談中央空調水系統的變頻節能問題

摘 要:首先從能源的角度分析了冷卻水系統、冷凍水系統高能耗的主要原因，接著介紹了中央空調中變頻調速技術的節能原理，且對變頻調速系統的工作效率做了簡要的分析。

關鍵詞:水系統變頻技術水泵

中圖分類號:TM921.51文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(c)-0091-01

引言

當前中央空調的高能耗問題普遍存在于各種建筑當中，每年中央空調的耗電量接近450多億KWh，幾乎占到了所有供電部門總電量的45%左右，在高能耗設施中占據重要角色。同時，在設計空調系統時均以最大負載作為要求，但在空調實際的運行時，負載受多種因素影響，平均還達不到設計要求負載的30%，能源存在極大地浪費現象。目前我國在中央空調水系統能耗設計方面與重視節能的歐美國家，差距甚大。冷源系統的能耗的高低受冷卻循環水泵、冷水機電耗及冷凍循環水泵、冷卻塔風機電耗影響。所以，要節約能耗就需要依靠適當的降低冷凍水循環泵、調節冷水機運行狀態，冷卻水循環泵及冷卻塔風機耗電量來獲取。

1 中央空調變頻系統的設計依據

我國華北地區，空調使用的周期大概在6～8個月。在這種情況下，冷凍水系統和冷卻水系統基本上都工作在大流量下。同時，由于用戶負載的變化、晝夜和季節等因素的影響，中央空調的負載實際在很大一部分時間內遠低于設計時的負載。根據對建筑物實測獲得的熱負載變化率，便可以決定水泵壓力和流量的最大負載設計。如此相比，負載率一年當中在50%以下的時間占到全部時間的60%左右，冷凍水一般的溫差設計為6～8°C，冷卻水一般溫差設計為5～7°C，在固定流量的狀況下，整年很大部分運行時間溫差僅僅為1～2℃。由此可知，工作在流量大，溫差低的情況下，會使管路系統的能量損耗增加，同時也會造成水泵輸送能量的浪費。中央空調的水泵的耗電量一般占整個空調系統的25%～35%。所以當水泵在低負載時，節約供水輸出能量對空調系統的能耗起到重要作用。因此，可變流量的空調水泵系統的優勢就越發明顯，從而得到高度的重視和廣泛的應用。

2 水系統控制原理和方法

水系統有兩種控制方式[1]，一種是定流量控制，另一種是變流量控制。這兩種控制方式有各自的特點。(1)定流量控制特點:當室內的負載發生變化時，通過室內溫度傳感器控制安裝在空調回水管上的電動三通閥開啟度，調節通過中央空調末端的水流量，而系統的水流量不變，空調末端的分機風量不改變。(2)變流量控制特點:當室內的負載發生變化時，通過室內溫度傳感器控制安裝在空調回水管上的電動二通閥開啟度，調節通過空調負載側的水流量，在冷熱側的分集水器之間設壓力旁通閥，保持通過冷水機組的水流量不變，空調末端的風機風量不該改變。由于二通閥在空調末端調節方面優于三通閥，它具備等百分比調節的特性，即它的開啟度以等比例地線性動作，滿足非線性流量下所要求的熱出力的需求，從而達到制冷盤管的靜熱的特性;并且電動三通閥的成本比較高，因而變流量控制方案目前應用較多。水系統控制原理[2][3]:在夏季，當室內溫度比預設值低，則閥門(電動二位控制閥)自動關閉，當室內溫度比預設值高時，閥門自動開啟;冬季流程相反。在冷熱側的分集水器之間設計一只壓差控制器和一只PID電動旁通調節閥。當負載側的水流量出現變化時，空調系統的水流量同樣要出現變化，分集水之間的壓差將出現變化，壓差控制器將采集到的壓差信號傳送到控制中心與預設值比較，如果即時壓差大于預設值，表明流水量超標了，則由控制中心發出控制命令控制PID電動二通調節閥的開啟度，將負載側超標的流量通過分水器旁通到集水器當中，此時回水的溫度下降，則冷凍機依據回水溫度的變化自動卸載。當一臺主機的額定流量小于旁通流量時，一臺冷凍機和相應的設備則自動停止工作，依此類推。相反當負載側流量不夠時，則控制過程相反。

2.1 水系統節能技術

(1)對水系統設計的重視:設計人員對水系統各個環路進行精心的設計和計算，并且采用有力的手段確保各個環路水力達到平衡。認真計算和核對空調水系統輸送參數，達到節能設計標準的標準值，選則合適功率大小的水泵。(2)水系統運用大溫差小流量運行:在國內夏季冷凍水系統供回水溫差較好的為3°C，較差的只有1～1.5°C，造成實際水流量比設計水量大1.5倍以上，使水泵電耗大大增加。國外絕大多數系統采用的設計溫差為7～8°C，有的甚至為10°C(如日本)。空調水系統運用大溫差小流量的模式運行，雖然在一定程度上會增加主機的能耗，但可以在很大程度上減少水泵的功率配置，最終降低中央空調的能耗，全年的節能效果明顯。(3)水泵的變頻調速技術:在中央空調循環系統中引入變頻技術，該技術通過調節電機的輸入頻率來改變電機轉速，最終改變水泵的壓力、揚程和流量來調節溫度，且整個空調系統處于平穩的調節狀態，穩定性非常好，節能效果異常突出。圖1為轉速是n0、n1、n2所對應水泵運行特性曲線、管路阻力特性曲線及水泵效率曲線圖。根據水泵的工作原理，水泵的流量q與其轉速n成正比q=k1n;水泵的壓力p與其轉速的平方n2成正比p=k2n2;水泵軸功率P等于流量q與壓力p的乘積Q=q*p;所以P=k1k2*n3，故水泵軸功率與其轉速的三次方成正比。又感應交流電機的轉速在級數不變的情況下與電源頻率成正比n=k3*f，所以P=k1k2k3*f3，式中k1、k2、k3為常系數。通過改變水泵的旋轉速度，使水流量符合能量負載變化的需求，水泵功率下降，節能效果明顯。另外，變頻器還能依據冷凍水泵負載的變化改變水泵電機的旋轉速度，在中央空調系統正常運轉的情況下，使冷凍水泵做出調節，達到節能的目的。水泵電機的旋轉速度下降，所需要的電能自然也價低了。

減少的功耗△P=P0[1-(n1/n2)3]

減少的流量△Q=Q0[1-(n1/n2)3]

3 結論

適當配備中央空調系統的裝機容量，可使系統在絕大多數時間里全負載工作，這樣可以減少額外的能耗。變頻技術的應用，除了節能效果不錯以外，水泵在變頻技術的控制下切換平穩，大大減少了設備無效的運行時間。對水泵應用變頻技術進行調速可以明顯的降低系統的額外能耗。

參考文獻

[1]聶玉強，李安桂.中央空調系統高效節能技術分析與應用[J].重慶建筑大學學報，2007(1).

[2]蘇明哲，張存泉.變頻節能技術在中央空調水系統的應用[J].中國建設信息供熱制冷，2004(6)．

[3]朱順兵.建筑自動化系統空調節能優化控制策略分析[J].南京工業大學學報:自然科學版，2006(2).

[4]張德孝，胡慶.基于PLC控制的船舶水源熱泵空調系統[J].遼寧師專學報:自然科學版，2007(4).