)組數(shù)據(jù)如下表：
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機(jī)組 |
機(jī)型 |
常用數(shù)量 |
備用數(shù)量 |
總計(jì)數(shù)量 |
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中央 空調(diào) |
冷凍泵電機(jī) |
45KW（380V） |
2臺(tái) |
1臺(tái) |
3臺(tái) |
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冷卻泵電機(jī) |
75KW（380V） |
2臺(tái) |
1臺(tái) |
3臺(tái) |
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三臺(tái)水泵中，春秋季節(jié)只用一臺(tái)，備用兩臺(tái)；夏季高峰時(shí)常用兩臺(tái)，一臺(tái)備用。
要求：一臺(tái)變頻運(yùn)行，且可以通過(guò)人工方式進(jìn)行切換，其他可通過(guò)人工方式直接啟動(dòng)到工頻運(yùn)行。
設(shè)計(jì)：3臺(tái)水泵電機(jī)選配1臺(tái)變頻器。工作時(shí)可選擇任意一臺(tái)水泵做主泵、由變頻器直接拖動(dòng)并且變頻運(yùn)行（由內(nèi)置PID進(jìn)行閉環(huán)控制）；其余兩臺(tái)水泵做輔泵、由人工依據(jù)制冷特點(diǎn)相應(yīng)進(jìn)行啟停控制，使電機(jī)工頻運(yùn)行。如下圖所示：
該方案使用EV100系列通用變頻器，“市電”“節(jié)電”旁路需要另配電控柜及電氣配件。
● 變頻節(jié)能系統(tǒng)特點(diǎn)
1、變頻器界面為LED顯示，監(jiān)控參數(shù)豐富；鍵盤(pán)布局簡(jiǎn)潔、操作方便；
2、變頻器有過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)熱等多種電子保護(hù)裝置，并具有豐富的故障報(bào)警輸出功能，可有效保護(hù)供水系統(tǒng)的正常運(yùn)作；
3、加裝變頻器后，電機(jī)具有軟啟動(dòng)及無(wú)極調(diào)速功能，可使水泵和電機(jī)的機(jī)械磨損大為降低，延長(zhǎng)管組壽命；
4、 變頻器內(nèi)部裝有大容量濾波電容，可有效提高用電設(shè)備的功率因數(shù)；
5、 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，室內(nèi)溫度變化平穩(wěn)，人體感覺(jué)舒適。
█ 總結(jié)
將變頻技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)提升中央空調(diào)自動(dòng)化水平、降低能耗、減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊、延長(zhǎng)機(jī)械及管網(wǎng)的使用壽命，都具有重要的意義。
