變頻器在中央空調(diào)循環(huán)水冷卻塔中的節(jié)能應(yīng)用方案

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簡介： 據(jù)統(tǒng)計，中央空調(diào)的用電量占各類大廈總用電量的70%以上，其中中央空調(diào)水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的20~40%，故節(jié)約低負(fù)荷時壓縮機(jī)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的消耗的能量，具有很重要的意義。采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能使空調(diào)系統(tǒng)發(fā)揮更加理想的工作狀態(tài)，更重要的是通常其節(jié)能效果高達(dá)30%以上，能帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵字：變頻節(jié)能 冷卻塔風(fēng)機(jī) 固定變頻 循環(huán)變頻

1.概論

中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用領(lǐng)域，在賓館、酒店、寫字樓、商場、住院部大樓、工業(yè)廠房中的中央空調(diào)系統(tǒng)，其制冷壓縮機(jī)組、冷凍循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制熱負(fù)荷選定的，且再留有充足余量。在沒有使用具備負(fù)載隨動調(diào)節(jié)特性的控制系統(tǒng)中，無論季節(jié)、晝夜和用戶負(fù)荷的怎樣變化，各電機(jī)都長期固定在工頻狀態(tài)下全速運行，造成了能量的巨大浪費。近年來由于電價的不斷上漲，使得中央空調(diào)系統(tǒng)運行費用急劇上升，致使它在整個大廈營運成本費用中占據(jù)越來越大的比例，加之目前各生產(chǎn)、服務(wù)業(yè)競爭激烈，多數(shù)企業(yè)利潤空間不夠理想。因此電能費用的控制顯然已經(jīng)成為經(jīng)營管理者所關(guān)注的問題所在。據(jù)統(tǒng)計，中央空調(diào)的用電量占各類大廈總用電量的70%以上，其中中央空調(diào)水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的20~40%，故節(jié)約低負(fù)荷時壓縮機(jī)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的消耗的能量，具有很重要的意義。所以，隨著負(fù)荷變化而自動調(diào)節(jié)變化的變流量變頻空調(diào)水系統(tǒng)和自適應(yīng)智能負(fù)荷調(diào)節(jié)的壓縮機(jī)系統(tǒng)應(yīng)運而生，并逐漸顯示其巨大的優(yōu)越性，而且得到越來越多的被廣泛推廣與應(yīng)用。采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能使空調(diào)系統(tǒng)發(fā)揮更加理想的工作狀態(tài)，更重要的是通常其節(jié)能效果高達(dá)30%以上，能帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.中央空調(diào)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)與工作原理

中央空調(diào)系統(tǒng)一般主要由制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)、冷媒(冷凍和冷熱)循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等組成。其工藝結(jié)構(gòu)流程圖如圖A所示，在圖A中制冷壓縮機(jī)組通過壓縮機(jī)將制冷劑(冷媒介質(zhì)如R134a、R22等)壓縮成液態(tài)后送蒸發(fā)器中，冷凍循環(huán)水系統(tǒng)通過冷凍水泵將常溫水泵入蒸發(fā)器盤管中與冷媒進(jìn)行間接熱交換，這樣原來的常溫水就變成了低溫冷凍水，冷凍水被送到各風(fēng)機(jī)風(fēng)口的冷卻盤管中吸收盤管周圍的空氣熱量，產(chǎn)生的低溫空氣由盤管風(fēng)機(jī)吹送到各個房間，從而達(dá)到降溫的目的。冷媒在蒸發(fā)器中被充分壓縮并伴隨熱量吸收過程完成后，再被送到冷凝器中去恢復(fù)常壓狀態(tài)，以便冷媒在冷凝器中釋放熱量，其釋放的熱量正是通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷卻水帶走。冷卻循環(huán)水系統(tǒng)將常溫水通過冷卻水泵泵入冷凝器熱交換盤管后，再將這已變熱的冷卻水送到冷卻塔上，由冷卻塔對其進(jìn)行自然冷卻或通過冷卻塔風(fēng)機(jī)對其進(jìn)行噴淋式強(qiáng)迫風(fēng)冷，與大氣之間進(jìn)行充分熱交換，使冷卻水變回常溫，以便再循環(huán)使用。在冬季需要制熱時，中央空調(diào)系統(tǒng)僅需要通過冷熱水泵(在夏季稱為冷凍水泵)將常溫水泵入蒸汽熱交換器的盤管，通過與蒸汽的充分熱交換后再將熱水送到各樓層的風(fēng)機(jī)盤管中，即可實現(xiàn)向用戶提供供暖熱風(fēng)。
圖A 中央空調(diào)系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)流程

理解中央空調(diào)系統(tǒng)工藝流程對于節(jié)能改造的實現(xiàn)至關(guān)重要，從因果關(guān)系角度上看，冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)均是主壓縮機(jī)系統(tǒng)的從動系統(tǒng)。當(dāng)主壓縮機(jī)系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)生變化時，對冷凍水、冷卻水的需求量和冷卻塔需求的冷卻風(fēng)量也發(fā)生相應(yīng)的變化，正因如此，我們才有節(jié)能改造的必要前提條件，才有實現(xiàn)“按需分配”控制方案的可能。

3.中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能原理

中央空調(diào)系統(tǒng)按負(fù)載類型可分為兩大類，①變轉(zhuǎn)矩負(fù)載:如冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載;②恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載:如主制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)。不同的轉(zhuǎn)矩類型具有完全不同的轉(zhuǎn)矩功率關(guān)系特性，我們知道風(fēng)機(jī)、水泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性滿足流體動力學(xué)關(guān)系理論，即以下數(shù)學(xué)關(guān)系成立:

N1/N2∝Q1/Q2 H1/H2∝(N1/N2)2 P1/P2∝(N1/N2)3 (1)

其中，N、H、Q、P分別表示轉(zhuǎn)速、流量、揚程、軸功率。

它們之間的關(guān)系曲線如圖B所示。

由式1可知，若轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的70%，那么，揚程將下降到額定值的50%，同時，軸輸出功率下降到額定值的35%。從圖2中可以看出，管網(wǎng)的阻尼隨揚程的降低而減小。在滿足系統(tǒng)基本揚程需求的情形下，若系統(tǒng)的流量需求減少到額定流量的50%時，在變頻控制方式下，其對應(yīng)輸出功率僅約為額定功率的13%。這就為實施變頻節(jié)能技術(shù)改造提供了數(shù)學(xué)理論上的可行性保障空間。

由上述流體傳輸設(shè)備水泵、風(fēng)機(jī)的工作原理可知：水泵、風(fēng)機(jī)的流量（風(fēng)量）與其轉(zhuǎn)速成正比；水泵、風(fēng)機(jī)的壓力（揚程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，而水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）根據(jù)上述原理可知：改變水泵、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可改變水泵、風(fēng)機(jī)的功率。例如:將供電頻率由50Hz降為45Hz，則P45/P50=453/503=0.729，即P45=0.729P50（P為電機(jī)軸功率）；將供電頻率由50Hz降為40Hz，則P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50（P為電機(jī)軸功率）。

由以上內(nèi)容可以看出，用變頻器進(jìn)行流量（風(fēng)量）控制時，可節(jié)約大量電能。中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計時是按現(xiàn)場最大冷量需求量來考慮的，其冷卻泵，冷凍泵按單臺設(shè)備的最大工況來考慮的，在實際使用中有90%多的時間，冷卻泵、冷凍泵都工作在非滿載狀態(tài)下。而用閥門、自動閥調(diào)節(jié)不僅增大了系統(tǒng)節(jié)流損失，而且由于對空調(diào)的調(diào)節(jié)是階段性的，造成整個空調(diào)系統(tǒng)工作在波動狀態(tài)；而通過在冷卻泵、冷凍泵上加裝變頻器則可一勞永逸地解決該問題，還可實現(xiàn)自動控制，并可通過變頻節(jié)能收回投資。同時變頻器的軟啟動功能及平滑調(diào)速的特點可實現(xiàn)對系統(tǒng)的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，并延長機(jī)組及網(wǎng)管的使用壽命。

4.下面我們主要探討一下冷卻塔風(fēng)機(jī)使用變頻節(jié)能的實施方案和應(yīng)用效果

4.1 冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻控制實施方案

方案一：固定變頻控制方式。

因為冷卻塔的型式：有單塔型式、和多塔型式的；所以，固定變頻控制方式：可分為單臺固定變頻控制和多臺固定變頻控制。下面以多臺固定變頻控制為例，作如下講解。如圖所示：

該系統(tǒng)由變頻回路和工頻回路兩部分組成：

變頻回路：由一臺變頻器，空氣開關(guān)QF2，交流接觸器KM02和變頻運行控制回路及信號報警回路組成變頻循環(huán)運行回路。工頻回路：由空氣開關(guān)QF1、QF3、QF4、QF5、交流接觸器KM01、KM03、KM04、KM05、和熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4、以及手動運行控制回路等構(gòu)成工頻（50Hz）運行回路。

運行方式：

工頻運行時：風(fēng)機(jī)根據(jù)工頻控制回路選擇指定風(fēng)機(jī)啟動，并以50HZ全速運行。

變頻運行時：風(fēng)機(jī)以傳感器所測實際水溫，經(jīng)過溫控器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號或電壓信號，送到變頻器的摸擬輸入端，當(dāng)?shù)谝慌_變頻電機(jī)達(dá)到滿負(fù)荷運行時，還不能滿足實際工況則第二臺電機(jī)就會被工頻起動，第一臺電機(jī)仍然變頻運行；同理，若第二臺電機(jī)起動后，還不能滿足工況則第三臺電機(jī)就會被工頻起動；此時，三臺電機(jī)全部運行：第一臺電機(jī)變頻運行、第二臺電機(jī)工頻運行、第三臺電機(jī)工頻運行。

方案二：循環(huán)變頻控制方式。

由P∝n³可知：風(fēng)機(jī)節(jié)能的最佳方案是控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可通過改變電機(jī)控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電機(jī)運行的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，下面以三臺相同功率的電機(jī)的冷卻塔為例，作如下講解：三臺風(fēng)機(jī)為同一功率的的電機(jī)，可采用一臺變頻器循環(huán)控制的方式運行，系統(tǒng)電氣原理概況圖，如下所示：