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 暖通行业自动化工程 >> 中央空调节能控制方案
中央空调节能控制方案
产 品 说 明
产 品 说 明

一、    概述

   在中央空调系统中,冷冻水泵、冷却水泵及冷却风机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。一般中央空调控制系统中,水泵及风机一年四季都是在工频状态下全速运行,采用节流或回流的方式来调节流量或风量,产生大量的节流或回流损失,且对水泵或风机电机而言,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、冷冻泵及冷却风机)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。

二、中央空调系统工作原理

2.1中央空调系统简图

2.2中央空调工作原理简述 

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。

 

三、中央空调存在的问题

3. 1 冷却水系统的不足

从设计角度考虑,冷却水泵电机的容量是按照最大换热量(即环境气温最高,且所有场所的空调都开足) 的情况下,再取一定的安全系数来确定的。而通常情况下,由于季节和昼夜气温的变化以及开机数目的不足,实际换热量远小于设计值, 因此,电机容量远大于实际负荷,出现了大马拉小车的情况。

再从冷却水流量考虑,冷却水的作用是要及时将冷凝器中的热量带走,以保证制冷机能正常工作。从节能的角度看,只要能保证制冷机能正常工作,冷却水流量越小,所做的无用功就越少, 节能也就越明显。根据流量公式: Q = SV ,过去由于交流电机的转速不可调,只能通过调节节流阀, 改变管道截面积S 的方式来调节流量Q ,节流阀的存在对水流产生阻力,从而产生节流损耗,并且会引起机械振动和产生噪音。

3. 2 冷冻水系统的不足

冷冻水泵的作用是将经制冷机降温的冷冻水通过输送管道送到中央空调的各出风口处的风机盘管组件中,对环境起降温作用,冷冻水的流量与冷冻水泵的转速成正比,当冷冻水泵转速高时,冷冻水的流量大,流速也快。因此,当冷冻水流过风机盘管组件时,还没有充分的时间将所携冷量全部释放完,就又返回制冷机去了,因此冷冻水泵电机做了很多无用功,这些都是不必要的能耗。若能够调节冷冻水泵电机的转速,根据实际热负荷的大小来调节冷冻水的流量(实际上是调节交换冷量的大小) 和流速,以便让冷冻水在风机盘管组件中有充分的时间释放与热负荷大小相当的冷量,冷冻水泵电机的功耗可大大降低。

3. 3 冷却风机系统的不足

   冷却塔是冷冻机组的冷却水最主要的热交换设备之一,它主要靠冷却塔风机对冷却水降温,由于冷却塔的设备容量是根据在夏天最大热负载的条件下选定的,也就是考虑到最恶劣的条件,然而在实际设备运行中,由于季节、气候、工作负载的等效热负载等诸多因素都决定了设备经常是处于在较低热负载的情况下运行,所以设备的耗电常常是不必要的和浪费的。因此,使用变频调速控制冷却风扇的转速,在夜间或在气温较低的季节气候条件下,通过调节冷却风扇的转速和冷却风扇的开启台数,节能效果就非常显著。 

 

四、节能控制原理

水泵节能的实质是工作点的调节。导致管网特性变化的根本原因是用户调节阀门开度的变化,即便是循环水泵在额定频率下定转速运行,也难免系统运行工作点的变化。

定速系统并不一定就是定流量系统,在变流量运行系统中管网特性是不断变化的,并不存在不变的管网特性,仅在A、B工作点之间就存在N多的点。

在B点造成节流损耗;同时由于工作点向左移动,偏离了水泵自身的最高效率工作区,造成水泵效率下降,水泵的能效指标下降。

交流异步电动机的转速公式为: n = 60f (1 - s)Pp。可见,转速与电源频率近似成正比,即改变频率可改变电机的转速。风机、水泵类负载属于平方转矩负载,即转矩T 与转速n2 成正比,电机轴上的输出功率W 与转速n3 成正比。而电机的耗电量近似同电机轴上的输出功率成正比,即电机的耗电量近似与转速的三次方成正比。由此可见,当电机的转速稍有下降时,电机的耗电量就会大幅度地下降。

过去由于电机转速不可调,电机只能工作在开或停两种状态,即使当热负荷很小的时候,也必须至少开一台,电机轴上的输出功率远大于实际负荷的需要,从而造成不必要的能耗。若将电机的运行频率由原来的50 Hz 下调到40 Hz 时,则电机的实际转速大约降为额定转速的80 % ,即n实际= 0. 8 n额定. 由于电机的额定功率为: W额定= Kn3额定,因此,电机运行在40 Hz 时的实际功率为: W实际= Kn3实际= K(0. 8 n额定) 3 = 0. 512 Kn3额定= 0. 512W额定节电率= (电机额定功率- 电机实际功率)P 电机额定功率= (W额定- W实际)PW额定= ( W额定- 0. 512 W额定)PW额定= 48. 8 %

由此可见,若风机和水泵的电机运行在40 Hz 时,理论上,电机实际轴上的输出功率只有额定功率的一半左右,此时,理论上的节电率为48. 8 %, 节电效果相当显著,经济效益十分可观。

 

五、变频调速技术的中央空调循环系统

采用交流变频调速技术后,由于电机可在很宽的范围内平滑调速,可将所有节流阀开至最大,使管道畅通,这样可以免去节流损耗。通过改变电机转速改变冷却水、冷冻水的流速,从而改变冷却水、冷冻水的流量,使其达到满足制冷机正常工作的要求,以及达到平衡热负荷所需冷量的要求, 而此时由于不存在节流损耗以及电机转速降低, 电机功率大幅度下降,从而达到节能的目的。采用变频调速技术进行节能控制的关键在于可使电机转速连续可调。过去由于交流电机转速不可调,当开一台泵不够,而开两台泵又有余时, 只能开两台泵,这样,多余的部分就是浪费的部分。而现在由于转速连续可调,开一台泵不够时, 开第二台泵可以根据实际需要的大小设定其转速,从而节约了本来多余的那部分能量。因此,在这种系统中,任何时候只要求有一台水泵电机处于可调状态,就可以达到节能的目的。而且这种方式对系统中并联运行的泵的台数没有任何限。这就是用PLC 控制器对变频器进行切换控制的优越性所在。

在冷却水系统、冷冻水系统和散热水塔风机上分别采用变频调速控制都可以达到节能的目的。在通常的中央空调系统中,往往有多台冷却水泵和冷冻水泵分别构成管路并联的冷却水循环系统和冷冻水循环系统。在此类系统中,只须在冷却水和冷冻水系统中各采用一台变频调速器, 分别各用一台PLC 控制器和切换控制器对一组冷却泵电机和冷冻泵电机进行切换控制,使两个系统都有一台泵处于可调节状态,这种控制方式在最大程度上节约了投资,达到用最少的投资取得最大回报的效果。

 

六、水循环系统工作原理

6. 1  系统组成

系统主要由变频器、DDC、切换控制器、机械联锁接触器和水泵电机组成,水泵电机的个数可以是任意个。通过PLC 和切换控制器的控制,可使任一台电机处于变频工作状态,从而实现在任何时候都有一台电机处于容量可调状态,而其余电机根据实际负载的需要,或是处于停机状态,或是工作在工频状态。并且,这种组合可以是任意的,完全由PLC检测运行温度差通过PLC内部做PID运算来控制变频及工频自由组合。机械联锁接触器是为了在切换过程中从硬件上确保三相交流电源不会串入变频器的输出端而设置的。否则,当三相交流电源串入变频器的输出端时,变频器会被损坏。

6. 2  工作原理

当热负荷较小、只需一台电机工作在低于工频状态就能满足要求时,根据操作者的意愿,可通过PLC 控制器和切换控制器使任一台电机工作在变频状态,且运行频率可根据实际负荷的大小任意设定。

当热负荷增大,开一台电机不够,而开两台电机又有余时, 由PLC检测运行温度差通过PLC内部做PID运算来控制变频及工频自由组合,PLC 发出起动另一台电机的指令,PLC 控制器和切换控制器会自动地将原来工作在变频状态的电机的频率从运行频率提升至工频50 Hz ,然后将它从变频器上切除并直接挂接到工频电源上,再将第二台电机挂接到变频器上,使第二台电机实现平滑软起动,运行频率由操作者根据实际需要设定。

热负荷进一步增大,上述切换控制过程不断重复,直至所有电机全部投入。系统能提供的最大容量是全部电机均工作在工频满负荷状态。

 

七、中央空调系统进行变频控制的优点

变频节能控制除了可以节省大量的电能外还具有以下优点:

(1)、电机起动是软起动,电流从OA到额定电流变化,减小了大电流对电机的冲击;

(2)、电机软起动转速从0开始缓慢升速,可以有效减少水泵或风机的机械磨损;

(3)、变频器是高性能的电力电子设备,具有较强的电机保护功能,能延长系统的各部件使用寿命;

(4)、使室温维持恒定,让人感到舒适;

(5)、经过控制后,可以使系统具有较高的可靠性,减少了环境噪音,减少了维修维护工作量。

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