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中央空调系统节能改造简介

发布时间:2004-08-07 09:55   类型:专业论文   人浏览
中央空调是现代物业大厦,宾馆商场不可缺少的设施,它能给人们带来四季如春,温馨舒适的每一天,由于中央空调功率大,耗能大,加上设计上存在“大马拉小车”的现象,支付中央空调所用电费是用户一项巨大的开支。中央空调提供工厂,商场,写字楼,娱乐场所,宾馆酒楼和住宿楼的制冷,保持整栋大厦温度恒定,但因为季节和昼夜的变化,还有宾馆酒楼客人入住率的变化及娱乐场所开放时间变化,这样大厦需冷量具有很明显的需求变化,而传统中央空调并不能监测环境的变化而调节自身的能耗,加之工艺设计上电机功率设计有相当的富裕量,即水泵的流量和扬程都大于实际所需,所以加装本公司开发生产的变频节能装置是十分必要和有明显节电效果的。随着变频技术的成熟和发展,“一天的电费用两天的电”不再是天方夜谭。对中央空调进行变频节能改造是降本增效的一条捷径。
 

1.中央空调系统大致构成
如图1所示,中央空调系统主要由以下几部分组成:
 1.1冷冻主机与冷却水塔
a、冷冻主机 
冷冻主机也叫致冷装置,是中央空调的“致冷源”,通往各个区间的循环水由冷冻主机进行“内部热交换”,降温为“冷冻水”。
近年来,冷冻主机也有采用变频调速的,是由生产厂原配的,不必再改造。未采用变频调速的冷冻主机,改造为变频变速的例子还不多。 
b、冷却水塔  
冷冻主机在致冷过程中,必然会释放热量,使机组发热。冷却水塔用于为冷冻主机提供“冷却水”。冷却水在盘旋流过冷冻主机后,将带走冷冻主机所产生的热量,使冷冻主机降温。
1.2“外部热交换”系统由以下几个系统组成:
a冷冻水循环系统  
由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道,通过各房间的盘管,带走房间内的热量,使房间内的温度下降。同时,房间内的热量被冷冻水吸收,使冷冻水的温度升高。温度升高了的循环水经冷冻主机后又成为冷冻水,如此循环不已。
从冷冻主机流出,进入房间的冷冻水简称为“出水”,流经所有房间后回到冷冻主机的冷冻水简称为“回水”。无疑回水的温度将高于出水的温度形成温差。
b冷却水循环系统  
冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻主机在进行热交换、使水温冷却的同时,必将释放大量的热量。该热量被冷却水吸收,使冷却水温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔,使之在冷却塔中与大气进行热交换,然后再将降温了的冷却水,送回到冷冻机组。如此不断循环,带走了冷冻主机释放的热量。
流进冷冻主机的冷却水简称为“进水”,从冷冻主机流回冷却塔的冷却水简称为“回水”。同样,回水的温度将高于进水的温度形成温差。
c冷却风机   有两种情况:
盘管风机  安装于所有需要降温的房间内,用于将由冷冻水管冷却了的冷空气吹入房间,加速房间内的热交换。
冷却塔风机   用于降低却塔中的水温,加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。
可以看出,中央空调系统的工作过程是一个不断地进行热交换的能量转换过程。在这里,冷却水和冷却水循环系统是能量的主要传递者。因此,对冷冻水和冷却水循环系统的控制便是中央空调控制系统的重要组成部分。
2变频调速的功能
2.1变频节能功能:
风机和水泵都是传送流体的装置,这类负载消耗的能量与流量的立方成正比,推算可得到能量消耗与转速的关系,具体的关系表达式:
即   Q=K1n ;  H=K2n2 ;    P=Q×H= K1K2n2 = K3n3                                  
式中,K为常数,n为电机的转速。
又,三相交流异步感应电机的转速n=120×f×(1-s)/p,式中f为供电频率,s为滑差率,p为电机极数。
电机一旦选定后,S、P基本确定,则n可近似为n=k0f,即与供电频率成线性正比关系。
当频率为50Hz时,n= k0×50转/分,功率P1=K( k0×50)3;当频率为45Hz时,n= k0×45转/分,功率P2=K( k0×45)3。
P2/P1= K( k0×45)3/ K( k0×50)3×100%=72.9%,由此可见,当电源频率从50Hz降为45Hz时,就可节约电能达27.1%。
当用阀的开度来控制水量的大小时,管阻档板阻曲线与功率P变化(如图1)。由曲线1到曲线2,水量减少了,而功率却没有减少多少。而通过改变转速n来调节风量情况就不同了(如图2)。
调节转速时H-Q曲线由曲线1到曲线2,阀的开度100%时,管阻曲线不变,功率节省了很多。其中n1为调节前的转速,其中n2为调节后的转速。  
上述推算,可得到一个定性的概念。也就是说,对于一个传统的空调系统,由于空调设备均按设计工程选配,绝大多数时间设备均在低负荷情况下运转,这样无用功消耗掉很大一部分能量。如果改由变频器进行变速驱动,可能此时电机只需以45Hz的速度运转就能满足对整个系统温度控制要求。根据上面的理论推算可知,实际节能就可高达27.1%。因此在设有风机水泵的机械中,采用变频调速的方式来调节风量或流量,在节能节电上是个有效的方法。
 2.2软启动功能:
由于电机全压启动时,空载启动电流等于(3—7)倍于额定电流,因此通常在带载电机启动时,会对电机和供电电网造成严重的冲击,导致对电网容量要求过高,而且启动时对设备产生的大电流和震动对设备极为不利;而启、停时,水锤效应极易造成管道破裂,采用变频器的软启动功能将会使启动电流远远低于额定电流实现电机真正意义上的软启动。不但减少了对电网和管网的冲击,且能延长设备使用寿命,减少设备维修费用。
3冷却水系统的变频调速
3.1控制的主要依据
基本情况  冷却水的进水温度也就是冷却水塔内水的温度,它取决于环境温度和冷却风机的工作情况;回水温度主要取决于冷冻主机的发热情况,但还和进水温度有关。
温度控制  
在进行控制时,有两个基本情况:如果回水温度太高,将影响冷冻主机的冷却效果。为了保护冷冻主机,当回水的温度超过一定值后,必须进行保护性跳闸。一般情况下,回水温度不得超过37度。因此,根据回水温度来决定冷却水的流量是可取的。即使进水和回水的温度很低,也不允许冷却水断流。因此,在实行变频调速时,变频器需预置一个下限频率。
综合起来,即是:当回水温度较低时,冷却泵以下限转速运行;当回水温度较高时,冷却泵的转速也逐渐升高,而当回水温度升高到某一设定值(如35度)时,应该采取进一步措施;或增加冷却泵的运行台数,或增加水塔冷却风机的运行台数。
温差控制   
温差量能反映冷冻主机的发热情况、体现冷却效果的是回水温度T0与进水T i之间的“温差”∆ t,因为温差的大小反映了冷却水从冷冻主机带走的热量,所以,把温差∆ t作为控制的主要依据,通过变频调速实现温差控制是可取的。即:温差大,说明主机产生的热量多,应提高冷却泵的转速、加快冷却水的循环,反之,温差小,说明主机产生的热量少,可以适当降低冷却泵的转速、减缓冷却水的循环。
实际运行表明,把温差值控制在3~5度的范围内是比较适宜的。
温差与进水温度的综合控制   
由于进水温度是随环境温度而改变的,因此,把温差恒定为某值并非上策。因为,当我们采用变频调速系统时,所考虑的不仅仅是冷却效果,还必须考虑节能效果。具体地说,则:温差值定低了,水泵的平均转速上升,影响节能效果:温差值定高了,在进水温度偏高时,又会影响冷却效果。实践表明,根据进水温度来随时调整温差的大小是可取的。即:进水温度低时,应主要着眼于节能效果,控制温差可适当地高一点;而在进水温度高时,则必须保证冷却效果,控制温差应低一些。
3.2控制方案
根据以上介绍的情况,冷却泵采用变频调速的控制方案可以有多种,考虑到节能和致冷的综合效果,我们利用温差控制为主,回水温度控制为辅来控制冷却水系统。用一台变频器切换控制一台或一台以上电机,具体方式是:用传感器采集冷却水进水和出水温度,PID将温差量变为模拟量反馈给中央处理器,然后由中央处理器控制变频器的频率。当温差相差不大,冷却水流量可适当减少,这时中央处理器使变频器输出为设定的低频值,电机转速减慢,水流量减少;当温差较高时,冷冻机组有更多的热量需要带走,这时中央处理器使变频器输出为设定的较高频率值,电机转速加快,水流量增加,带走更多的热量。如果冷却水的回水温度超过32℃时(可以根据实际情况设定),变频器优先以较高频运行,这样能够根据系统实时需要,提供合适的流量,不会造成电能浪费。
4冷冻水系统的变频调速
4.1控制的主要依据
在冷冻水系统的变频调速方案中,提出的控制依据主要有两种:
1)压差控制   即以出水压力和回水压力之间的压差作为控制依据,基本考虑是使最高楼层的冷冻水能够保持足够的压力。
这种方案存在着两个问题:
没有把环境温度变化的因素考虑进去,就是说,冷冻水所带走的热量与房间温度无关,这明显地不大合理。
2)温度或温差控制   严格地说,冷冻主机的回水温度和出水温度之差表明了冷冻水从房间带走的热量,应该作为控制依据。但由于冷冻主机的出水温度一般较为稳定,故实际上,只需根据回水温度进行控制就可以了。
为了确保最高楼层具有足够的压力,在回水管上接一个压力表,如果回水压力低于规定值,电动机的转速将不再下降。
4.2控制方案
综合上述分析,可以改进的控制方案有两种:
压差为主温度为辅的控制   以压差信号为反馈信号,进行恒压差控制。而以回水温度信号作为目标信号,使压差的目标值可以在一定范围内根据回水温度进行适当调整。就是说,当房间温度较低时,使压差的目标值适当下降一些,减小冷冻泵的平均转速,提高节能效果。这样一来,既考虑到了环境温度的因素,又改善了节能效果。
温度(差)为主压差为辅的控制  以温度(或温差)信号为反馈信号,进行恒温度(差)控制,而以压差信号作为目标信号。就是说,当压差偏高时,说明负荷较重,应适当提高目标信号,增加冷冻泵的平均转速,确保最高楼层具有足够的压力。
对于冷冻水系统我们采用全闭环温度控制。用一台变频器切换带动一台或一台以上冷冻电机。具体方法是:在保证冷冻机组冷冻水流量所需前提下,确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率,可将其设定为下限频率。水泵电机频率调节是通过安装在系统管道上温度传感器测回水温度。温控器将其与设定值进行比较。当冷冻回水温度大于设定值时,变频器输出上限频率,水泵电机高速运转;当冷冻回水温度小于设定温度时电机以设定的频率曲线工作。
5.信号的转换
温度信号的转换    一般说来,由于温度较低,变化范围也不大,故温度传感器以铂电阻(Pt100)为宜,信号转换我们直接采用AL808温差PID,不但将温差信号转换0-10V的标准模拟量信号,而且可以显示回水温度、进水温度、温差值使用起来很方便。
 
6.主要的功能有:
a) 变频/工频切换功能     如将转换1开关置于“停”位,则不改变原控制柜的操作,如要变频运行,则转换1开关必须置于“1号”位或“2号”位
b) 闭环全自动运行功能   将转换开关2置于“闭环”位,“闭环运行”指示灯亮,此时变频器的运行频率由PID自动给定,无须人工调节。
c) 开环调节功能         将转换开关2置于“开环”位,“开环运行”指示灯亮,此时变频器的运行频率通过调节电位器,人为设定。
从运行情况看,进行变频节能改造后:
1) 节能效果显著;
2) 实现了软启动,电机启动电流大幅度下降,避免了电机启动时对电网的冲击;
3) 设备运行更平稳,消除了启动和停机时的水锤效应;
4) 实现了闭环全自动控制,提高了自动化水平,运行安全可靠、无人值守。
7.工程报价:
     我公司派工程师考察具体项目后,根据工程实际情况及控制要求再具体报价。
8.工期及售后服务承诺
1.合同签定后20个工作日进场安装,安装调试7天,且不影响设备正常运行。
2.本公司提供免费技术培训。
3.对所供产品24小时服务,一年内免费保修,终身维护。    
深圳市鑫科实业有限公司

附:
    深圳市鑫科实业有限公司是中国电力电子产品专业厂家,是多年从事变频、数控、自动化产品开发、生产、经营、维修及成套设计制作的独资公司,拥有一批电气自动化、电力电子技术、微电子技术、自动控制系统及应用的技术和经营骨干。
本公司自行研制开发、生产的中央空调、风机、注塑机、空压机、恒压供水等节能系统均通过国家级质量检验中心检验,并被评为“深圳市推荐使用的节能产品”,代表深圳市参加首届《中国国际高新技术成果交易会》,并获得好评。
中央空调全闭环节能改造样板工程有:
深圳国际技术创新研究院大楼
深圳三九会所
深圳市富苑大酒店
深圳华联大厦
深圳五洲宾馆
厦门假日海景酒店
深圳南山热电厂
华强三洋激光
深圳康泰生物制药有限公司等等


 

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