變頻器在中央空調系統中的節能改造

　　改革開放以來，我國國民經濟迅速發展，但是能源工業的發展遠遠滿足不了需要，而且相當一個時期內能源缺口的狀態不會改觀，因此國家以開發與節約并重的能源政策為主。尤其以節約寶貴的二次能源-電能為主，我國電能最大的用戶是電機，約占50%，其中風機水泵的耗電占全部電能的30%。傳統的風機水泵的風量、水量的調節是靠風門、節流閥的調節。當風量、水量的需要減少時，風門、閥的開度減少;當風量、水量的需要增加時，風門、閥的開度增加。這種調節方式雖然簡單易行，已成習慣，但它是以增加管網損耗，耗費大量能源在風門、閥上為代價的。并且通常在設計中，用戶風機水泵的設計容量都要比實際需要高出很多，這樣容易形成人們常說的“大馬拉小車”的現象，造成電能的大量浪費。如果采用調節速度的方式來調節流量，就可以從根本上防止電能浪費。近年來隨著電力電子技術的發展，變頻調速技術越來越成熟，因此推廣變頻調速在風機、泵類設備上的應用，對于減少能源浪費具有重要意義。

　　2中央空調系統的節能改造原理

　　在中央空調系統中冷凍水泵和冷卻水泵的容量是按照建筑物最大設計熱負載選定的，且留有余量，而運行情況是一年四季長期在固定的最大水流量下工作，由于季節、晝夜和用戶負荷的變化，實際空調熱負載在絕大部分時間內遠比設計負載低，下圖示出某建筑物的實測熱負載率變化的情況，由下圖可見，與決定水泵流量和壓力的最大設計負載(負載率為100%)相比，一年中負載率在50%以下的小時數約占全部運行時間的50%以上。一般冷凍水設計溫差為5～7℃，冷卻水的設計溫差為4～5℃，在系統流量固定的情況下，全年決大部分運行時間溫差僅為1.0～3.0℃，既在低溫差、大流量情況下工作，從而增加了管路系統的能量損失，浪費了水泵運行的輸送能量。根據統計分析，一般空調水泵的耗電量約占總空調系統耗電量的20～30%，故節約低負載時水系統的輸送能量，具有很重要的意義，因此，隨熱負載而改變水量的變流量空調水系統顯示了其巨大的優越性，而得到越來越廣泛的應用。采用變頻器調節泵的轉速可以方便地調節水的流量，其節能率通常都在40%以上。

　　熱負載變化率曲線圖

　　現從以下幾個方面分述:

　　風機、泵類負載調速節能原理

　　風機是用來傳送氣體的機械設備，泵是用來傳送液體的機械設備，風機與泵都是把電動機的軸功率轉變為機械能的一種機械，它們的啟動力矩都較小，負載輕，具有很大節能潛力;二者的結構和工作原理基本相似。

　　下面以泵類為例對其工作原理及其運行過程進行分析:

　　(1)泵類的特性和參數

　　純粹用于抽水的功率叫有效功率

　　有效功率=(1000QH)/(75×60/0.736)=QH/6.11(kW)

　　式中，Q為流量(m3/min);H為總揚程(m)。

　　設在揚程內1m3的水的重量為1000kg，因此:

　　泵的軸功率=(有效功率)/泵的效率(kW)

　　電動機輸出功率=(1.05～1.2)×軸功率(kW)

　　因泵的揚程大小、泵的型號不同，泵的效率不能一概而定，一般標準泵的大致效率曲線如圖所示。

　　鑒于泵的設計與制造方面會有誤差，故電機的輸出功率應較軸功率計算值有5～20%的裕量，而后根據流量和揚程求出電動機的功率，流量和揚程特性曲線的圖如下。

　　一般標準泵的效率流量和揚程特性曲線

　　(2)管網的水阻特性

　　當管網的水阻R保持不變時，水量與過水阻力之間的關系是不確定的，即水量Q與過水阻力h按阻力定律變化，其表達式為:H=RQ2(Pa)

　　式中，H—過水阻力，R—水阻系數。

　　H=f(Q)關系曲線為水阻特性曲線，呈拋物線形狀，如圖A所示。由圖A可知，水阻系數R越大，曲線越陡，即過水阻力越大。

　　3)風機、泵類調速控制節能原理

　　由流體力學可知，水量Q與轉速的一次方成正比，壓力H與轉速的平方成正比，功率P與轉速的立方成正比。Q/Qe=n/ne

　　H/He=(n/ne)2

　　P/Pe=(n/ne)2

　　式中:Qe—風機、泵類的額定風(流)量;

　　He—風機、泵類的額定壓力;

　　Pe—風機、泵類的額定功率;

　　ne—風機、泵類的額定轉速。

　　由上面的公式可知，如果泵類的效率一定，當要求調節水量下降時，轉速可成比例下降，此時水泵的軸功率是成立方關系下降。

　　另根據水泵類的特性曲線與水阻特性的關系曲線也可明顯的看出風機、水泵的節能效果。圖B為風機、水泵調速節能原理示意圖，圖中曲線H為恒速下的H-f(Q)曲線，其水阻、風阻特性曲線R1相交與A點。對應的風量為Q1。此時風機、水泵的軸功率Q1AH1Q圍成的矩形面積成正比。當欲使風量由Q1減少到Q2使用擋板或閥門時，則新的風阻、水阻特性曲線H相交于B點，此時風機軸功率與Q2BH2Q圍成的矩形面積成正比。如果采用調速方法將風機、水泵的轉速降到n2使對應的風機特性曲線H與風阻特性曲線R2相交于C點。此時與風機軸功率成正比的Q2CH3Q圍成的矩形面積顯著減少，說明軸功率下降很多，節能效果明顯。

　　圖A水阻特性圖圖B風機、水泵調速節能示意圖

　　冷凍水系統控制方式

　　對于冷凍水系統,其出水溫度取決于蒸發器設定值，回水溫度取決于蒸發器接收的熱量，中央空調冷凍出水溫度與冷凍的回水溫度設計最大溫差為5℃(例如出水7℃，回水12℃)，現采用在蒸發器的出水管和回水管路上裝有檢測其溫度的變送器、PID溫差調節器和變頻器組成閉環控制系統，通過冷凍水的溫差(例如△T=5℃)控制，即可使冷凍水泵的轉速相應于熱負載的變化而變化，具體控制方式如圖下圖所示：

　　冷凍水泵控制方案

　　冷卻水系統控制方式

　　對于冷卻水系統,由于低溫冷卻水溫度取決于冷卻塔的工況,我們只需控制高溫冷卻水(冷凝器出水)的溫度,即可控制溫差，現采用溫度變送器，PID調節器和變頻器組成閉環控制系統,，冷凝器出水溫度控制在T(例如:37℃),，使冷卻水泵的轉速相應于熱負載的變化而變化,具體控制方式見下圖。

　　冷卻水泵控制方案

　　3結束語

　　采用變頻閉環控制電機，按需要設定溫度，使設備儲備容量和隨時間季節變化的熱負載通過轉速調節,在滿足使用要求下達到最大限度的節能。以我公司中央空調系統為例,我們對部分風機、水泵進行改造,據統計分析節電率平均達到了20～50%。另外,使用變頻器還具有以下特點:

　　(1)變頻器對電動機的保護功能較好，有過電壓、欠電壓、過電流、接地等保護;

　　(2)變頻器運行穩定，保養維護簡單、方便;

　　(3)變頻器的起動電流較小，對電網的沖擊較少，有利于電網的穩定運行;

　　(4)變頻器中直流電容器的隔離作用使輸入的功率因數接近于1,電動機的勵磁無功電流由電容器提供，可節省30%左右的電網容量。