空調風機節能改造工程的實踐

白濤 董曉君 唐去克

1 引言

我國經濟快速增長，各項建設取得巨大成就，但也付出了巨大的資源和環境代價，經濟發展與資源環境的矛盾日趨尖銳。同時，溫室氣體排放引起全球氣候變暖，備受國際社會廣泛關注。加強實施節能減排工作，是實現可持續發展的迫切需要，也是應對全球氣候變化的迫切需要。因此，在國家要求節能減排的背景下，各企業也根據自身情況，積極貫徹落實應對。

本空調節能項目屬于某電信運營商信息樞紐大樓機房空調節能改造工程。該大樓中，機房空調的用電約占總用電量的40%～50%，其中機房空調包含中央空調機組、恒溫恒濕精密空調、普通民用空調。實施空調節能工程，降低用電量，減少成本，對于貫徹國家節能減排政策，增強企業競爭力是非常必要的。

2 主要內容

2.1 基本原理

對于中央空調系統的節能改造，較為成熟的技術主要是運用變頻技術。根據實際負荷需要，對系統內的冷卻塔風機、冷凍水泵、冷卻水泵、送風機等電動機進行變頻調節，以降低電機功率，實現節能的目的。在空調系統中，送風機保持長時間運轉，用電量約占空調用電量的15%～30%。本項目主要針對空調系統的送風機進行節能改造，將變頻技術應用于變風量空調系統，降低風機的功率。

如圖1所示，風機相似定律的理論表明[1]，當改變電機轉速以改變風機轉速時，其效率基本不變；但風量、壓力及功率卻按下式改變：

其中：Q為風機風量；P為風機風壓；N為風機功率；n為風機轉速。

由式（3）可知，風機的耗電量與轉速的立方成正比。一旦風機的轉速降低，其耗電量將以立方的比例大大降低。例如：根據工藝要求，風機的風量下降到80%，則風機的轉速也下降到80%，風機軸功率則會下降到額定功率的51%，節電50%；若風機的風量下降到50%，則風機的轉速也下降到50%，其風機軸功率則下降到額定功率的l3%，節電87%；從節能角度看，風機變頻調速控制最為有利；調節范圍最大，經濟性能最佳。

圖1 風機相似定律曲線圖

變風量空調節能系統的基本工作原理，是以風管靜壓為被控信號，壓力信號通過 PLC控制器采集，設定壓力目標值，經過內置的PID控制算法，控制變頻器的輸出頻率，變頻器通過改變電動機的轉速，對風機轉速進行調節，實現節能的目的。

圖2為節能系統原理簡圖，系統的調節過程是：當機房負荷減小時，機房室內溫度下降，回風溫度降低，送風閥門減小開度，風管靜壓上升，冷水閥的開度減小，風機轉速可降低；當機房負荷增加時，機房室內溫度上升，回風溫度升高，送風閥門增大開度，風管靜壓下降，冷水閥的開度增大，風機轉速可增大。

圖2 空調風機節能系統原理簡圖

2.2 系統結構與設備選型

本節能項目系統由風壓傳感器、PLC控制器、變頻器、輸出電抗器等組成。

現場的機房空調是 YORK組合式空氣處理機系列，風機的電動機為18.5kW三相異步交流電機。節能系統的PLC控制器選擇SIEMENS S7-200，集成了模擬量和數字量輸出和輸入，具備通信功能，方便實用。變頻器選擇SIEMENS MM430風機水泵專用系列，保證和 PLC控制器的通信順暢。空氣開關、接觸器選擇施耐德的D2系列，可有效保護電機。小型繼電器選擇施耐德RXL系列。輸出電抗器選用上海鷹峰電子的產品，可有效減少高次諧波，消除對電機的不利影響?？刂葡溥x用圖騰品牌，按設計要求訂做。

同時，節能系統作為空調系統正常運行的輔助部分，首先必須保證空調系統按照原狀態正常運行。為此，系統設計旁路切換功能。在控制箱內，設計了變頻回路的交流接觸器，以及旁路工頻的交流接觸器，兩個交流接觸器之間有機械互鎖，同時在 PLC軟件編程中，設計電氣互鎖程序，這樣保證兩個接觸器不出現同時閉合的誤動作。旁路功能的實現通過兩種方式：一是在停機狀態下，使用切換開關進行切換；二是 PLC軟件程序設計中，編寫變頻回路故障自動切換到旁路工頻的程序，實現系統的自動切換，保證系統的正常運行。

2.3 工程的實施

（1）、風壓傳感器的安裝位置[2]

在變風量空調系統，風管風壓傳感器的安裝位置決定風管靜壓的準確與否。傳感器的安裝在工程實施中是難點，對這個問題，尚存不同的觀點，有些人認為將風壓傳感器設于風機出口后管路的1/2處，更多的人認可將風壓傳感器設于風機出口后管路的 2/3處。對于不同的觀點，需要按照具體情況分析，如圖3所示：

圖3 風管氣流方向示意圖

在圖3（a）中，流體質點受到與流動方向一致的正壓差作用，成為一個減壓增速區，緊接減縮管之后，出現一個不大的旋渦區。圖3（c）所示的分流三通上的旋渦區，也是這種減速增壓過程造成的。圖3（b）中，雖然過流斷面沿程不變，但彎管內流體質點受到離心力作用，彎管前半段沿外壁是減速增壓的，彎管外側出現旋渦區；在彎管的后半段，由于慣性作用，彎管內側出現旋渦區。因此，在設置風壓傳感器時，至少應離開這些部位4D的距離。在本工程實施中，根據現場實際情況，風壓傳感器設置于風管的主管道，距離分支管道2D～3D的距離。

（2）、PID控制算法的調節[3]

本節能系統中，PLC采集到風壓傳感器的壓力信號以后，通過軟件程序的PID控制算法進行計算，輸出合適的頻率設定值到變頻器，進而改變電機轉速。

在自動控制系統之中，閉環控制系統的被控對象輸出會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環。在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。

PID控制器各校正緩解的作用如下：

比例（P）環節，即時成比例地反映控制系統的偏差信號 e(t)，偏差產生后，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。積分（I）環節，主要用于消除靜差，提高系統的無差度。微分（D）環節，能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），即在系統中引入一個有效的早期修正信號，加快系統的動作速度，減小調節時間。

SIEMENS S7-200 PLC控制器包含有PID算法控制功能，通過設定以上P、I、D參數，再通過編程軟件Step7-Microwin中的PID調諧控制面板（如圖4所示），可以精確設定此三個參數，以達到控制風管靜壓的目的。

圖4 PID調諧控制面板

2.4 節能測試

節能系統試運行時，進行節能測試。電氣控制柜內安裝有電流互感器、有功電度表，用以測試空調節能率。以48小時為一周期，空調使用節電設備和沒有使用節電設備分別運行24小時。根據實際情況測試多個周期。表1為節能測試的部分數據。在兩種工況下，記錄有功電度表耗電量讀數，并進行對比。節電率計算公式如下：

表1 節能系統測試對照表

其中：Wg為單位時間內平常狀態運行耗電量，Wb為單位時間內節電狀態運行耗電量。

3 總結

本項目的空調節能系統，經過設計安裝調試后，已經投入正常使用運行。秋冬季節的平均節電率可達到10%～16%。

總結經驗，空調節能的改造項目，在設計階段，應根據空調實際情況進行評估和嚴謹設計。原空調系統本身的設備條件應重點考慮，如：風機、電氣控制、閥門等是否滿足設計改造的要求，原設備是否存在不足或者缺陷等。設備的相關因素如未調查清楚和考慮周到，都可能導致項目不能達到預期效果。

在項目的調試運行階段，應注意兩大原則：首先不能影響原空調系統的正常穩定運行，保證改造后的系統滿足機房負荷的要求；其次再根據實際情況，運用技術手段實現節能的目標。

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