中央空調(diào)水系統(tǒng)變頻節(jié)能改造分析與實(shí)踐

徐鳳平 嚴(yán)良文 李 文 倪 軍

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院1，上海 200072;江陰盛輝科技有限公司2，江蘇 江陰 214400)

0 引言

中央空調(diào)系統(tǒng)通常由制冷主機(jī)、循環(huán)水系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管三大部分組成。在公用和民用建筑物中，其能耗巨大，約占建筑總能耗的55%。大型中央空調(diào)系統(tǒng)中，循環(huán)水系統(tǒng)的耗電量占整個(gè)系統(tǒng)耗電量的18%左右。因此，如何降低循環(huán)水系統(tǒng)的能耗便成了空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。在假定空調(diào)水系統(tǒng)流量不變的情況下，空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)空調(diào)最大負(fù)荷加以設(shè)計(jì)。而空調(diào)系統(tǒng)在絕大部分時(shí)間內(nèi)以部分負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，據(jù)有關(guān)資料調(diào)查表明，空調(diào)系統(tǒng)在一天中高負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間約為4～5 h，其他時(shí)間在中、低負(fù)荷下運(yùn)行。近年來(lái)，隨著對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的研究，出現(xiàn)了多種節(jié)能控制方法。水系統(tǒng)變頻節(jié)能是運(yùn)用較多的一種。為此，本文詳細(xì)介紹了空調(diào)水系統(tǒng)變頻的節(jié)能要點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際改造項(xiàng)目，對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行分析。

1 空調(diào)水系統(tǒng)變頻節(jié)能原理

中央空調(diào)水系統(tǒng)變頻是指對(duì)冷卻水泵和冷凍水泵進(jìn)行改造。通過(guò)對(duì)水泵變頻，將水系統(tǒng)改造為變流量運(yùn)行，使空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷與實(shí)際相匹配。

通常冷水機(jī)組是在定流量設(shè)計(jì)下運(yùn)行的，冷水機(jī)組要保持定流量的主要原因是：①蒸發(fā)器(或冷凝器)內(nèi)水流速的改變會(huì)改變水側(cè)放熱系數(shù)，影響傳熱;②管內(nèi)流速太低，若水中含有機(jī)物或鹽，在流速小于1 m/s時(shí)，會(huì)造成管壁腐蝕;③避免由于冷水流量突然減小，引起蒸發(fā)器的凍結(jié)[1－2]。實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)水泵變頻改造工程表明，對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)水泵進(jìn)行變頻節(jié)能改造，對(duì)冷水機(jī)組的功率幾乎沒(méi)有影響[3]。因此，合理利用變頻節(jié)能控制方法，對(duì)整個(gè)中央空調(diào)控制系統(tǒng)會(huì)起到更好的保護(hù)作用。

空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能的依據(jù)是空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)下，通過(guò)減小水流量來(lái)維持空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的不變，從而節(jié)省循環(huán)水系統(tǒng)中水泵的能耗。根據(jù)水泵的工作原理可知，水泵的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速與功率之間的關(guān)系為：

式中：Q1、Q2為水泵的流量，m3/h;n1、n2為水泵的轉(zhuǎn)速，r/s;H1、H2為水泵的揚(yáng)程，m;P1、P2為水泵的功率，kW。

由式(1)可知，水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，而水泵的輸入功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比關(guān)系。由該關(guān)系可知，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速降低后，流量按照某比例減小，相應(yīng)泵的功率按照該比例的三次方下降[5]。

一次泵水系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能的最佳配置。傳統(tǒng)的空調(diào)水系統(tǒng)在末端設(shè)置電動(dòng)兩通閥或電動(dòng)三通閥，通過(guò)閥門開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)水流量。這種方法雖然能減小空調(diào)系統(tǒng)的流量，但卻大大增加了系統(tǒng)的壓力，即增加系統(tǒng)的管路阻力，使大部分的能量消耗在閥門上[6]。

隨著變頻器價(jià)格的下降，變頻泵在空調(diào)水系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來(lái)越多。當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時(shí)，相應(yīng)的流量也從Q1變?yōu)镼2，實(shí)現(xiàn)了流量調(diào)節(jié)，與普通的循環(huán)泵相比，節(jié)約了水泵的能耗。另外，變頻泵可以使管網(wǎng)的流量連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，有利于更好地降低水泵的能耗。設(shè)置旁通閥調(diào)節(jié)水量原理如圖1所示。

圖1 設(shè)置旁通閥調(diào)節(jié)水量原理圖Fig.1 Principle of regulating water volume by setting up the by-pass valve

工頻和變頻運(yùn)行效果比較如表1所示[4]。

表1 工頻和變頻運(yùn)行效果比較Tab.1 Effect comparison of the operations under power frequency and variable frequency

2 變頻節(jié)能控制原理

空調(diào)水系統(tǒng)包括冷卻水和冷凍水系統(tǒng)兩部分。冷卻水部分包括冷卻水泵、冷卻塔和冷卻水管道。冷凍水部分包括冷凍水泵和冷凍水管道。在冷凍水部分出口和冷卻水部分進(jìn)出口都安裝有二線制的溫度變送器，對(duì)冷卻水部分的進(jìn)出口溫度送至變頻器作溫差控制，而冷凍水的出口溫度作恒溫控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of the systematic structure

圖2中，溫度變送器傳送三個(gè)溫度模擬量(冷卻水進(jìn)口溫度、冷卻水出口溫度和冷凍水出口溫度)至變頻器，三個(gè)模擬量作為變頻器控制判定根據(jù)。變頻器再將啟動(dòng)泵信號(hào)傳至PLC，通過(guò)PLC啟動(dòng)相應(yīng)水泵，實(shí)現(xiàn)水泵間的切換。變頻器輸出信號(hào)控制著電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，最終實(shí)現(xiàn)水泵內(nèi)水的流量控制[7]。變頻器將設(shè)置最低限和最高限來(lái)保護(hù)制冷主機(jī)和電機(jī)，根據(jù)實(shí)際需要，冷卻水進(jìn)出口溫差變大時(shí)，則變頻器增大頻率，加快電機(jī)轉(zhuǎn)速，加大水的流量;反之，溫差變小，則減小頻率，減慢電機(jī)轉(zhuǎn)速，減小水的流量。

水系統(tǒng)變頻節(jié)能改造系統(tǒng)控制原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of control principle of the system

3 工程改造及節(jié)能效果

由于空調(diào)系統(tǒng)的不同，采用變頻節(jié)能改造的節(jié)能效益也不相同。本文以改造的某工程為例，分析其改造和節(jié)能效果。

改造工程為一政府辦公樓，采用H2蒸汽雙效型溴化鋰吸收式制冷主機(jī)，配備兩臺(tái)冷卻水泵和兩臺(tái)冷凍水泵。空調(diào)水系統(tǒng)的主要設(shè)備如表2所示。

表2 空調(diào)水系統(tǒng)主要設(shè)備Tab.2 Major equipment of the water system

改造前，系統(tǒng)工頻運(yùn)行，即冷凍水和冷卻水系統(tǒng)均按工頻運(yùn)行。運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)電機(jī)電流遠(yuǎn)超過(guò)電機(jī)的額定電流，電機(jī)外殼發(fā)熱嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)啟動(dòng)電流過(guò)大直接導(dǎo)致系統(tǒng)不能啟動(dòng)的情況。按照文中的控制原理和方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，分析對(duì)比了系統(tǒng)改造前后的能耗狀況。改造前，水系統(tǒng)每天的能耗基本相等;改造后，每天水系統(tǒng)的能耗會(huì)根據(jù)當(dāng)天天氣情況導(dǎo)致空調(diào)房間制冷量的變化。系統(tǒng)改造前后水系統(tǒng)單月的耗電量如表3所示。

表3 耗電量Tab.3 Power consumption

其中，E前冷卻水為改造前冷卻水系統(tǒng)所消耗的總能量;E前冷凍水為改造前冷凍水系統(tǒng)所消耗的總能量;E后冷卻水為改造后冷卻水系統(tǒng)所消耗的總能量;E后冷凍水為改造后冷凍水系統(tǒng)所消耗的總能量。

該工程冷卻水部分節(jié)省電能計(jì)算式為：

冷凍水部分節(jié)能電能為：

冷卻水部分節(jié)電率為：

冷凍水部分節(jié)電率為：

綜上所述，該工程水系統(tǒng)部分變頻節(jié)能改造的節(jié)電率約為33%。

4 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)空調(diào)水系統(tǒng)變頻技術(shù)和控制原理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，使現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高，系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命延長(zhǎng)。結(jié)合具體改造工程的的耗電量及節(jié)電率的分析計(jì)算，可以得出中央空調(diào)水系統(tǒng)變頻改造的節(jié)能優(yōu)越性。因此，應(yīng)用中央空調(diào)系統(tǒng)水系統(tǒng)變頻節(jié)能改造技術(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，室內(nèi)溫濕度滿足要求。在現(xiàn)代制冷技術(shù)的不斷完善和成熟下，變頻改造水系統(tǒng)將成為中央空調(diào)節(jié)能的重要方法之一。

[1]高養(yǎng)田.空調(diào)變流量水系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展[J].暖通空調(diào)，1996，26(3)：20 －26.

[2]王凡，徐玉黨.中央空調(diào)水系統(tǒng)變流量分析及其改進(jìn)[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2006，25(1)：49 －52.

[3]張謀雄.冷水機(jī)組變流量的性能[J].暖通空調(diào)，2000，30(6)：56 －58.

[4]李玉云，高春雪，翁維安.中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能改造技術(shù)與實(shí)踐[J].節(jié)能，2008，27(10)：34 －36.

[5]蔡增基，龍?zhí)煊?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)[M].4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

[6]馬最良.建筑物暖通系統(tǒng)水力平衡及其應(yīng)用——空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能要點(diǎn)[J].中國(guó)建設(shè)信息：供熱制冷，2008，10：12 －15.

[7]李財(cái)均.大溫差空調(diào)水系統(tǒng)方案分析[J].廣東建材，2008(7)：225－227.