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中央空调 变频改造方案


概述
在中央空调系统中,冷冻水泵 和冷却水泵的容量是根据建筑物最大设计热负荷选定的,且留有一 定的设计余量。在没有使 用调速的系统中,水泵一年 四季在工频状态下全速运行,只好采用 节流或回流的方式来调节流量,产生大量 的节流或回流损失,且对水泵电机而言,由于它是 在工频下全速运行,因此造成 了能量的大大浪费。
由于四季的变化,阴晴雨雪 及白天与黑夜时,外界温度不同,使得中央 空调的热负荷在绝大部分时间里远比设计负荷低。也就是说,中央空调 实际大部分时间运行在低负荷状态下。据统计,67%的工程设 计热负荷值为94-165W/m2,而实际上83%的工程热负荷只有58-93 W/m2,满负荷运 行时间每年不超过10-20小时。
实践证明,在中央空 调的循环系统(冷却泵和冷冻泵)中接入变频系统,利用变频 技术改变电机转速来调节流量和压力的变化用来取代阀门控制流量,能取得明 显的节能效果。
一、普通中央 空调工作系统
工作简述
⑴、中央空调启动后,冷冻单元工作,蒸发器吸 收冷冻水中的热量,使之温度降低;同时,冷凝器释 放热量使冷却水温度升高。
⑵、降了温的 冷冻水通过冷冻泵加压送入冷冻水管道,在各个房 间由室内风机加速进行热交换,带走房间 内的热量使房间内的温度降低后,又流回冷冻水端。
⑶、而升了温 的冷却水通过冷却泵压入冷却塔,由冷却塔 风机加速将冷却水中的热量散发到大气中,使水温降低后,流回冷却水端。
⑷、冷冻机组 工作一段时间后,达到设定温度,由温度传 感器检测出来,并通过中 间继电器及接触器控制冷冻机停止工作,温度回升 到一定值后又控制其运行。
二、普通中央 空调存在的问题
1、冷冻水,冷却水循 环泵不能根据实际需求来调整循环量,电机工作效率低下,造成大量电力浪费,并加速机组磨损;
2、 其控制接 触器等电器动作频繁,导致使用寿命短,维修量大;而对于大容量系统,传统的控制线路复杂,可靠性差,需专人负责;
3、 整个系统运行噪音大、控制性能差、耗电量大、使用寿命短;在维护管理,检修调整 方面工作量大,维护费用高。
三、节能原理
由流体传输设备水泵、风机的工作原理可知:水泵、风机的流量(风量)与其转速成正比;水泵、风机的压力(扬程)与其转速 的平方成正比,而水泵、风机的轴 功率等于流量与压力的乘积,故水泵、风机的轴 功率与其转速的三次方成正比(即与电源 频率的三次方成正比)根据上述原理可知:降低水泵、风机的转速,水泵、风机的功 率可以下降得更多。例如:将供电频率由50Hz降为45Hz,则P45/P50=(45/50)3=0.729,即P45=0.729P50(P为电机轴功率);将供电频率由50Hz降为40Hz,则P40/P50=(40/50)3=0.512,即P40=0.512P50(P为电机轴功率)。
由以上内容可以看出,用变频器进行流量(风量)控制时,可节约大量电能。中央空调 系统在设计时是按现场最大冷量需求量来考虑的,其冷却泵,冷冻泵按 单台设备的最大工况来考虑的,在实际使用中有90%多的时间,冷却泵、冷冻泵都 工作在非满载状态下。而用阀门、自动阀调 节不仅增大了系统节流损失,而且由于 对空调的调节是阶段性的,造成整个 空调系统工作在波动状态;而通过在冷却泵、冷冻泵上 加装变频器则可一劳永逸地解决该问题,还可实现自动控制,并
可通过变 频节能收回投资。同时变频 器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对系统的平稳调节,使系统工作状态稳定,并延长机 组及网管的使用寿命。
因此,随热负荷 而改变水量的变流量空调水系统显示了巨大的优越性,因而得到 越来越广泛的应用,采用SPWM变频器调节泵的转速,可以方便 地调节水的流量,根据负荷 变化的反馈信号经PID调节与变 频器组成闭环控制系统,使泵的转 速随负荷变化,这样就可以实现节能,其节能率通常都在20%以上。改造的节 电率与用户的使用情况密切相关,一般情况下,春、秋两季运 行节电率较高,可达40%以上,夏季由于 用户本身需要的电能就大,可节省的空间有限,一般在20%左右。
四、节能方案
1、整体说明
贵司中央 空调系统目前有2台110KW冷却泵,3台110KW冷冻泵。我们可对 冷却系统和冷冻系统进行节能改造。
中央空调实际运行时,冷却系统 和冷冻系统的进、出水温差(△T)约为2oC,根据:
冷冻水、冷却水带走的热量(r)= 流量(Q)×温差(△T)
我们可以 适当提高温差(△T),降低流量(Q),即降低转速,即可达到节能的目的。
分析:采用变频 器配合可编程控制器组成控制单元,其中冷却水泵,冷冻水泵 均采用温度自动闭环调节即用温度传感器对冷却水、冷冻水的 水温进行采样,并转换成电信号(一般为4—20mA,0—10V等)后送至 PLC ,PLC 将该信号 与设定值进行比较运算后决定变频器输出频率,以达到改变冷冻水泵、冷却水泵 转速从而达到节能目的。冷却塔风机变频驱动:可编程控 制器根据回水温度信号控制变频器驱动风机,使风机工 作在最经济状态而节约大量电能。
中央空调 系统变频改造的原理如下:
冷却水循环系统,回水与出水温度之差,反应了需 要进行交换的热量;根据回水 和出水温度之差,通过控制 循环水的速度来控制热交换的速度,在满足系 统冷却需要的前提下,达到节电的目的。温差大说 明冷冻机组产生的热量大,应提高冷却泵的转速,增大循环速度,加速冷却水的降温;温差小,说明冷冻 机组产生的热量小,可降低冷 却泵的循环速度,以节约电能。采用变频调速器驱动,两台冷却泵互为备用,可编程控制器(PLC)根据传感 器检测到的温差信号,同设定温 差比较后控制变频器驱动电机运转。(PLC)先控制变 频器软启动电动机M1,当M1到达额定转速时,仍未达到 设定温差值时,(PLC)控制M1切换到工频电网运行,然后再启动M2,经控制变 频器调节电机M2运转,从而控制 冷却水的循环速度;当电机M2工作在下限转速值时,如果检测 值大于设定值,(PLC)控制电机M1停机,同时控制 变频器调节电机M2转速从而 达到设定要求。
在冷冻循环系统中,由于出水 温度比较稳定,因此仅回 水温度就足以反应了房间的温度,所以PLC可根据回 水温度进行控制。回水温度高,说明房间温度高,应提高冷冻泵转速,加快冷冻水的循环;反之回水 温度低说明房间温度低,可降低冷冻泵的转速,减缓冷冻 水的循环速度,以节约能源(其控制过 程同冷却泵循环系统类似)
2、冷冻水系统控制(冷冻泵3个,单台110KW,4极异步电机)
对于冷冻水系统,由于低温 冷冻水温度取决于蒸发器的运行参数,只需控制高温冷冻水(回水)的温度,即可控制温差,现采用温度传感器、PID调节器和 变频器组成闭环控制系统,使冷冻水 泵的转速相应于热负载的变化而变化。即不同的季节、不同的空 调点负荷的多少要求循环水的流量和压力不同,夏天或空 调点较多时要求流量与压力较高,而冬天或 空调点较少时要求流量与压力较低,因此设计 变频控制系统使供水系统满足最佳流量与压力,达到节能的目的。因空调设 计时常对循环水系统考虑较多的满负荷余量,所以变频 改造后可以节省大量的电能,节电效果非常理想。
3、冷却水系统控制(冷却泵2个,单台110KW,4极异步电机)
对于冷却水系统,取冷凝器 两侧冷却水的温度作为控制参数,采用温度传感器、PID温差调节 器和变频器及冷却水泵组成闭环控制系统,冷却水温差控制在△T2(例如:5℃),使冷却水 泵的转速相应于热负载的变化而变化,而冷却水 的温差保持在设定值不变,使系统在 满足主机工况不变条件下,冷却水泵 系统节能最大。即冷却水 依靠冷却泵给至冷却塔,不同的内 部热交换程度要求冷却水循环的流量不同,因在空调 设计时会考虑足够多热交换的余量,所以在冬 春季节及空调点负荷少时会有大量能源浪费,采用变频 恒压控制设备对循环水系统进行控制,可节省大量的电能,节电率达30%以上。
(注):可对其中 一部分进行变频节能改造,也可对全 部相关设备进行变频节能改造,改造部分越多,节能效果越佳。简单方法 就是在冷却水,冷冻水循环系统,各装设一套变频器,其中冷却变频器供2台冷却水泵切换使用;冷冻变频器供2台冷冻水泵切换使用。
4、控制方式
本方案在 保留原工频系统的基础上加装变频控制系统,与原工频 系统之间仅设置连锁以确保系统工作安全。同时要求2台冷却泵循环使用。
五、节能效果分析
风机水泵 的变频调速可达到理想的节能效果。下面举例 说明采用变频调速后系统的节能效果:
假设中央 空调的冷冻水泵功率PN=100KW,全速时供水量为QN,每天的平均流量为80%QN,泵的空载损耗约为15%PN,则消耗功率为
P=(100-100*15%)*0.8*0.8*0.8+100*15%=58.52KW
节电率为 (100-58.52)/100=42.48%
即使每天 的平均流量为90%QN,则消耗功率为
P=(100-100*15%)*0.9*0.9*0.9+100*15%=76.97KW
节电率为 (100-76.97)/100=23.03%
实践证明,改造后系 统节电率一般可达到20%-40%以上。
六、系统选择
1、 器件选型
从性价比的角度出发,主要器件 变频器和温度传感器选用进口名牌部件国内组装的产品。低压电器 部份选用进口产品。
变频器选 用易驱变频器ED2003-FP系列产品,因水泵负载不重,按1:1的比例配置即可。温度传感 器选用管道式温度变送器。
主要装置 :变频器 水温传感器 、主断路器 交流接触器 、热过载继电器 电气柜、指示灯/转换开关/按钮 交流电压表、交流电流表、互感器、数码LED显示器 高稳定度开关电源、控制电源滤波器 、可选装置(控制系统 可编程控制器; A/D、D/A扩展功能模块)。
七、中央空调 系统经变频改造后的性能
(1)采用变频器闭环控制,可按需要 进行软件组态并设定温度进行PID调节,使电机输 出功率随热负载的变化而变化,在满足使 用要求的前提下达到最大限度的节能。
(2)由于降速 运行和软启运,减少了振动、噪音和磨损,延长了设 备维修周期和使用寿命,减少了维 修维护工作量,并减少了对电网冲击,提高了系统的可靠性。
(3)系统具有 各种保护措施,使系统的 运转率和安全可靠性大大提高。
(4)变频调速 闭环控制系统与原工频控制系统互为互锁,不影响原系统的运行,且在变频 调速闭环控制系统检修或故障时,原工频控 制系统照样可以正常运行。
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