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)計上存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，支付中央空調(diào)所用電費是用戶一項巨大的開支。因為季節(jié)的變化、晝夜的變化、賓館酒樓客人入住率的變化、娛樂場所開放時間的變化等等，從而導(dǎo)致中央空調(diào)系統(tǒng)對室內(nèi)熱源吸收量的變化，再加之工藝設(shè)計上電機功率設(shè)計有相當?shù)母辉Ａ浚虼耍嬖诿黠@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，對其進行的節(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)機及冷凍水管道等組成。從主機蒸發(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），進入室內(nèi)進行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量，最后回到主機蒸發(fā)器（回水）。室內(nèi)風(fēng)機用于將空氣吹過冷凍水管道，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)進行室內(nèi)熱交換的同時，必將帶走室內(nèi)大量的熱能。該熱能通過主機內(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），使之與大氣進行熱交換，降低溫度后再送回主機冷凝器（回水）。

● 主機

主機部分由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器及冷媒（制冷劑）等組成，其工作循環(huán)過程如下：

首先低壓氣態(tài)冷媒被壓縮機加壓進入冷凝器并逐漸冷凝成高壓液體。在冷凝過程中冷媒會釋放出大量熱能，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，因為壓力的突變而氣化，形成氣液混合物進入蒸發(fā)器。冷媒在蒸發(fā)器中不斷氣化，同時會吸收冷凍水中的熱量使其達到較低溫度。最后，蒸發(fā)器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體，重新進入了壓縮機，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)計時，冷凍泵、冷卻泵的電機容量是根據(jù)建筑物的較大設(shè)計熱負荷選定的，都留有一定設(shè)計余量。由于四季氣候及晝夜溫差變化，中央空調(diào)工作時的熱負荷總是不斷變化。下圖2為一民用建筑物的平均熱負荷情況：

 

 

 

             

 

 

 

如上圖所示，該中央空調(diào)一年中負荷率在50%以下的時間超過了全部運行時間的50%。通常冷卻水管路的設(shè)計溫差為5～6℃，而實際應(yīng)用表明大部分時間里冷卻水管路的溫差僅為2～4℃，這說明制冷所需的冷凍水、冷卻水流量通常都低于設(shè)計流量，這樣就形成了中央空調(diào)低溫差、低負荷、大工作流量的工況。

在沒有使用節(jié)能系統(tǒng)前，工頻供電下的水泵始終全速運行，管道中的供水流量只能通過閥門或回流方式調(diào)節(jié)，這必會產(chǎn)生大量的節(jié)流及回流損失，同時也增加了電機的負荷，白白消耗了許多電能。

中央空調(diào)水泵電機的耗電量約占中央空調(diào)系統(tǒng)總耗電量的30-40%，故對其進行節(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)機等）的輸出流量Q與其轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力P（揚程）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)速來調(diào)節(jié)管道中的流量，以取代閥門調(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。同時變頻器的軟啟動功能及平滑調(diào)速的特點可實現(xiàn)對中央空調(diào)的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，并可延長機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，反映了整個系統(tǒng)需要進行的熱交換量。因此，根據(jù)回水與出水的溫度差來控制循環(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確的反映室內(nèi)的熱負荷情況。由此，對于冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能改造，可以取回水溫度作為控制目標，通過變頻器對冷凍泵流量的自動調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制。

● 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)同時受室外環(huán)境溫度及室內(nèi)熱負荷兩方面影響，循環(huán)水管道單側(cè)的水溫不能準確反映該系統(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，說明室內(nèi)熱負荷較大，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：

分別在主機蒸發(fā)器回水處、冷凝器出水及回水處安裝溫度傳感器，實時檢測管網(wǎng)的溫度，以模擬信號（0~10V或者4~20mA）反饋給變頻器，通過變頻器內(nèi)置的PID運算輸出相應(yīng)的頻率指令后自動調(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，實現(xiàn)對室內(nèi)恒溫度的控制。需要特別說明的是，變頻器內(nèi)部在設(shè)計上集成了溫差反饋處理功能，系統(tǒng)無須另配專用控制模塊。

● 電路控制方案

某公司中央空調(diào)機組數(shù)據(jù)如下表：

機組		機型	常用數(shù)量	備用數(shù)量	總計數(shù)量
中央 空調(diào)	冷凍泵電機	45KW（380V）	2臺	1臺	3臺
	冷卻泵電機	75KW（380V）	2臺	1臺	3臺

三臺水泵中，春秋季節(jié)只用一臺，備用兩臺；夏季高峰時常用兩臺，一臺備用。

要求：一臺變頻運行，且可以通過人工方式進行切換，其他可通過人工方式直接啟動到工頻運行。

設(shè)計：3臺水泵電機選配1臺變頻器。工作時可選擇任意一臺水泵做主泵、由變頻器直接拖動并且變頻運行（由內(nèi)置PID進行閉環(huán)控制）；其余兩臺水泵做輔泵、由人工依據(jù)制冷特點相應(yīng)進行啟停控制，使電機工頻運行。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

1、變頻器界面為LED顯示，監(jiān)控參數(shù)豐富；鍵盤布局簡潔、操作方便；

2、變頻器有過流、過載、過壓、過熱等多種電子保護裝置，并具有豐富的故障報警輸出功能，可有效保護供水系統(tǒng)的正常運作；

3、加裝變頻器后，電機具有軟啟動及無極調(diào)速功能，可使水泵和電機的機械磨損大為降低，延長管組壽命；

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)實現(xiàn)了對溫度的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，室內(nèi)溫度變化平穩(wěn)，人體感覺舒適。

█ 總結(jié)

將變頻技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)，對提升中央空調(diào)自動化水平、降低能耗、減少對電網(wǎng)的沖擊、延長機械及管網(wǎng)的使用壽命，都具有重要的意義。