中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造控制技術(shù)的分析與實(shí)現(xiàn)
1 引言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域，在賓館、酒店、寫字樓、商場(chǎng)、住院部大樓、工業(yè)廠房的中央空調(diào)系統(tǒng)，其制冷壓縮機(jī)組、冷媒循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤管風(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)荷或新風(fēng)交換量需求選定的，且留有充足余量。在沒有使用具備負(fù)載隨動(dòng)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(zhǎng)期固定在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)行，盡管有的系統(tǒng)采用了閘閥檔板節(jié)流方式，但其能量的浪費(fèi)仍是顯而易見的。近年來由于電價(jià)的不斷上漲，造成中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用急劇上升，致使它在整個(gè)大廈營(yíng)運(yùn)電費(fèi)成本中占據(jù)越來越大的比例，因此，電能費(fèi)用的控制顯然已經(jīng)成為經(jīng)營(yíng)管理者所關(guān)注的問題所在。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中央空調(diào)的用電量占各類大廈總用電量的60%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(shí)主壓縮機(jī)系統(tǒng)和水泵、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的電能消耗，具有極其重要的經(jīng)濟(jì)意義。所以，隨著負(fù)荷變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)變化的變流量變頻中央空調(diào)水泵、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和自適應(yīng)智能負(fù)荷調(diào)節(jié)的主壓縮機(jī)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸顯示其巨大的性能優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)性，得到了廣泛的推廣與應(yīng)用。采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能提高系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平，使中央空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到更加理想的工作狀態(tài)，而且，更重要的是能給用戶帶來良好的投資回報(bào)。作者曾先后成功地完成了聯(lián)合國(guó)工業(yè)發(fā)展組織全額投資的上海新亞制藥廠中央空調(diào)機(jī)組冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、上海東方航空賓館中央空調(diào)系統(tǒng)冷媒循環(huán)水和冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、上海市中醫(yī)院住院部大樓中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻循環(huán)水和冷媒循環(huán)水系統(tǒng)等多項(xiàng)中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造項(xiàng)目，并曾為眾多用戶進(jìn)行中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造做前期工況調(diào)研、可行性方案論證及系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。在業(yè)已實(shí)施的項(xiàng)目中，各項(xiàng)目的節(jié)電率均高達(dá)30%以上，有的系統(tǒng)節(jié)電率高達(dá)60%。下面就以具有典型結(jié)構(gòu)特征的中央空調(diào)系統(tǒng)為例，來表述變頻節(jié)能改造控制技術(shù)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能指標(biāo)預(yù)測(cè)方法與自動(dòng)化控制過程實(shí)現(xiàn)方法，以期供用戶在實(shí)施中央空調(diào)變頻節(jié)能改造時(shí)作為對(duì)比參考。
2 中央空調(diào)系統(tǒng)的工作原理與一般組成結(jié)構(gòu)
中央空調(diào)技術(shù)實(shí)際上是人工制冷技術(shù)的一種典型系統(tǒng)性應(yīng)用，當(dāng)前，人工制冷技術(shù)按其補(bǔ)償過程的不同可主要分為蒸汽壓縮式、吸收式、蒸汽噴射式、吸附式四種方法，其中，被廣泛應(yīng)用在中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷方法主要有兩種：
（1）蒸汽壓縮式制冷循環(huán)
通過對(duì)制冷劑的壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)、吸收等過程來利用制冷劑的液相與氣相之間的相變所產(chǎn)生的熱交換實(shí)現(xiàn)制冷目的，如上海合眾-開利空調(diào)設(shè)備公司的19XL（HCFC22制冷劑）或19XR（HFC134a制冷劑）系列封閉型離心式冷水機(jī)組、約克國(guó)際北亞有限公司的YK/YT系列離心式或YS/YCWS系列螺桿式冷水機(jī)組；
（2）吸收式制冷循環(huán)
通過使用兩種沸騰點(diǎn)差距較大的物質(zhì)組成的二元溶液（也稱工質(zhì)對(duì)，其低沸騰點(diǎn)組份為制冷劑，高沸騰點(diǎn)組份為吸收劑），利用溶液在一定條件下能析出低沸點(diǎn)組份的蒸汽，而在另一條件下又能吸收低沸點(diǎn)組份的蒸汽這一特性由制冷機(jī)系統(tǒng)采用熱能驅(qū)動(dòng)，通過發(fā)生、冷凝、蒸發(fā)、吸收4個(gè)過程來完成制冷循環(huán)，如江蘇雙良空調(diào)設(shè)備有限公司的SLAA060AS/SLAA060AT溴化鋰-水溶液吸收式制冷機(jī)組、重慶通用工業(yè)公司的KF140X—10 氨-水溶液吸收式制冷機(jī)組。
目前，在中央空調(diào)系統(tǒng)中的制冷壓縮機(jī)以速度型的離心式壓縮機(jī)和以容積型的螺桿式或活塞式壓縮機(jī)的應(yīng)用最為普遍。以蒸汽壓縮式制冷循環(huán)為例，撇開其具體形式上的區(qū)分，中央空調(diào)的制冷系統(tǒng)其制冷循環(huán)過程如圖1所示。
圖1 制冷循環(huán)過程原理圖
圖1a中，制冷壓縮機(jī)將來自蒸發(fā)器中的低溫、低壓的制冷劑氣體(一般為3～6℃)壓縮成高溫、高壓氣體(一般為35～40℃)排入冷凝器中，這些高溫、高壓氣體在冷凝器中通過與冷卻循環(huán)水進(jìn)行熱交換（冷卻循環(huán)水帶走介質(zhì)排放的熱量）變?yōu)楦邷亍⒏邏阂后w(一般為25～32℃)流向節(jié)流膨脹閥，再通過膨脹閥的節(jié)流、降壓來實(shí)現(xiàn)高溫、高壓液體向低溫、低壓液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變，由于壓力突然降低，有一部分制冷劑瞬間蒸發(fā)為氣體，即用膨脹閥的節(jié)流作用來實(shí)現(xiàn)類絕熱膨脹過程，低溫、低壓液體在蒸發(fā)器中通過與冷凍循環(huán)水的充分熱交換（吸收冷凍循環(huán)水的熱量）后達(dá)到蒸發(fā)汽化目的，此時(shí)制冷劑又回到低溫、低壓氣體狀態(tài)為制冷劑的再循環(huán)過程做準(zhǔn)備。同時(shí)也應(yīng)看到當(dāng)壓縮機(jī)抽取制冷劑氣體的同時(shí),也降低了蒸發(fā)器的壓力,使蒸發(fā)器內(nèi)其余的制冷劑在相當(dāng)?shù)偷臏囟认麓罅空舭l(fā)汽化。在圖1b中，A-B-C-D分別表示了無溫差傳熱的逆卡諾循環(huán)的絕熱壓縮、等溫壓縮、絕熱膨脹、等溫膨脹四個(gè)理想過程，而實(shí)際上制冷壓縮循環(huán)是如圖1c所示的具有溫差傳熱現(xiàn)象的逆卡諾循環(huán)，圖中的陰影部分表示與環(huán)境介質(zhì)（如冷卻水、冷凍水等）進(jìn)行熱交換時(shí)所存在的溫差效應(yīng)現(xiàn)象。我們知道在三種熱傳遞方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射中，無論壓縮機(jī)采用哪種形式的制冷循環(huán)技術(shù)，其所有冷熱流體之間的熱傳遞方式均主要是通過金屬管壁與流體之間對(duì)流換熱及壁的導(dǎo)熱來完成傳熱過程的。根據(jù)換熱量計(jì)算方程：
Q=KAθm (1 )
其中：Q為換熱量（W），K為換熱系數(shù)（W/m2.K），A為換熱體面積（m2），θm為冷熱流體間的相對(duì)流向密切相關(guān)的平均換熱溫差（℃）。由公式（1）可知，對(duì)于特定的中央空調(diào)系統(tǒng)而言，其中的參數(shù)K和A是固定的，我們?cè)诓桓淖兤湮锢斫Y(jié)構(gòu)狀態(tài)和特征的情況下，可通過有效地控制冷熱流體間的換熱溫差來達(dá)到獲取最大換熱量的目的，即按需求變化供應(yīng)環(huán)境介質(zhì)量，而不是過分地滿足，這也就是我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行變頻控制的基本可行性依據(jù)條件之一。
隨著人工制冷技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，目前，制冷壓縮機(jī)技術(shù)得到了充分發(fā)展，大多數(shù)制冷壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家均不同程度地對(duì)壓縮機(jī)控制采用了負(fù)荷隨動(dòng)的功率輸出調(diào)節(jié)技術(shù)，如：上海合眾-開利公司的19XR系列離心式冷水機(jī)組所采用的線性浮閥節(jié)流裝置，使制冷量與負(fù)荷變化動(dòng)態(tài)匹配適合極低系統(tǒng)負(fù)荷下運(yùn)行工況，避免了不必要的熱氣旁通帶來的能效比下降現(xiàn)象；甚至有的廠家還采用了變頻調(diào)速控制技術(shù)，如：約克國(guó)際北亞的YT/YK系列離心式冷水機(jī)組所配置的自適應(yīng)容量控制變頻驅(qū)動(dòng)裝置（VSD），使非額定工況下機(jī)組能效比高達(dá)0.2kW/USRt，年節(jié)能可達(dá)30%以上。因此，本文將主要研究重點(diǎn)放在對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的水系統(tǒng)與風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能空間，以期進(jìn)一步獲得最大化的投入與產(chǎn)出比收益。
以蒸汽壓縮式制冷循環(huán)機(jī)組為例，中央空調(diào)系統(tǒng)其組成結(jié)構(gòu)一般主要由制冷主壓縮機(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)等部分組成，其工藝流程組成結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 中央空調(diào)系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)流程圖
其中，壓縮機(jī)系統(tǒng)通常至少包括主壓縮電機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥四個(gè)基本部分和為提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性而設(shè)立的油分離器、氣液分離器、貯液器、中間冷卻器和浮子調(diào)節(jié)閥等輔助設(shè)備裝置。由于從控制角度看新風(fēng)系統(tǒng)與中央空調(diào)系統(tǒng)的其他部分具有相對(duì)獨(dú)立性，因此在圖2未表示出新風(fēng)系統(tǒng)的工藝流程結(jié)構(gòu)。在圖2中低溫冷凍水被送到各樓層的盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的盤管（冷或熱交換器）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)吹送到各樓層冷/熱送風(fēng)母管中，再由各房間的風(fēng)幕風(fēng)機(jī)的調(diào)速實(shí)現(xiàn)各房間的控溫目的。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(duì)其進(jìn)行自然冷卻或通過冷卻塔風(fēng)機(jī)對(duì)其進(jìn)行噴淋逆流式強(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(shí)，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(shí)現(xiàn)向用戶提供供暖熱風(fēng)。熱水泵向各個(gè)房間供給的熱水總流量是根據(jù)安裝熱水供水總管于回水總管上的溫度差來決定的。熱交換器的PID溫控器通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥VA1來控制進(jìn)入熱交換器的蒸汽流量來實(shí)現(xiàn)對(duì)熱交換器熱水出水溫度的恒定控制從而達(dá)到供熱目的。
正確理解中央空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)部分的作用與工藝流程結(jié)構(gòu)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能改造至關(guān)重要，從因果關(guān)系角度上看，冷媒循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)均是制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)的從動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)制冷主壓縮機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際需求負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，對(duì)冷媒循環(huán)水、冷卻循環(huán)水的需求量和盤管風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)量及冷卻塔的冷卻風(fēng)量也發(fā)生相應(yīng)的變化，正因如此，我們才有實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造目標(biāo)的可能和必要的依據(jù)條件，才能從真正意義上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的“按需分配”控制目標(biāo)的可能。
3 中央空調(diào)系統(tǒng)的各部分節(jié)能調(diào)節(jié)原理
中央空調(diào)系統(tǒng)按負(fù)載類型可將其分為兩大類:
(1) 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載
如螺桿式或離心式制冷主壓縮機(jī)系統(tǒng)的壓縮機(jī)負(fù)載，它不僅對(duì)軸輸出轉(zhuǎn)矩具有最小值限定的需求，而且其轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系也近似表現(xiàn)為線形特征；
(2)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載
如冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷媒循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等的風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載，它們對(duì)軸轉(zhuǎn)矩沒有嚴(yán)格的需求，其軸功率與轉(zhuǎn)速具有顯著的立方關(guān)系特征。不同的負(fù)載類型具有不同的轉(zhuǎn)矩、功率關(guān)系特性，應(yīng)區(qū)別對(duì)待加以應(yīng)用技術(shù)研究。
3.1 制冷壓縮機(jī)的節(jié)能調(diào)節(jié)原理
壓縮機(jī)本身是一套復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)備，對(duì)于帶導(dǎo)葉片組的定速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的離心式壓縮機(jī)而言，其容量的調(diào)節(jié)是通過導(dǎo)葉執(zhí)行電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)葉片組的角度變化來實(shí)現(xiàn)制冷劑流量變化而帶來的制冷能力的變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)制冷量的目的，當(dāng)導(dǎo)葉片組處于關(guān)閉變化時(shí)，壓縮機(jī)吸入的制冷劑的量在減少，壓縮機(jī)處于卸載過程狀態(tài)，相反，當(dāng)導(dǎo)葉片組處于開啟過程變化時(shí)，則壓縮機(jī)處于加載過程狀態(tài)。導(dǎo)葉控制裝置不斷驅(qū)動(dòng)導(dǎo)葉組電機(jī)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉片組的開度變化，直到壓縮機(jī)的制冷量促使冷凍水的實(shí)際溫度約等于設(shè)定溫度。對(duì)于離心式這種速度型機(jī)組，通常采用限定導(dǎo)葉片組的開度變化范圍與降低壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速相結(jié)合的方法，通過對(duì)當(dāng)前運(yùn)行工作點(diǎn)的自動(dòng)測(cè)定，來選擇容量調(diào)節(jié)模式，實(shí)現(xiàn)在低負(fù)荷狀態(tài)下的最佳運(yùn)行效率控制，該容量調(diào)節(jié)模式的選擇利用不僅可以實(shí)現(xiàn)電能節(jié)約，而且也可以在全容量調(diào)節(jié)范圍（15%～100%）內(nèi)精確地預(yù)測(cè)出喘振區(qū)，避免離心式機(jī)組常見故障—喘振現(xiàn)象的發(fā)生。喘振曲線函數(shù)的獲得一般由機(jī)組廠家提供，也可以通過對(duì)機(jī)組在不同負(fù)載點(diǎn)的壓頭試驗(yàn)取得一組離散坐標(biāo)點(diǎn)，利用最小二乘法算法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，便可以近似求出該機(jī)組的喘振曲線函數(shù)。需要指出的是通常轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)對(duì)離心式制冷機(jī)功率節(jié)約的貢獻(xiàn)一般小于10%，這也是在當(dāng)前條件下變頻調(diào)速技術(shù)在制冷壓縮機(jī)上未能得以廣泛應(yīng)用的主要原因。
而對(duì)于螺桿式壓縮機(jī)其軸功率與排氣量存在以下關(guān)系：
Ptot→60×（m1×n1×V1+ m2×n2×V2）×CΦ ( 2 )
其中，V1 、V2為陽(yáng)螺桿與陰螺桿之間一個(gè)齒槽的齒間容積；
m1 、m2為陽(yáng)螺桿與陰螺桿之間的齒數(shù)；
n1 、n2為陽(yáng)螺桿與陰螺桿之間的轉(zhuǎn)速；
CΦ為扭角系數(shù)。
轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角對(duì)吸氣容積的影響程度，由公式（2）可見螺桿壓縮機(jī)的功率調(diào)節(jié)可以通過減少螺桿的有效長(zhǎng)度—常用滑閥調(diào)節(jié)方式和降低螺桿的轉(zhuǎn)速—常用變頻調(diào)節(jié)方式來實(shí)現(xiàn)。其中常用的滑閥調(diào)節(jié)方式是通過檢測(cè)制冷劑高低壓壓差的大小來決定滑閥是向排氣端移動(dòng)來減少排氣量，還是向吸氣端方向移動(dòng)來增加排氣量。為防止排氣端軸向排氣孔與工作容積連通形成的高壓氣體倒流現(xiàn)象的發(fā)生，通常將最小排氣量限定在10%左右，因此，螺桿壓縮機(jī)的功率輸出可以在10%～100%范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)節(jié)。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)螺桿壓縮機(jī)負(fù)荷在50%以上時(shí)其功率與負(fù)荷成線性正比關(guān)系，而低于40%負(fù)荷時(shí)其實(shí)際消耗功率遠(yuǎn)大于線性理論計(jì)算功率，這也正是在采用變頻技術(shù)時(shí)不能在全負(fù)荷變化區(qū)間均獲得理想節(jié)能效果的原因，從而使變頻控制技術(shù)的應(yīng)用受到投入與產(chǎn)出性價(jià)比的困擾。
由以上分析可見，就中央空調(diào)制冷壓縮機(jī)而言，除因壓縮機(jī)本身業(yè)已采用了自動(dòng)能量調(diào)節(jié)方式外，其恒轉(zhuǎn)矩特性所表現(xiàn)的功率與轉(zhuǎn)速（或流量）之間的近似線性關(guān)系也限定了通過變頻調(diào)速技術(shù)獲取節(jié)能空間的幅度，因而出于節(jié)能改造性價(jià)比的考慮，一般不建議對(duì)制冷壓縮機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造。
3.2 風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能調(diào)節(jié)原理
對(duì)于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載類型，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(dòng)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 ( 3 )
其中，n、H、Q、P分別表示轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程、流量、軸功率，它們之間的關(guān)系曲線如圖3所示。
由公式3可知，由于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的轉(zhuǎn)速（或流量）與軸功率存在3次方關(guān)系，所以，通常對(duì)于負(fù)荷經(jīng)常變化的場(chǎng)合可以獲得理想的節(jié)能效果。
圖3 流量、揚(yáng)程、功率三者間的關(guān)系曲線圖
在圖3a中，曲線a1表示工頻定速運(yùn)行時(shí)的H-Q關(guān)系，曲線ax表示低于額定速度下的變頻運(yùn)行時(shí)的H-Q關(guān)系，從圖3a中可以看出，管網(wǎng)的阻尼隨揚(yáng)程的降低而減小。曲線R1和R2表示在不同流量下管網(wǎng)呈現(xiàn)的阻力特性，它符合以下公式：
H=RQ2 （4）
其中,H為管網(wǎng)阻力;
R為管網(wǎng)流水阻尼系數(shù)。
公式(4)表明隨著供給水量的減少管網(wǎng)阻力的損失也呈2次方下降趨勢(shì)，從而也降低了系統(tǒng)功率消耗。在圖3b中給出了在不同流量需求下，出口閥檔板節(jié)流方式與變頻調(diào)速方式所消耗的功率變化曲線關(guān)系。它表明了變頻調(diào)速優(yōu)于檔板節(jié)流方式。
依據(jù)公式(3)進(jìn)行估算，若轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的70%，那么，揚(yáng)程將下降到額定值的50%，同時(shí)，軸輸出功率下降到額定值的35%。在滿足系統(tǒng)基本揚(yáng)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(shí)，在變頻控制方式下，其揚(yáng)程將下降到額定值的25%，其對(duì)應(yīng)輸出功率僅約為額定功率的13%。公式3為實(shí)施變頻節(jié)能技術(shù)改造提供了理論上的可行性保障空間。那么，如何去判斷系統(tǒng)是否具有節(jié)能潛力就顯得十分重要。判斷的依據(jù)應(yīng)來自兩個(gè)方面：首先是泵本身的額定流量與揚(yáng)程指標(biāo)和運(yùn)行時(shí)實(shí)際輸出表現(xiàn)，其次是系統(tǒng)對(duì)實(shí)際供水需求量的表現(xiàn)出的溫度差或壓力與機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)之間的偏差程度。因此，應(yīng)實(shí)時(shí)采集各個(gè)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合泵的能力決定對(duì)泵所實(shí)施的調(diào)節(jié)方向與調(diào)節(jié)幅度。若系統(tǒng)當(dāng)前實(shí)際溫差小于標(biāo)準(zhǔn)允許運(yùn)行溫差時(shí)，就可以判定系統(tǒng)存在流量過剩現(xiàn)象，就可以減少泵的出口流量，但必須注意此時(shí)泵的出口揚(yáng)程也將呈現(xiàn)2次方特性下降，為保障水流暢通，避免出現(xiàn)“悶泵”或“斷流”現(xiàn)象，泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)限定在一定值以上，這個(gè)下限轉(zhuǎn)速（對(duì)應(yīng)最低供給流量）可以通過對(duì)以下兩個(gè)方面的綜合判斷來決定。
(1)揚(yáng)程的富裕度判定
泵的出口揚(yáng)程等于泵的入口揚(yáng)程與泵的泵生揚(yáng)程之和，即：
H出=H靜+H動(dòng) （5）
其中,H靜為泵的入口靜壓;
在系統(tǒng)中表現(xiàn)為管網(wǎng)垂直落差高度形成的壓力;
H動(dòng)為泵的凈升揚(yáng)程，是泵的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能的形式，在額定轉(zhuǎn)速下H動(dòng)就是泵的標(biāo)稱額定揚(yáng)程。
對(duì)于冷凍循環(huán)水系統(tǒng)，H靜是相對(duì)固定值，H動(dòng)的作用就是要保證冷凍循環(huán)水在管網(wǎng)中能夠水流循環(huán)就可以了，為此，它主要是去消除水在管網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的阻力損失。假定泵的額定揚(yáng)程為32m，在額定流量下管網(wǎng)的阻力為0.15Kg，那么，該泵的揚(yáng)程富裕度高達(dá)50%，若采用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，根據(jù)公式(3)可知，泵只需要70%的額定轉(zhuǎn)速即可滿足此時(shí)揚(yáng)程需求，而此時(shí)泵的功率消耗僅約為額定值的35%。
(2)流量的富裕度判定
通常流量的富裕度的判斷是依據(jù)進(jìn)出水溫差作出的，假定對(duì)于冷凝器其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水允許溫差為5℃時(shí)，若實(shí)際進(jìn)出水溫差為3℃，那么，可以說單從溫差現(xiàn)象角度上看，冷凍循環(huán)水的實(shí)際需求量?jī)H為供給量的3℃/5℃=60%，在使用變頻調(diào)速時(shí)，泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速只要達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的60%即可滿足需求，此時(shí)泵的能耗僅約為額定能耗的22%。多余的供水量不僅浪費(fèi)能源，而且也由于熱交換的不充分原因而嚴(yán)重地削弱了系統(tǒng)的制冷效果。
通過以上的判定，若兩者對(duì)泵的下限轉(zhuǎn)速的計(jì)算結(jié)果不一致，為保障系統(tǒng)對(duì)流量和揚(yáng)程最低需求的同時(shí)滿足，泵的變頻速度控制依據(jù)應(yīng)選擇對(duì)應(yīng)頻率較大值作為此時(shí)的控制調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率下限。
4 中央空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析與改造方案構(gòu)造
在現(xiàn)代樓宇建筑物中，通常使用的中央空調(diào)系統(tǒng)（不包含蓄冷儲(chǔ)冰式、VRV系統(tǒng)末端制冷劑直接制冷系統(tǒng)等）一般其各項(xiàng)額定指標(biāo)為：冷凍循環(huán)水的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫度為：12℃/7℃，盤管風(fēng)機(jī)最大送風(fēng)溫差為：10℃～15℃（一般空氣進(jìn)出口溫差取8℃），冷卻循環(huán)水進(jìn)出水溫度差為：4℃～8℃，冷卻塔標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫差為：3℃～5℃，用于采暖的熱水進(jìn)出水溫度為：50℃/60℃。由于系統(tǒng)設(shè)備容量選型、不同季節(jié)、不同時(shí)間負(fù)荷變化等因素的影響，在實(shí)際投入運(yùn)行的中央空調(diào)系統(tǒng)基本上沒有與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)相一致的情況，大多數(shù)系統(tǒng)都不同程度存在著溫差偏小、揚(yáng)程過高、流量過大等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的存在再次為我們實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造提供了節(jié)能空間保障。
為便于具體分析，現(xiàn)以某省立醫(yī)院住院部的一套中央空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀為實(shí)例，對(duì)其各個(gè)部分進(jìn)行逐項(xiàng)分析。該醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)位于地下一樓，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局類同圖2所示，大樓地上高度為40m，冷卻塔位于地上15m高度。根據(jù)歷史記錄，空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間大致分布為：夏季供冷運(yùn)行5個(gè)月，平均每天運(yùn)行16h；冬季供熱運(yùn)行4個(gè)月，平均每天運(yùn)行18h；盤管風(fēng)機(jī)全年運(yùn)行9個(gè)月，平均每天運(yùn)行17h。為便于下面的計(jì)算，假定系統(tǒng)熱量需求在運(yùn)行期間均勻分布（實(shí)際系統(tǒng)在運(yùn)行期間負(fù)荷的服從類正態(tài)分布）。該醫(yī)院用電價(jià)格為0.8元/kWh。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)考察所獲得的數(shù)據(jù)如下：
4.1 中央空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)行運(yùn)行工況數(shù)據(jù)與分析
(1) 冷凍循環(huán)水系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析（共3臺(tái)電機(jī)水泵）
標(biāo)稱數(shù)據(jù)： a．電機(jī) 37kW 380V 50Hz △接法 72A 1470r/min
b．水泵 額定流量187m3/h 額定揚(yáng)程44m
運(yùn)行數(shù)據(jù)： 2臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流60A～64A，水泵運(yùn)行時(shí)出口壓力0.80～0.85MPa，冷凍循環(huán)水進(jìn)出水溫度：10℃/7℃。
冷凍循環(huán)水系統(tǒng)采用進(jìn)出水管道并聯(lián)形式工頻運(yùn)行，由于冷凍循環(huán)水管網(wǎng)最大高度落差為40m左右，管網(wǎng)在額定流量下阻力小于0.2Kg，故冷凍循環(huán)水泵出口處壓力只要能夠達(dá)到60m揚(yáng)程就可以滿足冷凍水循環(huán)的需要。由于冷凍循環(huán)水其落差靜壓為40m左右，所以，實(shí)際上在冷凍循環(huán)水泵僅需要提供20m左右的凈輸出揚(yáng)程即可滿足系統(tǒng)對(duì)揚(yáng)程的基本需求。對(duì)于額定揚(yáng)程為44m的冷凍循環(huán)水泵來說，其實(shí)際需要揚(yáng)程僅為其額定揚(yáng)程的45%。顯然，單從揚(yáng)程需求角度看可最大節(jié)約功率約為：Ph =70%。在另一方面也可以證明冷凍循環(huán)水泵的實(shí)際輸出流量過剩現(xiàn)象，當(dāng)前冷凍循環(huán)水進(jìn)出水溫度為： 10℃/7℃，對(duì)應(yīng)溫差ΔT1≈3.0℃，與冷凍循環(huán)水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫度參考值：12℃/7.0℃，其對(duì)應(yīng)溫差ΔT2=5℃相比，實(shí)際溫差約為標(biāo)準(zhǔn)允許溫差的60%，此時(shí)單從流量需求角度看可最大節(jié)約功率約為：PQ =78%。通過以上工況數(shù)據(jù)分析可知，該冷凍循環(huán)水泵在該工況點(diǎn)狀態(tài)下，最大可節(jié)約率約為（與額定值相比）：
Pmax=Umin（Ph ，PQ）= Umin（70% ，78%）= 70%
在此工況下工頻運(yùn)行實(shí)際消耗功率約為：
P工實(shí)=62A/72A×Pe =0.86×37kW≈32 (kW)
即工頻狀態(tài)下消耗功率僅約為其額定功率的86%。在該工況點(diǎn)下，實(shí)施變頻節(jié)能改造后可節(jié)約的功率約為(與工頻狀態(tài)相比)：P節(jié) =1-0.3/0.86≈65%。假定冷凍循環(huán)水在其運(yùn)行期間負(fù)荷時(shí)間變化服從線性均勻分布，對(duì)此負(fù)荷時(shí)間分布線性函數(shù)求積分，那么，冷凍循環(huán)水系統(tǒng)改造后平均節(jié)約功率可達(dá)41%。實(shí)際上由于系統(tǒng)在運(yùn)行期間其負(fù)荷的時(shí)間分布規(guī)律服從類似正態(tài)特性，所以，可以肯定地說改造后實(shí)際節(jié)能效果將大于41%。當(dāng)然，精確的系統(tǒng)節(jié)約率指標(biāo)還受到各負(fù)荷點(diǎn)分布規(guī)律和工頻狀態(tài)下的實(shí)際消耗功率、變頻控制系統(tǒng)效率、電機(jī)和水泵效率等因素的影響，在此就不再做進(jìn)一步的計(jì)算。實(shí)踐表明，按此方法獲得的節(jié)約率估算值一般與實(shí)際節(jié)約率值偏差小于5%。
正是因?yàn)閴毫εc流量的過剩作用使水流過速、熱交換溫差偏小，因此，可以通過降低冷凍循環(huán)水的總供應(yīng)流量來實(shí)現(xiàn)向標(biāo)準(zhǔn)溫差參考值靠近，從而達(dá)到節(jié)約能量的目的。在對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況考察時(shí)，不能夠簡(jiǎn)單地依據(jù)電機(jī)運(yùn)行電流的大小來判斷，若只簡(jiǎn)單地從冷凍循環(huán)水系統(tǒng)的電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流來看（額定電流為72A，實(shí)際運(yùn)行電流60A～64A），就會(huì)發(fā)出沒有多少節(jié)電空間的錯(cuò)誤判斷。總之，應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)數(shù)據(jù)做依據(jù)，利用變頻驅(qū)動(dòng)裝置，把系統(tǒng)富余的流量、揚(yáng)程節(jié)省下來，使系統(tǒng)工作在耗能最少的最佳工況下（揚(yáng)程和流量均無多余的狀態(tài)下），從而達(dá)到既滿足系統(tǒng)需求又使能耗最少的目的。
(2)熱水循環(huán)水系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析
標(biāo)稱數(shù)據(jù)： 同冷凍循環(huán)水泵（略）
運(yùn)行數(shù)據(jù)： 2臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流60A～64A，水泵運(yùn)行時(shí)出口壓力0.80～0.85MPa，蒸汽熱交換器進(jìn)出水溫度：55℃/60℃。
本案例系統(tǒng)冷凍循環(huán)水泵與熱水泵是共同使用的，因此，熱泵系統(tǒng)單從對(duì)揚(yáng)程的基本需求上可節(jié)約功率約為：Ph =70%。根據(jù)熱交換器實(shí)際溫差ΔT1=60℃-55℃≈5.0℃，與熱水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫度參考值：60℃/50℃，其對(duì)應(yīng)溫差ΔT2=10℃相比，實(shí)際溫差約為標(biāo)準(zhǔn)允許溫差的50%，此時(shí)單從流量需求角度看可最大節(jié)約功率約為：PQ =87%。因此該熱循環(huán)水泵在此工況點(diǎn)狀態(tài)下，最大可節(jié)約率約為（與額定值相比）：
Pmax=Umin（Ph ，PQ）= Umin（70% ，87%）= 70%
在此工況下工頻運(yùn)行實(shí)際消耗功率為：
P工實(shí)=62A/72A×Pe =0.86×37kW≈34 (kW)
即工頻狀態(tài)下消耗功率僅約為其額定功率的86%。那么，在該工況點(diǎn)下，實(shí)施變頻節(jié)能改造后可節(jié)約率約為(與工頻狀態(tài)相比)：P節(jié) =1-0.3/0.86≈65%。假定熱循環(huán)水負(fù)荷時(shí)間變化服從線性均勻分布，對(duì)此負(fù)荷分布的線性函數(shù)求積分，供熱循環(huán)水系統(tǒng)改造后平均節(jié)約功率約同樣可達(dá)41%。
(3)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析（共4臺(tái)電機(jī)水泵）
標(biāo)稱數(shù)據(jù)： a．電機(jī) 45KW 380V 50Hz △接法 83A 1480r/min
b．水泵 額定流量320m3/h 額定揚(yáng)程32m
運(yùn)行數(shù)據(jù)： 2臺(tái)運(yùn)行2臺(tái)備用，每臺(tái)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流：70A，泵運(yùn)行出口壓力0.25MPa～0.28MPa，冷卻水進(jìn)出水溫度：28℃/31℃。
冷卻循環(huán)水系統(tǒng)采用進(jìn)出水管道并聯(lián)形式工頻運(yùn)行，由于冷卻塔位于15m樓面平臺(tái)，冷卻塔與冷卻水泵垂直落差為15m+4m=19m，所以冷卻循環(huán)水系統(tǒng)靜壓約為：H靜≈0.20MPa，考慮到冷卻循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)阻尼和冷卻塔逆流冷卻所需要的噴射壓頭，實(shí)際冷卻循環(huán)水泵需要輸出揚(yáng)程應(yīng)小于0.25MPa， 即冷卻循環(huán)水泵需要凈輸出揚(yáng)程為：H動(dòng)<0.10MPa，僅為其額定揚(yáng)程的30%，顯然，單從揚(yáng)程需求上看其可節(jié)約功率約為：Ph =83%。再?gòu)睦鋮s循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)際需要流量的角度來分析，當(dāng)前冷卻循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)出水溫度為：28℃/31℃，其對(duì)應(yīng)溫差△T1≈3.0℃, 與冷卻循環(huán)水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫度參考值：30℃/35℃，其標(biāo)準(zhǔn)允許溫差△T2=5℃相比，實(shí)際溫差約為標(biāo)準(zhǔn)允許溫差的60%，同樣，但從流量需求角度，具有約為PQ =78%節(jié)約空間。綜合揚(yáng)程與流量的可節(jié)約空間，該冷卻循環(huán)水系統(tǒng)在該工況點(diǎn)下最大可獲得的節(jié)約率為（與其額定值相比）：
Pmax=Umin（Ph ，PQ）= Umin（83% ，78%）= 78%
在此工況下工頻運(yùn)行實(shí)際消耗功率為：
P工實(shí)=70A/83A×Pe =0.84×45kW≈38 (kW)
即工頻狀態(tài)下消耗功率僅約為其額定功率的84%。那么，在該工況點(diǎn)下，實(shí)施變頻節(jié)能改造后可節(jié)約率約為(與工頻狀態(tài)相比) P節(jié) =1-0.22/0.84≈74%。假定冷卻循環(huán)水負(fù)荷時(shí)間變化服從均勻分布，對(duì)此負(fù)荷分布線性函數(shù)求積分，那么，冷卻循環(huán)水系統(tǒng)改造后平均節(jié)約功率約可達(dá)46%。
(4) 冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析（共3套冷卻塔，每套2臺(tái)電機(jī)風(fēng)機(jī)）
標(biāo)稱數(shù)據(jù)：電機(jī) 7.5kW 380V 50Hz △接法 15A 2940r/min
風(fēng)機(jī) 額定風(fēng)量12000m3/h 額定風(fēng)壓800Pa
運(yùn)行數(shù)據(jù)： 2套運(yùn)行1套備用，由皮帶傳動(dòng)減速帶動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行電流約13A。
在15m樓面平臺(tái)上有3套相對(duì)獨(dú)立的冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，每套各有功率為 7.5kW的冷卻風(fēng)機(jī)2臺(tái)。采用直接啟動(dòng)方式下的工頻定速運(yùn)行。當(dāng)前2套4臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)均在運(yùn)行，系統(tǒng)缺少有效的冷卻效果檢測(cè)，沒有充分利用自然冷卻狀態(tài)下節(jié)約電能的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致冷卻塔風(fēng)機(jī)處于兩種極端狀態(tài)：要么全速運(yùn)轉(zhuǎn)、要么人工停止運(yùn)轉(zhuǎn)。尤其在自然環(huán)境溫度較低的春、秋、冬季，由于人工操作不能及時(shí)響應(yīng)冷卻塔出水溫度的變化而啟停風(fēng)機(jī)，造成因操作管理上帶來能量的極大浪費(fèi)現(xiàn)象。在改造時(shí)，對(duì)每套冷卻塔實(shí)施以進(jìn)水溫度35℃為風(fēng)機(jī)起始運(yùn)行點(diǎn)，以30℃為停止運(yùn)行點(diǎn)，在35℃～30℃溫度區(qū)間作為風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)依據(jù)，實(shí)行溫度PID變風(fēng)量調(diào)節(jié)。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，在變風(fēng)量控制方式下的能耗僅為工頻啟停控制方式的60%左右（以下僅按40%的節(jié)約率計(jì)算），況且變風(fēng)量控制完全規(guī)避了人工啟停工頻運(yùn)行方式下因操作無實(shí)時(shí)性或管理不完善造成的不必要能量浪費(fèi)現(xiàn)象。由于環(huán)境溫濕度和冷卻塔進(jìn)水溫度的不可精確預(yù)測(cè)性，所以，從嚴(yán)格意義上說，冷卻塔風(fēng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的準(zhǔn)確能耗也無法預(yù)測(cè)。但根據(jù)大量典型的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造案例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在成功的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造實(shí)現(xiàn)后，其冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能率均在40%以上，某些含有大容量冷卻塔蓄水池裝置的冷卻塔系統(tǒng)則可達(dá)到60%以上。
(5) 盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析（共40個(gè)病房，每房間1套盤管風(fēng)機(jī)）
標(biāo)稱數(shù)據(jù)： 電機(jī) 0.40kW 220V 50Hz △接法 2.4A 2960r/min
風(fēng)機(jī) 額定風(fēng)量1800m3/h
運(yùn)行數(shù)據(jù)：風(fēng)機(jī)采用高、中、低三速開關(guān)工頻供風(fēng)運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行電流：1.2A～2.3A，各房間實(shí)際溫度冬季在15℃～22℃之間不等，實(shí)際送風(fēng)量Q1≥1450 m3/h.，理想送風(fēng)量Q2≤950 m3/h。
盤管風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)屬于半集中式、空氣-水式系統(tǒng)，它主要由直接安裝在空調(diào)房間的盤管換熱器、新風(fēng)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、空氣過濾器、凝結(jié)水器等組成。盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是同時(shí)使用水和空氣作為室內(nèi)負(fù)荷熱量傳遞介質(zhì)的系統(tǒng)，但室內(nèi)大部分主要冷、熱負(fù)荷是由通過盤管中的冷媒水或熱媒水來承擔(dān)的，風(fēng)機(jī)主要只是負(fù)擔(dān)向室內(nèi)提供一定的新風(fēng)量，以滿足房間的衛(wèi)生換氣需求，因此，實(shí)際需求風(fēng)量不大，新風(fēng)管道尺寸也較小，應(yīng)用較為普遍。風(fēng)機(jī)運(yùn)行后可將室外干凈空氣通過空氣過濾器吸入機(jī)組，經(jīng)盤管冷卻或加熱后送入房間，在達(dá)到輸送新風(fēng)的同時(shí)，承擔(dān)一部分制冷或制熱負(fù)荷。
由于原盤管采用恒流量供水方式，而原新風(fēng)機(jī)由人工通過三檔調(diào)速開關(guān)工頻啟停控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行。原系統(tǒng)缺乏對(duì)房間溫度的直接自動(dòng)檢測(cè)與跟蹤控制，造成房間溫差變化較大，而且過量的新風(fēng)量加劇了房間的溫度波動(dòng)，存在嚴(yán)重的吹風(fēng)感覺，不僅浪費(fèi)冷量和風(fēng)量能源，也使房間舒適度降低。改造時(shí)通過加裝變頻器，依據(jù)房間溫度的波動(dòng)變化（通過對(duì)盤管的進(jìn)出水溫差的檢測(cè)）對(duì)流過盤管內(nèi)的冷熱媒水流量的實(shí)時(shí)控制，達(dá)到房間溫度恒定的目的。同時(shí)通過房間溫度的變化偏差大小來實(shí)行變頻變風(fēng)量（變化范圍為：700m3/h～1000m3/h之間）自動(dòng)調(diào)節(jié)速度控制。經(jīng)變風(fēng)量調(diào)節(jié)運(yùn)行測(cè)試，每房間日平均需求風(fēng)量約為改造前風(fēng)量的70%以下，在實(shí)施變風(fēng)量改造后，房間的溫度在冬季可穩(wěn)定控制在17℃±1℃，與工頻消耗電量相比，其日平均節(jié)約電能為80%，相當(dāng)其額定功率的60%以上。改造后房間的噪聲也明顯地得到了改善。
(6) 循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)的清洗
由于系統(tǒng)已運(yùn)行多年，為減少循環(huán)水在管網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)的總體阻尼損失，在項(xiàng)目改造完成后我們建議用戶對(duì)管網(wǎng)和熱交換器部件進(jìn)行清洗，以便獲得更大的節(jié)能效果。
需要注意的是，以上的節(jié)約功率的計(jì)算均是建立在對(duì)同一工況點(diǎn)上，工頻運(yùn)行時(shí)的實(shí)際消耗功率與變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)兩者之間的對(duì)比，而不是變頻運(yùn)行消耗功率與電機(jī)額定功率之比獲得的節(jié)電率。這一點(diǎn)很重要，否則會(huì)帶來實(shí)際節(jié)電效率與預(yù)測(cè)節(jié)電效率不相符合的結(jié)果，進(jìn)而導(dǎo)致投資收益預(yù)測(cè)的先天不足或失敗。由此，也應(yīng)該看到若要準(zhǔn)確地對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行期間的節(jié)電率作出正確的估算，就必須全面且充分地掌握和分析整個(gè)運(yùn)行周期的工頻運(yùn)行工況、歷史負(fù)荷變化分布規(guī)律、全年運(yùn)行時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)。片面或不完整的歷史數(shù)據(jù)依據(jù)，必然導(dǎo)致節(jié)能指標(biāo)預(yù)測(cè)的巨大偏差或失誤。
4.2 中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造控制系統(tǒng)的方案構(gòu)造
在對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，我們依據(jù)用戶的要求對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)部分做了一個(gè)集中式集成化全自動(dòng)無人監(jiān)守控制設(shè)計(jì)，同時(shí)，提供了與樓宇BAS控制系統(tǒng)相互通訊的串行接口。為最大限度地獲得節(jié)能效果，對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵的控制均采用了“一控一”的變頻控制方式，這雖然增加了一次性改造成本，但從長(zhǎng)期的投資收益效果角度看是值得的，具體的控制系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)如圖4所示。
(1) 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著安全可靠、充分滿足用戶使用習(xí)慣和維護(hù)方便性前提下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行。在圖4中，控制系統(tǒng)硬件主要由上位機(jī)IPC或人機(jī)界面HMI、PLC、變頻器、低壓電器、壓力變送器、溫度變送器、開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥等設(shè)備組成。其中，PLC、變頻器、低壓電器設(shè)備選用韓國(guó)LG公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，壓力變送器選用中美合資山東淄博先行測(cè)控儀表廠的產(chǎn)品，溫度變送器選用上海自動(dòng)化儀表四廠的產(chǎn)品，開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥由用戶提供。各主要部件功能為：
•PLC部件
它主要由電源模塊、CPU模塊、通訊模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、主機(jī)架、擴(kuò)展機(jī)架、連接電纜等組成。它是系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)的命令動(dòng)作的執(zhí)行與監(jiān)視、數(shù)值處理與計(jì)算、邏輯組合與判斷、通訊處理等功能；
•低壓電器
主要由接觸器、斷路器、熱繼電器、中間繼電器等設(shè)備組成。完成電氣主回路和控制回路的硬連接的功能，實(shí)現(xiàn)硬接線線路的可靠、正確連接；
•變頻器
接受來自PLC的控制命令和運(yùn)行頻率指令，實(shí)現(xiàn)變頻變壓輸出，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的；
•壓力/溫度變送器
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的循環(huán)水進(jìn)行壓力、溫度檢測(cè)，將這些工藝數(shù)值，變換為標(biāo)準(zhǔn)DC4～20mA標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)送到PLC模擬量輸入模塊進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值處理與計(jì)算；
•上位機(jī)IPC或人機(jī)界面HMI
上位機(jī)IPC由PC機(jī)和組態(tài)軟件構(gòu)成，它完成系統(tǒng)各工藝參數(shù)的設(shè)定、控制命令的發(fā)送、狀態(tài)監(jiān)視、過程數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警與故障報(bào)警、報(bào)表生成與打印等功能。若使用人機(jī)界面HMI來代替IPC不僅大多數(shù)功能可以實(shí)現(xiàn)，而且比較經(jīng)濟(jì)；
•開關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥
開關(guān)閥接受啟停接點(diǎn)信號(hào)去開啟或關(guān)閉管道的通路，是一種兩位狀態(tài)設(shè)備。調(diào)節(jié)閥接受PLC輸出的DC4～20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)完成對(duì)應(yīng)的開度變化，達(dá)到可連續(xù)調(diào)節(jié)管道開度的目的。
(a) 控制系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖1
(b)控制方案結(jié)構(gòu)圖2
圖4 控制系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖
4.2.2 控制系統(tǒng)軟件功能與實(shí)現(xiàn)
整個(gè)集成的控制系統(tǒng)軟件由兩個(gè)部分組成，即PLC軟件和上位機(jī)軟件，在PLC軟件中分別對(duì)各個(gè)部分做了詳盡的控制編程設(shè)計(jì)，按不同控制對(duì)象和作用將各部分軟件的主要功能描述如下。其他功能，諸如：手動(dòng)自動(dòng)方式選擇、變頻故障自動(dòng)更換備用泵或工頻自動(dòng)投運(yùn)、供冷和供熱循環(huán)方式選擇識(shí)別、故障與報(bào)警處理、負(fù)荷均衡輪值運(yùn)行等功能都做了仔細(xì)的設(shè)計(jì)，將不再逐項(xiàng)描述。
(1)冷凍循環(huán)水部分
冷凍循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行主要依據(jù)蒸發(fā)器的進(jìn)出水溫度差來決定流量的增加。在夏季供冷期間，當(dāng)進(jìn)出水溫度差小于標(biāo)準(zhǔn)允許溫差值時(shí)，應(yīng)減小變頻器的輸出頻率，即時(shí)降低水泵的運(yùn)行速度減少流量，使實(shí)際檢測(cè)溫差值逼近標(biāo)準(zhǔn)溫差允許值，但泵的速度減少時(shí)，應(yīng)考慮能夠保證冷凍循環(huán)水在管網(wǎng)中的順暢流動(dòng)，因此，應(yīng)設(shè)定一個(gè)對(duì)應(yīng)的泵的轉(zhuǎn)速低限（變頻器輸出頻率低限），在此速度下變頻器的輸出頻率將不再降低；相反，當(dāng)實(shí)際溫差大于標(biāo)準(zhǔn)溫差時(shí)，應(yīng)增加變頻器的輸出頻率，即提升泵的轉(zhuǎn)速增加水流量；當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到48Hz后(此時(shí)功率約為0.95Pe)，若實(shí)際溫差仍偏大時(shí)，就需要再投入另一臺(tái)泵變頻并行運(yùn)行，此時(shí)兩臺(tái)泵并行運(yùn)行的頻率初始給定值定為（50Hz/2）×1.1≈28Hz，此2臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)輸出的流量已大于單臺(tái)泵的流量，但此時(shí)2臺(tái)泵的累計(jì)消耗功率僅約為0.35 Pe，從這一點(diǎn)看，2臺(tái)同時(shí)變頻運(yùn)行要比1臺(tái)工頻加1臺(tái)變頻方式更能節(jié)約電能，因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)全部采用了“一控一”的方式，而沒有采用“一控多”的方式。在2臺(tái)泵根據(jù)溫差值以相同頻率同時(shí)升速或降速運(yùn)行時(shí)，若溫差仍偏大，則以相同的方式再投入第三臺(tái)變頻運(yùn)行。當(dāng)2臺(tái)或3臺(tái)泵同時(shí)變頻運(yùn)行且實(shí)際溫差比標(biāo)準(zhǔn)溫差小時(shí)，應(yīng)降低變頻器輸出頻率以減小泵的輸出流量，當(dāng)頻率減小到輸出頻率下限時(shí)（本系統(tǒng)設(shè)定為20Hz），若仍存在溫差偏大現(xiàn)象時(shí)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)停止最早投入運(yùn)行的1臺(tái)水泵（即按先入先出的調(diào)度策略實(shí)施增減泵的動(dòng)作），而不是繼續(xù)降低輸出轉(zhuǎn)速，剩下的泵再根據(jù)溫差偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)流量運(yùn)行。
(2)熱泵循環(huán)水部分
在冬季供給熱水時(shí)，熱泵將依據(jù)蒸汽熱交換器的實(shí)際進(jìn)出水溫差的大小來決定出水流量的大小，使出水溫度恒定在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值上。當(dāng)熱泵的流量調(diào)節(jié)能力達(dá)到泵的額定流量且進(jìn)出水溫度差仍然偏大時(shí)，可通過減小熱交換器的蒸汽調(diào)節(jié)閥來達(dá)到目的；若熱泵熱水的流量調(diào)節(jié)能力已經(jīng)減少到最低流量下限規(guī)定值且進(jìn)出水溫差仍偏小時(shí)，同樣可通過增加蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度來達(dá)到進(jìn)出水溫差值恒定的目的。這種通過附加調(diào)節(jié)蒸汽供給量的方法，不僅可以使溫差值控制更加穩(wěn)定、有效，而且也有利于對(duì)鍋爐供熱（供蒸汽）能源的節(jié)約。
(3)冷卻循環(huán)水部分
冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行原理與冷凍循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行原理基本一致，兩者本質(zhì)的差異在于：當(dāng)冷凝器進(jìn)出水溫差大于標(biāo)準(zhǔn)允許溫差時(shí)應(yīng)增加流量，正好與冷凍循環(huán)水的調(diào)節(jié)方向相反。具體的流量調(diào)節(jié)過程略。以基準(zhǔn)壓力需求為下限，以溫差值作反饋的閉環(huán)控制原理如圖5所示。
圖5 閉環(huán)調(diào)節(jié)控制原理圖
在圖5a中,以基準(zhǔn)壓力需求作為雙閉環(huán)的內(nèi)環(huán)來限定流量輸出調(diào)節(jié)的下限依據(jù)，以實(shí)際進(jìn)出水溫度差與標(biāo)準(zhǔn)允許溫差的偏差值作為外環(huán)來決定每次流量調(diào)節(jié)幅度的大小和單位時(shí)間內(nèi)流量調(diào)節(jié)頻度的依據(jù)。圖5b中，曲線AB表示單臺(tái)泵冷卻循環(huán)水流量變化與進(jìn)出水溫度偏差值的變化比例關(guān)系。
(4)冷卻塔風(fēng)機(jī)部分
冷卻塔風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行是根據(jù)冷卻塔實(shí)際出水溫度（假設(shè)為T0）是否滿足出水溫度設(shè)定值（T1=28℃）和冷卻塔的進(jìn)水溫度設(shè)定值（T2=32℃）的共同要求來決定的。為此將控制分為4種情況來決定風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方式：
•當(dāng)T0＜T1且T2≥32℃時(shí)，全部風(fēng)機(jī)以變頻器當(dāng)前輸出頻率方式運(yùn)轉(zhuǎn)。該狀態(tài)僅出現(xiàn)在對(duì)制冷機(jī)突加負(fù)載的過程中，在負(fù)載不再發(fā)生劇烈變換時(shí)，該狀態(tài)將發(fā)生遷移；
•當(dāng)T0＜T1且T2≤32℃時(shí)，全部冷卻塔風(fēng)機(jī)逐步減速到運(yùn)行頻率下限（20Hz），若該溫度現(xiàn)象仍然存在持續(xù)一段時(shí)間后，全部風(fēng)機(jī)將停止運(yùn)轉(zhuǎn)。此狀態(tài)多發(fā)生在環(huán)境溫度較低的冬季；
•當(dāng)T0≥T1且T2≥32℃時(shí)，全部風(fēng)機(jī)以變頻器最大輸出頻率（50Hz）方式額定速度運(yùn)行。若該溫度現(xiàn)象在全部風(fēng)機(jī)額定速度運(yùn)行一段時(shí)間后仍然存在，首先增加運(yùn)行的冷卻塔系統(tǒng)風(fēng)機(jī)套數(shù)，然后考慮適當(dāng)增加冷卻循環(huán)水的流量來解除此現(xiàn)象的持續(xù)存在，從而維持冷凝器安全運(yùn)行的需求；
•當(dāng)T0≥T1且T2＜32℃時(shí)，此現(xiàn)象多數(shù)是由狀態(tài)C遷移而來，首先應(yīng)適當(dāng)增加風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率（但一般不作增加開啟風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的處理），然后隨著冷卻水流量的增加該狀態(tài)將會(huì)自動(dòng)遷移到狀態(tài)b的情形，然后冷卻塔風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)將按狀態(tài)b的情形作變風(fēng)量調(diào)節(jié)運(yùn)行。
一般說來，出現(xiàn)T2≥32℃的情形多是因?yàn)槔淠髫?fù)荷的突然增加所致，需要冷卻循環(huán)水的冷卻水量和冷卻塔風(fēng)機(jī)的冷卻風(fēng)量的共同配合來完成，而T0≥T1的情形是由于前一段時(shí)間內(nèi)冷卻塔風(fēng)機(jī)的冷卻風(fēng)量不足造成的，需要適當(dāng)增加冷卻風(fēng)量來解決。
•盤管風(fēng)機(jī)部分
新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行主要依據(jù)房間溫度實(shí)際值與設(shè)定值之間的偏差大小來調(diào)節(jié)出風(fēng)量的變化范圍，應(yīng)用離散化快速型PID調(diào)節(jié)原理，構(gòu)造一個(gè)實(shí)時(shí)響應(yīng)、快速跟蹤變化的閉環(huán)溫度控制算法，在保證溫度基本恒定目的的同時(shí)，最大限度地實(shí)現(xiàn)房間新風(fēng)量的供應(yīng)。由于溫度的變化存在時(shí)滯性特點(diǎn)，在閉環(huán)控制中加入了對(duì)溫度變化趨勢(shì)的前饋補(bǔ)償控制算法，對(duì)逼近設(shè)定值附近（ΔT＜±0.2℃)的溫差區(qū)域不進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。
•PLC通訊程序
主要接受來自上位機(jī)IPC或人機(jī)界面HMI的各種啟停控制命令、工藝參數(shù)設(shè)定值、運(yùn)行方式選擇命令等，同時(shí)向上位機(jī)IPC或人機(jī)界面HMI傳送執(zhí)行元件的工作狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度/壓力測(cè)量值等，通過準(zhǔn)確高速、穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)各個(gè)部分的實(shí)時(shí)監(jiān)督與控制功能。
•上位機(jī)組態(tài)軟件監(jiān)控應(yīng)用程序（使用HMI方式時(shí)僅具備某些基本功能）
上位機(jī)監(jiān)控軟件采用組態(tài)王256點(diǎn)組態(tài)開發(fā)運(yùn)行軟件平臺(tái)，監(jiān)控畫面主要完成：冷凍循環(huán)水泵進(jìn)出口壓力值和溫度、熱泵循環(huán)水進(jìn)出口壓力和設(shè)定值、冷卻循環(huán)水進(jìn)出口壓力和溫度設(shè)定值、冷卻塔進(jìn)出水溫度值、盤管風(fēng)機(jī)進(jìn)出口溫度和房間溫度等參數(shù)的設(shè)置，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、工藝過程參數(shù)（溫度、壓力的測(cè)量值）的實(shí)時(shí)記錄與顯示、報(bào)警記錄與歷史數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表生成管理與數(shù)據(jù)日志打印等功能。
4.2.3 控制系統(tǒng)與樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)BAS的集成
為與樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)BAS相集成，不僅在對(duì)PLC硬件設(shè)計(jì)時(shí)單獨(dú)設(shè)立了一個(gè)串行通訊接口，而且，我們也將PLC采集的各種過程工藝參數(shù)（包含接點(diǎn)型狀態(tài)和模擬量數(shù)值狀態(tài)參數(shù)）全部集中映射存放在一個(gè)內(nèi)存區(qū)域，以便BAS調(diào)用監(jiān)視，同時(shí)在PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)把BAS可能要發(fā)送的控制命令也嵌入到程序指令中去，以便將來可以順利地接入運(yùn)行。
5 變頻節(jié)能改造效果估算與投資收益分析
5.1 控制系統(tǒng)節(jié)能改造收益估算
依據(jù)第4節(jié)的分析結(jié)論和用戶提供的各個(gè)泵、風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間分布記錄數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)各個(gè)部分年節(jié)電率收益估算如下：
(1)冷凍循環(huán)水系統(tǒng)年節(jié)電收益估算
根據(jù)改造前運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)表明，冷凍循環(huán)水系統(tǒng)在其運(yùn)行期間（5個(gè)月，16h/天），2臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占75%（折合為1800h），僅1臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占15%（折合為360h），3臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占10%（折合為240h），由平均節(jié)電率為41%可知，改造后可節(jié)約電量約為：
ΔW1= 41%×37kW×（1臺(tái)×360h+2臺(tái)×1800h+3臺(tái)×240h）≈7.1萬kWh
若按0.80元/kWh計(jì)算，那么，冷凍循環(huán)水系統(tǒng)全年可節(jié)約電費(fèi)約為：
ΔM1= 7.1萬kWh×0.8元/kWh≈5.7萬元
(2)熱泵循環(huán)水系統(tǒng)年節(jié)電收益估算
根據(jù)改造前運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)表明，熱泵循環(huán)水系統(tǒng)在其運(yùn)行期間（4個(gè)月，18h/天），2臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占75%（折合為1620h），僅1臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占15%（折合為324h），3臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占10%（折合為216h），由平均節(jié)電率為41%可知，改造后可節(jié)約電量約為：
ΔW2= 41%×37kW×（1臺(tái)×324h+2臺(tái)×1620h+3臺(tái)×216h）≈6.4萬kWh
若按0.80元/kWh計(jì)算，那么，熱泵循環(huán)水系統(tǒng)全年可節(jié)約電費(fèi)約為：
ΔM2= 6.4萬kWh×0.8元/kWh≈5.1萬元
(3)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)年節(jié)電收益估算
根據(jù)改造前運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)表明，冷卻循環(huán)水系統(tǒng)在其運(yùn)行期間（5個(gè)月，16h/天），2臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占60%（折合為1440h），僅1臺(tái)泵或4臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約各占10%（折合為240h），3臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占20%（折合為480h），由平均節(jié)電率為46%可知，改造后可節(jié)約電量約為：
ΔW3= 46%×45kW×（1臺(tái)×240h+2臺(tái)×1440h+3臺(tái)×480h+4臺(tái)×240h）
=20.7×5520≈11.4萬kWh
若按0.80元/kWh計(jì)算，那么，冷卻循環(huán)水系統(tǒng)全年可節(jié)約電費(fèi)約為：
ΔM3= 11.4萬kWh×0.8元/kWh≈9.1萬元
(4)冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)年節(jié)電收益估算
根據(jù)改造前運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)表明，冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在其運(yùn)行期間（5個(gè)月，16h/天），2套風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占80%（折合為1920h），僅1套風(fēng)機(jī)或3套風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約各占10%（折合為240h），由平均節(jié)電率為40%可知，改造后可節(jié)約電量約為：
ΔW4= 40%×15kW×（1套×240h+2套×1920h+3套×240h）≈2.9萬kWh
若按0.80元/kWh計(jì)算，那么，冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)全年可節(jié)約電費(fèi)約為：
ΔM4= 2.9萬kWh×0.8元/kWh≈2.3萬元
(5)盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)年節(jié)電收益估算
根據(jù)改造前運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)表明，盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)全年運(yùn)行約9個(gè)月，17h/天。由平均節(jié)電率為45%可知， 1套盤管風(fēng)機(jī)改造后全年可節(jié)約電量約為：
ΔW5= 60%×0.4kW×4590h≈1100kW
若按0.80元/kWh計(jì)算，那么，1套盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)全年可節(jié)約電費(fèi)約為：
ΔN5= 1100kWh×0.8元/kWh≈880元
因此，全部40套盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造后全年可節(jié)約電費(fèi)為：
ΔM5= 40套×880元≈3.5萬元
綜合以上5項(xiàng)節(jié)約電費(fèi)數(shù)據(jù)，我們可以得出這樣的結(jié)論：中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行變頻控制系統(tǒng)節(jié)能改造后每年可以節(jié)約電費(fèi)總計(jì)約為：25.7萬元。
5.2 控制系統(tǒng)改造投資成本估算
中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能技術(shù)改造費(fèi)用主要由硬件設(shè)備費(fèi)用、軟件程序費(fèi)用、工程服務(wù)費(fèi)用等部分組成。在本次節(jié)能改造中，自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本如表1所示，即節(jié)能改造總費(fèi)用約為47萬元。
表1 節(jié)能改造控制系統(tǒng)成本直接費(fèi)構(gòu)成表
由于本次節(jié)能改造所涉及的電機(jī)總功率數(shù)應(yīng)為：
Ptotal=37kW×3+45kW×4+7.5kW×6+0.4kW×60=350kW
則：每千瓦功率節(jié)能改造費(fèi)用約為：1300元/kW，每千瓦全年節(jié)約電費(fèi)約為：734元/kW。
5.3 控制系統(tǒng)改造投資收益估算
由以上計(jì)算可知，欲對(duì)該套中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造需投入改造費(fèi)用約47萬元，改造后每年可節(jié)約電費(fèi)約25萬元，以三年投資收益期計(jì)算，那么，其投資收益率將達(dá)到50%以上，投資回報(bào)率顯著。
6 結(jié)束語
目前，中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造工程項(xiàng)目市場(chǎng)分布不僅廣泛，而且數(shù)量眾多，這為進(jìn)行節(jié)能改造市場(chǎng)化應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)前提。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)顯示，在業(yè)已投入運(yùn)行的中央空調(diào)系統(tǒng)中，至少有70%以上未進(jìn)行過任何形式的節(jié)能優(yōu)化改造，而且普遍具有很好的節(jié)能挖掘潛力空間（一般都有30%以上的可挖掘節(jié)能空間）。大力推廣與實(shí)施應(yīng)用中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)，不僅具有很好的經(jīng)濟(jì)效益回報(bào)，而且也有力地推動(dòng)了全社會(huì)對(duì)能源有效利用率認(rèn)識(shí)的提高。它也將可能給風(fēng)險(xiǎn)資本投資運(yùn)作在該類型節(jié)能改造工程項(xiàng)目上開辟出一條新的方向。
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作者簡(jiǎn)介
王宏巖（1968～）電氣工程師/學(xué)士1991年畢業(yè)于安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)，現(xiàn)任職于上海三信自動(dòng)化工程有限公司，主要從事自動(dòng)化控制系統(tǒng)方案論證、系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與調(diào)試、軟件開發(fā)及變頻器應(yīng)用技術(shù)推廣普及等工作。
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域，在賓館、酒店、寫字樓、商場(chǎng)、住院部大樓、工業(yè)廠房的中央空調(diào)系統(tǒng)，其制冷壓縮機(jī)組、冷媒循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤管風(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)荷或新風(fēng)交換量需求選定的，且留有充足余量。在沒有使用具備負(fù)載隨動(dòng)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(zhǎng)期固定在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)行，盡管有的系統(tǒng)采用了閘閥檔板節(jié)流方式，但其能量的浪費(fèi)仍是顯而易見的。近年來由于電價(jià)的不斷上漲，造成中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用急劇上升，致使它在整個(gè)大廈營(yíng)運(yùn)電費(fèi)成本中占據(jù)越來越大的比例，因此，電能費(fèi)用的控制顯然已經(jīng)成為經(jīng)營(yíng)管理者所關(guān)注的問題所在。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中央空調(diào)的用電量占各類大廈總用電量的60%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(shí)主壓縮機(jī)系統(tǒng)和水泵、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的電能消耗，具有極其重要的經(jīng)濟(jì)意義。所以，隨著負(fù)荷變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)變化的變流量變頻中央空調(diào)水泵、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和自適應(yīng)智能負(fù)荷調(diào)節(jié)的主壓縮機(jī)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸顯示其巨大的性能優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)性，得到了廣泛的推廣與應(yīng)用。采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能提高系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平，使中央空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到更加理想的工作狀態(tài)，而且，更重要的是能給用戶帶來良好的投資回報(bào)。作者曾先后成功地完成了聯(lián)合國(guó)工業(yè)發(fā)展組織全額投資的上海新亞制藥廠中央空調(diào)機(jī)組冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、上海東方航空賓館中央空調(diào)系統(tǒng)冷媒循環(huán)水和冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、上海市中醫(yī)院住院部大樓中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻循環(huán)水和冷媒循環(huán)水系統(tǒng)等多項(xiàng)中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造項(xiàng)目，并曾為眾多用戶進(jìn)行中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造做前期工況調(diào)研、可行性方案論證及系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。在業(yè)已實(shí)施的項(xiàng)目中，各項(xiàng)目的節(jié)電率均高達(dá)30%以上，有的系統(tǒng)節(jié)電率高達(dá)60%。下面就以具有典型結(jié)構(gòu)特征的中央空調(diào)系統(tǒng)為例，來表述變頻節(jié)能改造控制技術(shù)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能指標(biāo)預(yù)測(cè)方法與自動(dòng)化控制過程實(shí)現(xiàn)方法，以期供用戶在實(shí)施中央空調(diào)變頻節(jié)能改造時(shí)作為對(duì)比參考。
2 中央空調(diào)系統(tǒng)的工作原理與一般組成結(jié)構(gòu)
中央空調(diào)技術(shù)實(shí)際上是人工制冷技術(shù)的一種典型系統(tǒng)性應(yīng)用，當(dāng)前，人工制冷技術(shù)按其補(bǔ)償過程的不同可主要分為蒸汽壓縮式、吸收式、蒸汽噴射式、吸附式四種方法，其中，被廣泛應(yīng)用在中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷方法主要有兩種：
（1）蒸汽壓縮式制冷循環(huán)
通過對(duì)制冷劑的壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)、吸收等過程來利用制冷劑的液相與氣相之間的相變所產(chǎn)生的熱交換實(shí)現(xiàn)制冷目的，如上海合眾-開利空調(diào)設(shè)備公司的19XL（HCFC22制冷劑）或19XR（HFC134a制冷劑）系列封閉型離心式冷水機(jī)組、約克國(guó)際北亞有限公司的YK/YT系列離心式或YS/YCWS系列螺桿式冷水機(jī)組；
（2）吸收式制冷循環(huán)
通過使用兩種沸騰點(diǎn)差距較大的物質(zhì)組成的二元溶液（也稱工質(zhì)對(duì)，其低沸騰點(diǎn)組份為制冷劑，高沸騰點(diǎn)組份為吸收劑），利用溶液在一定條件下能析出低沸點(diǎn)組份的蒸汽，而在另一條件下又能吸收低沸點(diǎn)組份的蒸汽這一特性由制冷機(jī)系統(tǒng)采用熱能驅(qū)動(dòng)，通過發(fā)生、冷凝、蒸發(fā)、吸收4個(gè)過程來完成制冷循環(huán)，如江蘇雙良空調(diào)設(shè)備有限公司的SLAA060AS/SLAA060AT溴化鋰-水溶液吸收式制冷機(jī)組、重慶通用工業(yè)公司的KF140X—10 氨-水溶液吸收式制冷機(jī)組。
目前，在中央空調(diào)系統(tǒng)中的制冷壓縮機(jī)以速度型的離心式壓縮機(jī)和以容積型的螺桿式或活塞式壓縮機(jī)的應(yīng)用最為普遍。以蒸汽壓縮式制冷循環(huán)為例，撇開其具體形式上的區(qū)分，中央空調(diào)的制冷系統(tǒng)其制冷循環(huán)過程如圖1所示。
圖1 制冷循環(huán)過程原理圖
圖1a中，制冷壓縮機(jī)將來自蒸發(fā)器中的低溫、低壓的制冷劑氣體(一般為3～6℃)壓縮成高溫、高壓氣體(一般為35～40℃)排入冷凝器中，這些高溫、高壓氣體在冷凝器中通過與冷卻循環(huán)水進(jìn)行熱交換（冷卻循環(huán)水帶走介質(zhì)排放的熱量）變?yōu)楦邷亍⒏邏阂后w(一般為25～32℃)流向節(jié)流膨脹閥，再通過膨脹閥的節(jié)流、降壓來實(shí)現(xiàn)高溫、高壓液體向低溫、低壓液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變，由于壓力突然降低，有一部分制冷劑瞬間蒸發(fā)為氣體，即用膨脹閥的節(jié)流作用來實(shí)現(xiàn)類絕熱膨脹過程，低溫、低壓液體在蒸發(fā)器中通過與冷凍循環(huán)水的充分熱交換（吸收冷凍循環(huán)水的熱量）后達(dá)到蒸發(fā)汽化目的，此時(shí)制冷劑又回到低溫、低壓氣體狀態(tài)為制冷劑的再循環(huán)過程做準(zhǔn)備。同時(shí)也應(yīng)看到當(dāng)壓縮機(jī)抽取制冷劑氣體的同時(shí),也降低了蒸發(fā)器的壓力,使蒸發(fā)器內(nèi)其余的制冷劑在相當(dāng)?shù)偷臏囟认麓罅空舭l(fā)汽化。在圖1b中，A-B-C-D分別表示了無溫差傳熱的逆卡諾循環(huán)的絕熱壓縮、等溫壓縮、絕熱膨脹、等溫膨脹四個(gè)理想過程，而實(shí)際上制冷壓縮循環(huán)是如圖1c所示的具有溫差傳熱現(xiàn)象的逆卡諾循環(huán)，圖中的陰影部分表示與環(huán)境介質(zhì)（如冷卻水、冷凍水等）進(jìn)行熱交換時(shí)所存在的溫差效應(yīng)現(xiàn)象。我們知道在三種熱傳遞方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射中，無論壓縮機(jī)采用哪種形式的制冷循環(huán)技術(shù)，其所有冷熱流體之間的熱傳遞方式均主要是通過金屬管壁與流體之間對(duì)流換熱及壁的導(dǎo)熱來完成傳熱過程的。根據(jù)換熱量計(jì)算方程：
Q=KAθm (1 )
其中：Q為換熱量（W），K為換熱系數(shù)（W/m2.K），A為換熱體面積（m2），θm為冷熱流體間的相對(duì)流向密切相關(guān)的平均換熱溫差（℃）。由公式（1）可知，對(duì)于特定的中央空調(diào)系統(tǒng)而言，其中的參數(shù)K和A是固定的，我們?cè)诓桓淖兤湮锢斫Y(jié)構(gòu)狀態(tài)和特征的情況下，可通過有效地控制冷熱流體間的換熱溫差來達(dá)到獲取最大換熱量的目的，即按需求變化供應(yīng)環(huán)境介質(zhì)量，而不是過分地滿足，這也就是我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行變頻控制的基本可行性依據(jù)條件之一。
隨著人工制冷技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，目前，制冷壓縮機(jī)技術(shù)得到了充分發(fā)展，大多數(shù)制冷壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家均不同程度地對(duì)壓縮機(jī)控制采用了負(fù)荷隨動(dòng)的功率輸出調(diào)節(jié)技術(shù)，如：上海合眾-開利公司的19XR系列離心式冷水機(jī)組所采用的線性浮閥節(jié)流裝置，使制冷量與負(fù)荷變化動(dòng)態(tài)匹配適合極低系統(tǒng)負(fù)荷下運(yùn)行工況，避免了不必要的熱氣旁通帶來的能效比下降現(xiàn)象；甚至有的廠家還采用了變頻調(diào)速控制技術(shù)，如：約克國(guó)際北亞的YT/YK系列離心式冷水機(jī)組所配置的自適應(yīng)容量控制變頻驅(qū)動(dòng)裝置（VSD），使非額定工況下機(jī)組能效比高達(dá)0.2kW/USRt，年節(jié)能可達(dá)30%以上。因此，本文將主要研究重點(diǎn)放在對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的水系統(tǒng)與風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能空間，以期進(jìn)一步獲得最大化的投入與產(chǎn)出比收益。
以蒸汽壓縮式制冷循環(huán)機(jī)組為例，中央空調(diào)系統(tǒng)其組成結(jié)構(gòu)一般主要由制冷主壓縮機(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)等部分組成，其工藝流程組成結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 中央空調(diào)系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)流程圖
其中，壓縮機(jī)系統(tǒng)通常至少包括主壓縮電機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥四個(gè)基本部分和為提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性而設(shè)立的油分離器、氣液分離器、貯液器、中間冷卻器和浮子調(diào)節(jié)閥等輔助設(shè)備裝置。由于從控制角度看新風(fēng)系統(tǒng)與中央空調(diào)系統(tǒng)的其他部分具有相對(duì)獨(dú)立性，因此在圖2未表示出新風(fēng)系統(tǒng)的工藝流程結(jié)構(gòu)。在圖2中低溫冷凍水被送到各樓層的盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的盤管（冷或熱交換器）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)吹送到各樓層冷/熱送風(fēng)母管中，再由各房間的風(fēng)幕風(fēng)機(jī)的調(diào)速實(shí)現(xiàn)各房間的控溫目的。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(duì)其進(jìn)行自然冷卻或通過冷卻塔風(fēng)機(jī)對(duì)其進(jìn)行噴淋逆流式強(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(shí)，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(shí)現(xiàn)向用戶提供供暖熱風(fēng)。熱水泵向各個(gè)房間供給的熱水總流量是根據(jù)安裝熱水供水總管于回水總管上的溫度差來決定的。熱交換器的PID溫控器通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥VA1來控制進(jìn)入熱交換器的蒸汽流量來實(shí)現(xiàn)對(duì)熱交換器熱水出水溫度的恒定控制從而達(dá)到供熱目的。
正確理解中央空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)部分的作用與工藝流程結(jié)構(gòu)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能改造至關(guān)重要，從因果關(guān)系角度上看，冷媒循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)均是制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)的從動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)制冷主壓縮機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際需求負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，對(duì)冷媒循環(huán)水、冷卻循環(huán)水的需求量和盤管風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)量及冷卻塔的冷卻風(fēng)量也發(fā)生相應(yīng)的變化，正因如此，我們才有實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造目標(biāo)的可能和必要的依據(jù)條件，才能從真正意義上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的“按需分配”控制目標(biāo)的可能。
3 中央空調(diào)系統(tǒng)的各部分節(jié)能調(diào)節(jié)原理
中央空調(diào)系統(tǒng)按負(fù)載類型可將其分為兩大類:
(1) 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載
如螺桿式或離心式制冷主壓縮機(jī)系統(tǒng)的壓縮機(jī)負(fù)載，它不僅對(duì)軸輸出轉(zhuǎn)矩具有最小值限定的需求，而且其轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系也近似表現(xiàn)為線形特征；
(2)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載
如冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷媒循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等的風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載，它們對(duì)軸轉(zhuǎn)矩沒有嚴(yán)格的需求，其軸功率與轉(zhuǎn)速具有顯著的立方關(guān)系特征。不同的負(fù)載類型具有不同的轉(zhuǎn)矩、功率關(guān)系特性，應(yīng)區(qū)別對(duì)待加以應(yīng)用技術(shù)研究。
3.1 制冷壓縮機(jī)的節(jié)能調(diào)節(jié)原理
壓縮機(jī)本身是一套復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)備，對(duì)于帶導(dǎo)葉片組的定速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的離心式壓縮機(jī)而言，其容量的調(diào)節(jié)是通過導(dǎo)葉執(zhí)行電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)葉片組的角度變化來實(shí)現(xiàn)制冷劑流量變化而帶來的制冷能力的變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)制冷量的目的，當(dāng)導(dǎo)葉片組處于關(guān)閉變化時(shí)，壓縮機(jī)吸入的制冷劑的量在減少，壓縮機(jī)處于卸載過程狀態(tài)，相反，當(dāng)導(dǎo)葉片組處于開啟過程變化時(shí)，則壓縮機(jī)處于加載過程狀態(tài)。導(dǎo)葉控制裝置不斷驅(qū)動(dòng)導(dǎo)葉組電機(jī)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉片組的開度變化，直到壓縮機(jī)的制冷量促使冷凍水的實(shí)際溫度約等于設(shè)定溫度。對(duì)于離心式這種速度型機(jī)組，通常采用限定導(dǎo)葉片組的開度變化范圍與降低壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速相結(jié)合的方法，通過對(duì)當(dāng)前運(yùn)行工作點(diǎn)的自動(dòng)測(cè)定，來選擇容量調(diào)節(jié)模式，實(shí)現(xiàn)在低負(fù)荷狀態(tài)下的最佳運(yùn)行效率控制，該容量調(diào)節(jié)模式的選擇利用不僅可以實(shí)現(xiàn)電能節(jié)約，而且也可以在全容量調(diào)節(jié)范圍（15%～100%）內(nèi)精確地預(yù)測(cè)出喘振區(qū)，避免離心式機(jī)組常見故障—喘振現(xiàn)象的發(fā)生。喘振曲線函數(shù)的獲得一般由機(jī)組廠家提供，也可以通過對(duì)機(jī)組在不同負(fù)載點(diǎn)的壓頭試驗(yàn)取得一組離散坐標(biāo)點(diǎn)，利用最小二乘法算法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，便可以近似求出該機(jī)組的喘振曲線函數(shù)。需要指出的是通常轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)對(duì)離心式制冷機(jī)功率節(jié)約的貢獻(xiàn)一般小于10%，這也是在當(dāng)前條件下變頻調(diào)速技術(shù)在制冷壓縮機(jī)上未能得以廣泛應(yīng)用的主要原因。
而對(duì)于螺桿式壓縮機(jī)其軸功率與排氣量存在以下關(guān)系：
Ptot→60×（m1×n1×V1+ m2×n2×V2）×CΦ ( 2 )
其中，V1 、V2為陽(yáng)螺桿與陰螺桿之間一個(gè)齒槽的齒間容積；
m1 、m2為陽(yáng)螺桿與陰螺桿之間的齒數(shù)；
n1 、n2為陽(yáng)螺桿與陰螺桿之間的轉(zhuǎn)速；
CΦ為扭角系數(shù)。
轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角對(duì)吸氣容積的影響程度，由公式（2）可見螺桿壓縮機(jī)的功率調(diào)節(jié)可以通過減少螺桿的有效長(zhǎng)度—常用滑閥調(diào)節(jié)方式和降低螺桿的轉(zhuǎn)速—常用變頻調(diào)節(jié)方式來實(shí)現(xiàn)。其中常用的滑閥調(diào)節(jié)方式是通過檢測(cè)制冷劑高低壓壓差的大小來決定滑閥是向排氣端移動(dòng)來減少排氣量，還是向吸氣端方向移動(dòng)來增加排氣量。為防止排氣端軸向排氣孔與工作容積連通形成的高壓氣體倒流現(xiàn)象的發(fā)生，通常將最小排氣量限定在10%左右，因此，螺桿壓縮機(jī)的功率輸出可以在10%～100%范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)節(jié)。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)螺桿壓縮機(jī)負(fù)荷在50%以上時(shí)其功率與負(fù)荷成線性正比關(guān)系，而低于40%負(fù)荷時(shí)其實(shí)際消耗功率遠(yuǎn)大于線性理論計(jì)算功率，這也正是在采用變頻技術(shù)時(shí)不能在全負(fù)荷變化區(qū)間均獲得理想節(jié)能效果的原因，從而使變頻控制技術(shù)的應(yīng)用受到投入與產(chǎn)出性價(jià)比的困擾。
由以上分析可見，就中央空調(diào)制冷壓縮機(jī)而言，除因壓縮機(jī)本身業(yè)已采用了自動(dòng)能量調(diào)節(jié)方式外，其恒轉(zhuǎn)矩特性所表現(xiàn)的功率與轉(zhuǎn)速（或流量）之間的近似線性關(guān)系也限定了通過變頻調(diào)速技術(shù)獲取節(jié)能空間的幅度，因而出于節(jié)能改造性價(jià)比的考慮，一般不建議對(duì)制冷壓縮機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造。
3.2 風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能調(diào)節(jié)原理
對(duì)于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載類型，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(dòng)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 ( 3 )
其中，n、H、Q、P分別表示轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程、流量、軸功率，它們之間的關(guān)系曲線如圖3所示。
由公式3可知，由于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的轉(zhuǎn)速（或流量）與軸功率存在3次方關(guān)系，所以，通常對(duì)于負(fù)荷經(jīng)常變化的場(chǎng)合可以獲得理想的節(jié)能效果。
圖3 流量、揚(yáng)程、功率三者間的關(guān)系曲線圖
在圖3a中，曲線a1表示工頻定速運(yùn)行時(shí)的H-Q關(guān)系，曲線ax表示低于額定速度下的變頻運(yùn)行時(shí)的H-Q關(guān)系，從圖3a中可以看出，管網(wǎng)的阻尼隨揚(yáng)程的降低而減小。曲線R1和R2表示在不同流量下管網(wǎng)呈現(xiàn)的阻力特性，它符合以下公式：
H=RQ2 （4）
其中,H為管網(wǎng)阻力;
R為管網(wǎng)流水阻尼系數(shù)。
公式(4)表明隨著供給水量的減少管網(wǎng)阻力的損失也呈2次方下降趨勢(shì)，從而也降低了系統(tǒng)功率消耗。在圖3b中給出了在不同流量需求下，出口閥檔板節(jié)流方式與變頻調(diào)速方式所消耗的功率變化曲線關(guān)系。它表明了變頻調(diào)速優(yōu)于檔板節(jié)流方式。
依據(jù)公式(3)進(jìn)行估算，若轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的70%，那么，揚(yáng)程將下降到額定值的50%，同時(shí)，軸輸出功率下降到額定值的35%。在滿足系統(tǒng)基本揚(yáng)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(shí)，在變頻控制方式下，其揚(yáng)程將下降到額定值的25%，其對(duì)應(yīng)輸出功率僅約為額定功率的13%。公式3為實(shí)施變頻節(jié)能技術(shù)改造提供了理論上的可行性保障空間。那么，如何去判斷系統(tǒng)是否具有節(jié)能潛力就顯得十分重要。判斷的依據(jù)應(yīng)來自兩個(gè)方面：首先是泵本身的額定流量與揚(yáng)程指標(biāo)和運(yùn)行時(shí)實(shí)際輸出表現(xiàn)，其次是系統(tǒng)對(duì)實(shí)際供水需求量的表現(xiàn)出的溫度差或壓力與機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)之間的偏差程度。因此，應(yīng)實(shí)時(shí)采集各個(gè)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合泵的能力決定對(duì)泵所實(shí)施的調(diào)節(jié)方向與調(diào)節(jié)幅度。若系統(tǒng)當(dāng)前實(shí)際溫差小于標(biāo)準(zhǔn)允許運(yùn)行溫差時(shí)，就可以判定系統(tǒng)存在流量過剩現(xiàn)象，就可以減少泵的出口流量，但必須注意此時(shí)泵的出口揚(yáng)程也將呈現(xiàn)2次方特性下降，為保障水流暢通，避免出現(xiàn)“悶泵”或“斷流”現(xiàn)象，泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)限定在一定值以上，這個(gè)下限轉(zhuǎn)速（對(duì)應(yīng)最低供給流量）可以通過對(duì)以下兩個(gè)方面的綜合判斷來決定。
(1)揚(yáng)程的富裕度判定
泵的出口揚(yáng)程等于泵的入口揚(yáng)程與泵的泵生揚(yáng)程之和，即：
H出=H靜+H動(dòng) （5）
其中,H靜為泵的入口靜壓;
在系統(tǒng)中表現(xiàn)為管網(wǎng)垂直落差高度形成的壓力;
H動(dòng)為泵的凈升揚(yáng)程，是泵的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能的形式，在額定轉(zhuǎn)速下H動(dòng)就是泵的標(biāo)稱額定揚(yáng)程。
對(duì)于冷凍循環(huán)水系統(tǒng)，H靜是相對(duì)固定值，H動(dòng)的作用就是要保證冷凍循環(huán)水在管網(wǎng)中能夠水流循環(huán)就可以了，為此，它主要是去消除水在管網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的阻力損失。假定泵的額定揚(yáng)程為32m，在額定流量下管網(wǎng)的阻力為0.15Kg，那么，該泵的揚(yáng)程富裕度高達(dá)50%，若采用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，根據(jù)公式(3)可知，泵只需要70%的額定轉(zhuǎn)速即可滿足此時(shí)揚(yáng)程需求，而此時(shí)泵的功率消耗僅約為額定值的35%。
(2)流量的富裕度判定
通常流量的富裕度的判斷是依據(jù)進(jìn)出水溫差作出的，假定對(duì)于冷凝器其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水允許溫差為5℃時(shí)，若實(shí)際進(jìn)出水溫差為3℃，那么，可以說單從溫差現(xiàn)象角度上看，冷凍循環(huán)水的實(shí)際需求量?jī)H為供給量的3℃/5℃=60%，在使用變頻調(diào)速時(shí)，泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速只要達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的60%即可滿足需求，此時(shí)泵的能耗僅約為額定能耗的22%。多余的供水量不僅浪費(fèi)能源，而且也由于熱交換的不充分原因而嚴(yán)重地削弱了系統(tǒng)的制冷效果。
通過以上的判定，若兩者對(duì)泵的下限轉(zhuǎn)速的計(jì)算結(jié)果不一致，為保障系統(tǒng)對(duì)流量和揚(yáng)程最低需求的同時(shí)滿足，泵的變頻速度控制依據(jù)應(yīng)選擇對(duì)應(yīng)頻率較大值作為此時(shí)的控制調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率下限。
4 中央空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析與改造方案構(gòu)造
在現(xiàn)代樓宇建筑物中，通常使用的中央空調(diào)系統(tǒng)（不包含蓄冷儲(chǔ)冰式、VRV系統(tǒng)末端制冷劑直接制冷系統(tǒng)等）一般其各項(xiàng)額定指標(biāo)為：冷凍循環(huán)水的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫度為：12℃/7℃，盤管風(fēng)機(jī)最大送風(fēng)溫差為：10℃～15℃（一般空氣進(jìn)出口溫差取8℃），冷卻循環(huán)水進(jìn)出水溫度差為：4℃～8℃，冷卻塔標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫差為：3℃～5℃，用于采暖的熱水進(jìn)出水溫度為：50℃/60℃。由于系統(tǒng)設(shè)備容量選型、不同季節(jié)、不同時(shí)間負(fù)荷變化等因素的影響，在實(shí)際投入運(yùn)行的中央空調(diào)系統(tǒng)基本上沒有與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)相一致的情況，大多數(shù)系統(tǒng)都不同程度存在著溫差偏小、揚(yáng)程過高、流量過大等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的存在再次為我們實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造提供了節(jié)能空間保障。
為便于具體分析，現(xiàn)以某省立醫(yī)院住院部的一套中央空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀為實(shí)例，對(duì)其各個(gè)部分進(jìn)行逐項(xiàng)分析。該醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)位于地下一樓，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局類同圖2所示，大樓地上高度為40m，冷卻塔位于地上15m高度。根據(jù)歷史記錄，空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間大致分布為：夏季供冷運(yùn)行5個(gè)月，平均每天運(yùn)行16h；冬季供熱運(yùn)行4個(gè)月，平均每天運(yùn)行18h；盤管風(fēng)機(jī)全年運(yùn)行9個(gè)月，平均每天運(yùn)行17h。為便于下面的計(jì)算，假定系統(tǒng)熱量需求在運(yùn)行期間均勻分布（實(shí)際系統(tǒng)在運(yùn)行期間負(fù)荷的服從類正態(tài)分布）。該醫(yī)院用電價(jià)格為0.8元/kWh。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)考察所獲得的數(shù)據(jù)如下：
4.1 中央空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)行運(yùn)行工況數(shù)據(jù)與分析
(1) 冷凍循環(huán)水系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析（共3臺(tái)電機(jī)水泵）
標(biāo)稱數(shù)據(jù)： a．電機(jī) 37kW 380V 50Hz △接法 72A 1470r/min
b．水泵 額定流量187m3/h 額定揚(yáng)程44m
運(yùn)行數(shù)據(jù)： 2臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流60A～64A，水泵運(yùn)行時(shí)出口壓力0.80～0.85MPa，冷凍循環(huán)水進(jìn)出水溫度：10℃/7℃。
冷凍循環(huán)水系統(tǒng)采用進(jìn)出水管道并聯(lián)形式工頻運(yùn)行，由于冷凍循環(huán)水管網(wǎng)最大高度落差為40m左右，管網(wǎng)在額定流量下阻力小于0.2Kg，故冷凍循環(huán)水泵出口處壓力只要能夠達(dá)到60m揚(yáng)程就可以滿足冷凍水循環(huán)的需要。由于冷凍循環(huán)水其落差靜壓為40m左右，所以，實(shí)際上在冷凍循環(huán)水泵僅需要提供20m左右的凈輸出揚(yáng)程即可滿足系統(tǒng)對(duì)揚(yáng)程的基本需求。對(duì)于額定揚(yáng)程為44m的冷凍循環(huán)水泵來說，其實(shí)際需要揚(yáng)程僅為其額定揚(yáng)程的45%。顯然，單從揚(yáng)程需求角度看可最大節(jié)約功率約為：Ph =70%。在另一方面也可以證明冷凍循環(huán)水泵的實(shí)際輸出流量過剩現(xiàn)象，當(dāng)前冷凍循環(huán)水進(jìn)出水溫度為： 10℃/7℃，對(duì)應(yīng)溫差ΔT1≈3.0℃，與冷凍循環(huán)水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫度參考值：12℃/7.0℃，其對(duì)應(yīng)溫差ΔT2=5℃相比，實(shí)際溫差約為標(biāo)準(zhǔn)允許溫差的60%，此時(shí)單從流量需求角度看可最大節(jié)約功率約為：PQ =78%。通過以上工況數(shù)據(jù)分析可知，該冷凍循環(huán)水泵在該工況點(diǎn)狀態(tài)下，最大可節(jié)約率約為（與額定值相比）：
Pmax=Umin（Ph ，PQ）= Umin（70% ，78%）= 70%
在此工況下工頻運(yùn)行實(shí)際消耗功率約為：
P工實(shí)=62A/72A×Pe =0.86×37kW≈32 (kW)
即工頻狀態(tài)下消耗功率僅約為其額定功率的86%。在該工況點(diǎn)下，實(shí)施變頻節(jié)能改造后可節(jié)約的功率約為(與工頻狀態(tài)相比)：P節(jié) =1-0.3/0.86≈65%。假定冷凍循環(huán)水在其運(yùn)行期間負(fù)荷時(shí)間變化服從線性均勻分布，對(duì)此負(fù)荷時(shí)間分布線性函數(shù)求積分，那么，冷凍循環(huán)水系統(tǒng)改造后平均節(jié)約功率可達(dá)41%。實(shí)際上由于系統(tǒng)在運(yùn)行期間其負(fù)荷的時(shí)間分布規(guī)律服從類似正態(tài)特性，所以，可以肯定地說改造后實(shí)際節(jié)能效果將大于41%。當(dāng)然，精確的系統(tǒng)節(jié)約率指標(biāo)還受到各負(fù)荷點(diǎn)分布規(guī)律和工頻狀態(tài)下的實(shí)際消耗功率、變頻控制系統(tǒng)效率、電機(jī)和水泵效率等因素的影響，在此就不再做進(jìn)一步的計(jì)算。實(shí)踐表明，按此方法獲得的節(jié)約率估算值一般與實(shí)際節(jié)約率值偏差小于5%。
正是因?yàn)閴毫εc流量的過剩作用使水流過速、熱交換溫差偏小，因此，可以通過降低冷凍循環(huán)水的總供應(yīng)流量來實(shí)現(xiàn)向標(biāo)準(zhǔn)溫差參考值靠近，從而達(dá)到節(jié)約能量的目的。在對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況考察時(shí)，不能夠簡(jiǎn)單地依據(jù)電機(jī)運(yùn)行電流的大小來判斷，若只簡(jiǎn)單地從冷凍循環(huán)水系統(tǒng)的電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流來看（額定電流為72A，實(shí)際運(yùn)行電流60A～64A），就會(huì)發(fā)出沒有多少節(jié)電空間的錯(cuò)誤判斷。總之，應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)數(shù)據(jù)做依據(jù)，利用變頻驅(qū)動(dòng)裝置，把系統(tǒng)富余的流量、揚(yáng)程節(jié)省下來，使系統(tǒng)工作在耗能最少的最佳工況下（揚(yáng)程和流量均無多余的狀態(tài)下），從而達(dá)到既滿足系統(tǒng)需求又使能耗最少的目的。
(2)熱水循環(huán)水系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析
標(biāo)稱數(shù)據(jù)： 同冷凍循環(huán)水泵（略）
運(yùn)行數(shù)據(jù)： 2臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流60A～64A，水泵運(yùn)行時(shí)出口壓力0.80～0.85MPa，蒸汽熱交換器進(jìn)出水溫度：55℃/60℃。
本案例系統(tǒng)冷凍循環(huán)水泵與熱水泵是共同使用的，因此，熱泵系統(tǒng)單從對(duì)揚(yáng)程的基本需求上可節(jié)約功率約為：Ph =70%。根據(jù)熱交換器實(shí)際溫差ΔT1=60℃-55℃≈5.0℃，與熱水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫度參考值：60℃/50℃，其對(duì)應(yīng)溫差ΔT2=10℃相比，實(shí)際溫差約為標(biāo)準(zhǔn)允許溫差的50%，此時(shí)單從流量需求角度看可最大節(jié)約功率約為：PQ =87%。因此該熱循環(huán)水泵在此工況點(diǎn)狀態(tài)下，最大可節(jié)約率約為（與額定值相比）：
Pmax=Umin（Ph ，PQ）= Umin（70% ，87%）= 70%
在此工況下工頻運(yùn)行實(shí)際消耗功率為：
P工實(shí)=62A/72A×Pe =0.86×37kW≈34 (kW)
即工頻狀態(tài)下消耗功率僅約為其額定功率的86%。那么，在該工況點(diǎn)下，實(shí)施變頻節(jié)能改造后可節(jié)約率約為(與工頻狀態(tài)相比)：P節(jié) =1-0.3/0.86≈65%。假定熱循環(huán)水負(fù)荷時(shí)間變化服從線性均勻分布，對(duì)此負(fù)荷分布的線性函數(shù)求積分，供熱循環(huán)水系統(tǒng)改造后平均節(jié)約功率約同樣可達(dá)41%。
(3)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析（共4臺(tái)電機(jī)水泵）
標(biāo)稱數(shù)據(jù)： a．電機(jī) 45KW 380V 50Hz △接法 83A 1480r/min
b．水泵 額定流量320m3/h 額定揚(yáng)程32m
運(yùn)行數(shù)據(jù)： 2臺(tái)運(yùn)行2臺(tái)備用，每臺(tái)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流：70A，泵運(yùn)行出口壓力0.25MPa～0.28MPa，冷卻水進(jìn)出水溫度：28℃/31℃。
冷卻循環(huán)水系統(tǒng)采用進(jìn)出水管道并聯(lián)形式工頻運(yùn)行，由于冷卻塔位于15m樓面平臺(tái)，冷卻塔與冷卻水泵垂直落差為15m+4m=19m，所以冷卻循環(huán)水系統(tǒng)靜壓約為：H靜≈0.20MPa，考慮到冷卻循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)阻尼和冷卻塔逆流冷卻所需要的噴射壓頭，實(shí)際冷卻循環(huán)水泵需要輸出揚(yáng)程應(yīng)小于0.25MPa， 即冷卻循環(huán)水泵需要凈輸出揚(yáng)程為：H動(dòng)<0.10MPa，僅為其額定揚(yáng)程的30%，顯然，單從揚(yáng)程需求上看其可節(jié)約功率約為：Ph =83%。再?gòu)睦鋮s循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)際需要流量的角度來分析，當(dāng)前冷卻循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)出水溫度為：28℃/31℃，其對(duì)應(yīng)溫差△T1≈3.0℃, 與冷卻循環(huán)水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫度參考值：30℃/35℃，其標(biāo)準(zhǔn)允許溫差△T2=5℃相比，實(shí)際溫差約為標(biāo)準(zhǔn)允許溫差的60%，同樣，但從流量需求角度，具有約為PQ =78%節(jié)約空間。綜合揚(yáng)程與流量的可節(jié)約空間，該冷卻循環(huán)水系統(tǒng)在該工況點(diǎn)下最大可獲得的節(jié)約率為（與其額定值相比）：
Pmax=Umin（Ph ，PQ）= Umin（83% ，78%）= 78%
在此工況下工頻運(yùn)行實(shí)際消耗功率為：
P工實(shí)=70A/83A×Pe =0.84×45kW≈38 (kW)
即工頻狀態(tài)下消耗功率僅約為其額定功率的84%。那么，在該工況點(diǎn)下，實(shí)施變頻節(jié)能改造后可節(jié)約率約為(與工頻狀態(tài)相比) P節(jié) =1-0.22/0.84≈74%。假定冷卻循環(huán)水負(fù)荷時(shí)間變化服從均勻分布，對(duì)此負(fù)荷分布線性函數(shù)求積分，那么，冷卻循環(huán)水系統(tǒng)改造后平均節(jié)約功率約可達(dá)46%。
(4) 冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析（共3套冷卻塔，每套2臺(tái)電機(jī)風(fēng)機(jī)）
標(biāo)稱數(shù)據(jù)：電機(jī) 7.5kW 380V 50Hz △接法 15A 2940r/min
風(fēng)機(jī) 額定風(fēng)量12000m3/h 額定風(fēng)壓800Pa
運(yùn)行數(shù)據(jù)： 2套運(yùn)行1套備用，由皮帶傳動(dòng)減速帶動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行電流約13A。
在15m樓面平臺(tái)上有3套相對(duì)獨(dú)立的冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，每套各有功率為 7.5kW的冷卻風(fēng)機(jī)2臺(tái)。采用直接啟動(dòng)方式下的工頻定速運(yùn)行。當(dāng)前2套4臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)均在運(yùn)行，系統(tǒng)缺少有效的冷卻效果檢測(cè)，沒有充分利用自然冷卻狀態(tài)下節(jié)約電能的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致冷卻塔風(fēng)機(jī)處于兩種極端狀態(tài)：要么全速運(yùn)轉(zhuǎn)、要么人工停止運(yùn)轉(zhuǎn)。尤其在自然環(huán)境溫度較低的春、秋、冬季，由于人工操作不能及時(shí)響應(yīng)冷卻塔出水溫度的變化而啟停風(fēng)機(jī)，造成因操作管理上帶來能量的極大浪費(fèi)現(xiàn)象。在改造時(shí)，對(duì)每套冷卻塔實(shí)施以進(jìn)水溫度35℃為風(fēng)機(jī)起始運(yùn)行點(diǎn)，以30℃為停止運(yùn)行點(diǎn)，在35℃～30℃溫度區(qū)間作為風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)依據(jù)，實(shí)行溫度PID變風(fēng)量調(diào)節(jié)。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，在變風(fēng)量控制方式下的能耗僅為工頻啟停控制方式的60%左右（以下僅按40%的節(jié)約率計(jì)算），況且變風(fēng)量控制完全規(guī)避了人工啟停工頻運(yùn)行方式下因操作無實(shí)時(shí)性或管理不完善造成的不必要能量浪費(fèi)現(xiàn)象。由于環(huán)境溫濕度和冷卻塔進(jìn)水溫度的不可精確預(yù)測(cè)性，所以，從嚴(yán)格意義上說，冷卻塔風(fēng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的準(zhǔn)確能耗也無法預(yù)測(cè)。但根據(jù)大量典型的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造案例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在成功的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造實(shí)現(xiàn)后，其冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能率均在40%以上，某些含有大容量冷卻塔蓄水池裝置的冷卻塔系統(tǒng)則可達(dá)到60%以上。
(5) 盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析（共40個(gè)病房，每房間1套盤管風(fēng)機(jī)）
標(biāo)稱數(shù)據(jù)： 電機(jī) 0.40kW 220V 50Hz △接法 2.4A 2960r/min
風(fēng)機(jī) 額定風(fēng)量1800m3/h
運(yùn)行數(shù)據(jù)：風(fēng)機(jī)采用高、中、低三速開關(guān)工頻供風(fēng)運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行電流：1.2A～2.3A，各房間實(shí)際溫度冬季在15℃～22℃之間不等，實(shí)際送風(fēng)量Q1≥1450 m3/h.，理想送風(fēng)量Q2≤950 m3/h。
盤管風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)屬于半集中式、空氣-水式系統(tǒng)，它主要由直接安裝在空調(diào)房間的盤管換熱器、新風(fēng)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、空氣過濾器、凝結(jié)水器等組成。盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是同時(shí)使用水和空氣作為室內(nèi)負(fù)荷熱量傳遞介質(zhì)的系統(tǒng)，但室內(nèi)大部分主要冷、熱負(fù)荷是由通過盤管中的冷媒水或熱媒水來承擔(dān)的，風(fēng)機(jī)主要只是負(fù)擔(dān)向室內(nèi)提供一定的新風(fēng)量，以滿足房間的衛(wèi)生換氣需求，因此，實(shí)際需求風(fēng)量不大，新風(fēng)管道尺寸也較小，應(yīng)用較為普遍。風(fēng)機(jī)運(yùn)行后可將室外干凈空氣通過空氣過濾器吸入機(jī)組，經(jīng)盤管冷卻或加熱后送入房間，在達(dá)到輸送新風(fēng)的同時(shí)，承擔(dān)一部分制冷或制熱負(fù)荷。
由于原盤管采用恒流量供水方式，而原新風(fēng)機(jī)由人工通過三檔調(diào)速開關(guān)工頻啟停控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行。原系統(tǒng)缺乏對(duì)房間溫度的直接自動(dòng)檢測(cè)與跟蹤控制，造成房間溫差變化較大，而且過量的新風(fēng)量加劇了房間的溫度波動(dòng)，存在嚴(yán)重的吹風(fēng)感覺，不僅浪費(fèi)冷量和風(fēng)量能源，也使房間舒適度降低。改造時(shí)通過加裝變頻器，依據(jù)房間溫度的波動(dòng)變化（通過對(duì)盤管的進(jìn)出水溫差的檢測(cè)）對(duì)流過盤管內(nèi)的冷熱媒水流量的實(shí)時(shí)控制，達(dá)到房間溫度恒定的目的。同時(shí)通過房間溫度的變化偏差大小來實(shí)行變頻變風(fēng)量（變化范圍為：700m3/h～1000m3/h之間）自動(dòng)調(diào)節(jié)速度控制。經(jīng)變風(fēng)量調(diào)節(jié)運(yùn)行測(cè)試，每房間日平均需求風(fēng)量約為改造前風(fēng)量的70%以下，在實(shí)施變風(fēng)量改造后，房間的溫度在冬季可穩(wěn)定控制在17℃±1℃，與工頻消耗電量相比，其日平均節(jié)約電能為80%，相當(dāng)其額定功率的60%以上。改造后房間的噪聲也明顯地得到了改善。
(6) 循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)的清洗
由于系統(tǒng)已運(yùn)行多年，為減少循環(huán)水在管網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)的總體阻尼損失，在項(xiàng)目改造完成后我們建議用戶對(duì)管網(wǎng)和熱交換器部件進(jìn)行清洗，以便獲得更大的節(jié)能效果。
需要注意的是，以上的節(jié)約功率的計(jì)算均是建立在對(duì)同一工況點(diǎn)上，工頻運(yùn)行時(shí)的實(shí)際消耗功率與變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)兩者之間的對(duì)比，而不是變頻運(yùn)行消耗功率與電機(jī)額定功率之比獲得的節(jié)電率。這一點(diǎn)很重要，否則會(huì)帶來實(shí)際節(jié)電效率與預(yù)測(cè)節(jié)電效率不相符合的結(jié)果，進(jìn)而導(dǎo)致投資收益預(yù)測(cè)的先天不足或失敗。由此，也應(yīng)該看到若要準(zhǔn)確地對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行期間的節(jié)電率作出正確的估算，就必須全面且充分地掌握和分析整個(gè)運(yùn)行周期的工頻運(yùn)行工況、歷史負(fù)荷變化分布規(guī)律、全年運(yùn)行時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)。片面或不完整的歷史數(shù)據(jù)依據(jù)，必然導(dǎo)致節(jié)能指標(biāo)預(yù)測(cè)的巨大偏差或失誤。
4.2 中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造控制系統(tǒng)的方案構(gòu)造
在對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，我們依據(jù)用戶的要求對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)部分做了一個(gè)集中式集成化全自動(dòng)無人監(jiān)守控制設(shè)計(jì)，同時(shí)，提供了與樓宇BAS控制系統(tǒng)相互通訊的串行接口。為最大限度地獲得節(jié)能效果，對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵的控制均采用了“一控一”的變頻控制方式，這雖然增加了一次性改造成本，但從長(zhǎng)期的投資收益效果角度看是值得的，具體的控制系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)如圖4所示。
(1) 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著安全可靠、充分滿足用戶使用習(xí)慣和維護(hù)方便性前提下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行。在圖4中，控制系統(tǒng)硬件主要由上位機(jī)IPC或人機(jī)界面HMI、PLC、變頻器、低壓電器、壓力變送器、溫度變送器、開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥等設(shè)備組成。其中，PLC、變頻器、低壓電器設(shè)備選用韓國(guó)LG公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，壓力變送器選用中美合資山東淄博先行測(cè)控儀表廠的產(chǎn)品，溫度變送器選用上海自動(dòng)化儀表四廠的產(chǎn)品，開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥由用戶提供。各主要部件功能為：
•PLC部件
它主要由電源模塊、CPU模塊、通訊模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、主機(jī)架、擴(kuò)展機(jī)架、連接電纜等組成。它是系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)的命令動(dòng)作的執(zhí)行與監(jiān)視、數(shù)值處理與計(jì)算、邏輯組合與判斷、通訊處理等功能；
•低壓電器
主要由接觸器、斷路器、熱繼電器、中間繼電器等設(shè)備組成。完成電氣主回路和控制回路的硬連接的功能，實(shí)現(xiàn)硬接線線路的可靠、正確連接；
•變頻器
接受來自PLC的控制命令和運(yùn)行頻率指令，實(shí)現(xiàn)變頻變壓輸出，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的；
•壓力/溫度變送器
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的循環(huán)水進(jìn)行壓力、溫度檢測(cè)，將這些工藝數(shù)值，變換為標(biāo)準(zhǔn)DC4～20mA標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)送到PLC模擬量輸入模塊進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值處理與計(jì)算；
•上位機(jī)IPC或人機(jī)界面HMI
上位機(jī)IPC由PC機(jī)和組態(tài)軟件構(gòu)成，它完成系統(tǒng)各工藝參數(shù)的設(shè)定、控制命令的發(fā)送、狀態(tài)監(jiān)視、過程數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警與故障報(bào)警、報(bào)表生成與打印等功能。若使用人機(jī)界面HMI來代替IPC不僅大多數(shù)功能可以實(shí)現(xiàn)，而且比較經(jīng)濟(jì)；
•開關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥
開關(guān)閥接受啟停接點(diǎn)信號(hào)去開啟或關(guān)閉管道的通路，是一種兩位狀態(tài)設(shè)備。調(diào)節(jié)閥接受PLC輸出的DC4～20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)完成對(duì)應(yīng)的開度變化，達(dá)到可連續(xù)調(diào)節(jié)管道開度的目的。
(a) 控制系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖1
(b)控制方案結(jié)構(gòu)圖2
圖4 控制系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖
4.2.2 控制系統(tǒng)軟件功能與實(shí)現(xiàn)
整個(gè)集成的控制系統(tǒng)軟件由兩個(gè)部分組成，即PLC軟件和上位機(jī)軟件，在PLC軟件中分別對(duì)各個(gè)部分做了詳盡的控制編程設(shè)計(jì)，按不同控制對(duì)象和作用將各部分軟件的主要功能描述如下。其他功能，諸如：手動(dòng)自動(dòng)方式選擇、變頻故障自動(dòng)更換備用泵或工頻自動(dòng)投運(yùn)、供冷和供熱循環(huán)方式選擇識(shí)別、故障與報(bào)警處理、負(fù)荷均衡輪值運(yùn)行等功能都做了仔細(xì)的設(shè)計(jì)，將不再逐項(xiàng)描述。
(1)冷凍循環(huán)水部分
冷凍循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行主要依據(jù)蒸發(fā)器的進(jìn)出水溫度差來決定流量的增加。在夏季供冷期間，當(dāng)進(jìn)出水溫度差小于標(biāo)準(zhǔn)允許溫差值時(shí)，應(yīng)減小變頻器的輸出頻率，即時(shí)降低水泵的運(yùn)行速度減少流量，使實(shí)際檢測(cè)溫差值逼近標(biāo)準(zhǔn)溫差允許值，但泵的速度減少時(shí)，應(yīng)考慮能夠保證冷凍循環(huán)水在管網(wǎng)中的順暢流動(dòng)，因此，應(yīng)設(shè)定一個(gè)對(duì)應(yīng)的泵的轉(zhuǎn)速低限（變頻器輸出頻率低限），在此速度下變頻器的輸出頻率將不再降低；相反，當(dāng)實(shí)際溫差大于標(biāo)準(zhǔn)溫差時(shí)，應(yīng)增加變頻器的輸出頻率，即提升泵的轉(zhuǎn)速增加水流量；當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到48Hz后(此時(shí)功率約為0.95Pe)，若實(shí)際溫差仍偏大時(shí)，就需要再投入另一臺(tái)泵變頻并行運(yùn)行，此時(shí)兩臺(tái)泵并行運(yùn)行的頻率初始給定值定為（50Hz/2）×1.1≈28Hz，此2臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)輸出的流量已大于單臺(tái)泵的流量，但此時(shí)2臺(tái)泵的累計(jì)消耗功率僅約為0.35 Pe，從這一點(diǎn)看，2臺(tái)同時(shí)變頻運(yùn)行要比1臺(tái)工頻加1臺(tái)變頻方式更能節(jié)約電能，因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)全部采用了“一控一”的方式，而沒有采用“一控多”的方式。在2臺(tái)泵根據(jù)溫差值以相同頻率同時(shí)升速或降速運(yùn)行時(shí)，若溫差仍偏大，則以相同的方式再投入第三臺(tái)變頻運(yùn)行。當(dāng)2臺(tái)或3臺(tái)泵同時(shí)變頻運(yùn)行且實(shí)際溫差比標(biāo)準(zhǔn)溫差小時(shí)，應(yīng)降低變頻器輸出頻率以減小泵的輸出流量，當(dāng)頻率減小到輸出頻率下限時(shí)（本系統(tǒng)設(shè)定為20Hz），若仍存在溫差偏大現(xiàn)象時(shí)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)停止最早投入運(yùn)行的1臺(tái)水泵（即按先入先出的調(diào)度策略實(shí)施增減泵的動(dòng)作），而不是繼續(xù)降低輸出轉(zhuǎn)速，剩下的泵再根據(jù)溫差偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)流量運(yùn)行。
(2)熱泵循環(huán)水部分
在冬季供給熱水時(shí)，熱泵將依據(jù)蒸汽熱交換器的實(shí)際進(jìn)出水溫差的大小來決定出水流量的大小，使出水溫度恒定在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值上。當(dāng)熱泵的流量調(diào)節(jié)能力達(dá)到泵的額定流量且進(jìn)出水溫度差仍然偏大時(shí)，可通過減小熱交換器的蒸汽調(diào)節(jié)閥來達(dá)到目的；若熱泵熱水的流量調(diào)節(jié)能力已經(jīng)減少到最低流量下限規(guī)定值且進(jìn)出水溫差仍偏小時(shí)，同樣可通過增加蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度來達(dá)到進(jìn)出水溫差值恒定的目的。這種通過附加調(diào)節(jié)蒸汽供給量的方法，不僅可以使溫差值控制更加穩(wěn)定、有效，而且也有利于對(duì)鍋爐供熱（供蒸汽）能源的節(jié)約。
(3)冷卻循環(huán)水部分
冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行原理與冷凍循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行原理基本一致，兩者本質(zhì)的差異在于：當(dāng)冷凝器進(jìn)出水溫差大于標(biāo)準(zhǔn)允許溫差時(shí)應(yīng)增加流量，正好與冷凍循環(huán)水的調(diào)節(jié)方向相反。具體的流量調(diào)節(jié)過程略。以基準(zhǔn)壓力需求為下限，以溫差值作反饋的閉環(huán)控制原理如圖5所示。
圖5 閉環(huán)調(diào)節(jié)控制原理圖
在圖5a中,以基準(zhǔn)壓力需求作為雙閉環(huán)的內(nèi)環(huán)來限定流量輸出調(diào)節(jié)的下限依據(jù)，以實(shí)際進(jìn)出水溫度差與標(biāo)準(zhǔn)允許溫差的偏差值作為外環(huán)來決定每次流量調(diào)節(jié)幅度的大小和單位時(shí)間內(nèi)流量調(diào)節(jié)頻度的依據(jù)。圖5b中，曲線AB表示單臺(tái)泵冷卻循環(huán)水流量變化與進(jìn)出水溫度偏差值的變化比例關(guān)系。
(4)冷卻塔風(fēng)機(jī)部分
冷卻塔風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行是根據(jù)冷卻塔實(shí)際出水溫度（假設(shè)為T0）是否滿足出水溫度設(shè)定值（T1=28℃）和冷卻塔的進(jìn)水溫度設(shè)定值（T2=32℃）的共同要求來決定的。為此將控制分為4種情況來決定風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方式：
•當(dāng)T0＜T1且T2≥32℃時(shí)，全部風(fēng)機(jī)以變頻器當(dāng)前輸出頻率方式運(yùn)轉(zhuǎn)。該狀態(tài)僅出現(xiàn)在對(duì)制冷機(jī)突加負(fù)載的過程中，在負(fù)載不再發(fā)生劇烈變換時(shí)，該狀態(tài)將發(fā)生遷移；
•當(dāng)T0＜T1且T2≤32℃時(shí)，全部冷卻塔風(fēng)機(jī)逐步減速到運(yùn)行頻率下限（20Hz），若該溫度現(xiàn)象仍然存在持續(xù)一段時(shí)間后，全部風(fēng)機(jī)將停止運(yùn)轉(zhuǎn)。此狀態(tài)多發(fā)生在環(huán)境溫度較低的冬季；
•當(dāng)T0≥T1且T2≥32℃時(shí)，全部風(fēng)機(jī)以變頻器最大輸出頻率（50Hz）方式額定速度運(yùn)行。若該溫度現(xiàn)象在全部風(fēng)機(jī)額定速度運(yùn)行一段時(shí)間后仍然存在，首先增加運(yùn)行的冷卻塔系統(tǒng)風(fēng)機(jī)套數(shù)，然后考慮適當(dāng)增加冷卻循環(huán)水的流量來解除此現(xiàn)象的持續(xù)存在，從而維持冷凝器安全運(yùn)行的需求；
•當(dāng)T0≥T1且T2＜32℃時(shí)，此現(xiàn)象多數(shù)是由狀態(tài)C遷移而來，首先應(yīng)適當(dāng)增加風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率（但一般不作增加開啟風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的處理），然后隨著冷卻水流量的增加該狀態(tài)將會(huì)自動(dòng)遷移到狀態(tài)b的情形，然后冷卻塔風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)將按狀態(tài)b的情形作變風(fēng)量調(diào)節(jié)運(yùn)行。
一般說來，出現(xiàn)T2≥32℃的情形多是因?yàn)槔淠髫?fù)荷的突然增加所致，需要冷卻循環(huán)水的冷卻水量和冷卻塔風(fēng)機(jī)的冷卻風(fēng)量的共同配合來完成，而T0≥T1的情形是由于前一段時(shí)間內(nèi)冷卻塔風(fēng)機(jī)的冷卻風(fēng)量不足造成的，需要適當(dāng)增加冷卻風(fēng)量來解決。
•盤管風(fēng)機(jī)部分
新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行主要依據(jù)房間溫度實(shí)際值與設(shè)定值之間的偏差大小來調(diào)節(jié)出風(fēng)量的變化范圍，應(yīng)用離散化快速型PID調(diào)節(jié)原理，構(gòu)造一個(gè)實(shí)時(shí)響應(yīng)、快速跟蹤變化的閉環(huán)溫度控制算法，在保證溫度基本恒定目的的同時(shí)，最大限度地實(shí)現(xiàn)房間新風(fēng)量的供應(yīng)。由于溫度的變化存在時(shí)滯性特點(diǎn)，在閉環(huán)控制中加入了對(duì)溫度變化趨勢(shì)的前饋補(bǔ)償控制算法，對(duì)逼近設(shè)定值附近（ΔT＜±0.2℃)的溫差區(qū)域不進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。
•PLC通訊程序
主要接受來自上位機(jī)IPC或人機(jī)界面HMI的各種啟停控制命令、工藝參數(shù)設(shè)定值、運(yùn)行方式選擇命令等，同時(shí)向上位機(jī)IPC或人機(jī)界面HMI傳送執(zhí)行元件的工作狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度/壓力測(cè)量值等，通過準(zhǔn)確高速、穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)各個(gè)部分的實(shí)時(shí)監(jiān)督與控制功能。
•上位機(jī)組態(tài)軟件監(jiān)控應(yīng)用程序（使用HMI方式時(shí)僅具備某些基本功能）
上位機(jī)監(jiān)控軟件采用組態(tài)王256點(diǎn)組態(tài)開發(fā)運(yùn)行軟件平臺(tái)，監(jiān)控畫面主要完成：冷凍循環(huán)水泵進(jìn)出口壓力值和溫度、熱泵循環(huán)水進(jìn)出口壓力和設(shè)定值、冷卻循環(huán)水進(jìn)出口壓力和溫度設(shè)定值、冷卻塔進(jìn)出水溫度值、盤管風(fēng)機(jī)進(jìn)出口溫度和房間溫度等參數(shù)的設(shè)置，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、工藝過程參數(shù)（溫度、壓力的測(cè)量值）的實(shí)時(shí)記錄與顯示、報(bào)警記錄與歷史數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表生成管理與數(shù)據(jù)日志打印等功能。
4.2.3 控制系統(tǒng)與樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)BAS的集成
為與樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)BAS相集成，不僅在對(duì)PLC硬件設(shè)計(jì)時(shí)單獨(dú)設(shè)立了一個(gè)串行通訊接口，而且，我們也將PLC采集的各種過程工藝參數(shù)（包含接點(diǎn)型狀態(tài)和模擬量數(shù)值狀態(tài)參數(shù)）全部集中映射存放在一個(gè)內(nèi)存區(qū)域，以便BAS調(diào)用監(jiān)視，同時(shí)在PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)把BAS可能要發(fā)送的控制命令也嵌入到程序指令中去，以便將來可以順利地接入運(yùn)行。
5 變頻節(jié)能改造效果估算與投資收益分析
5.1 控制系統(tǒng)節(jié)能改造收益估算
依據(jù)第4節(jié)的分析結(jié)論和用戶提供的各個(gè)泵、風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間分布記錄數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)各個(gè)部分年節(jié)電率收益估算如下：
(1)冷凍循環(huán)水系統(tǒng)年節(jié)電收益估算
根據(jù)改造前運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)表明，冷凍循環(huán)水系統(tǒng)在其運(yùn)行期間（5個(gè)月，16h/天），2臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占75%（折合為1800h），僅1臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占15%（折合為360h），3臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占10%（折合為240h），由平均節(jié)電率為41%可知，改造后可節(jié)約電量約為：
ΔW1= 41%×37kW×（1臺(tái)×360h+2臺(tái)×1800h+3臺(tái)×240h）≈7.1萬kWh
若按0.80元/kWh計(jì)算，那么，冷凍循環(huán)水系統(tǒng)全年可節(jié)約電費(fèi)約為：
ΔM1= 7.1萬kWh×0.8元/kWh≈5.7萬元
(2)熱泵循環(huán)水系統(tǒng)年節(jié)電收益估算
根據(jù)改造前運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)表明，熱泵循環(huán)水系統(tǒng)在其運(yùn)行期間（4個(gè)月，18h/天），2臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占75%（折合為1620h），僅1臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占15%（折合為324h），3臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占10%（折合為216h），由平均節(jié)電率為41%可知，改造后可節(jié)約電量約為：
ΔW2= 41%×37kW×（1臺(tái)×324h+2臺(tái)×1620h+3臺(tái)×216h）≈6.4萬kWh
若按0.80元/kWh計(jì)算，那么，熱泵循環(huán)水系統(tǒng)全年可節(jié)約電費(fèi)約為：
ΔM2= 6.4萬kWh×0.8元/kWh≈5.1萬元
(3)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)年節(jié)電收益估算
根據(jù)改造前運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)表明，冷卻循環(huán)水系統(tǒng)在其運(yùn)行期間（5個(gè)月，16h/天），2臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占60%（折合為1440h），僅1臺(tái)泵或4臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約各占10%（折合為240h），3臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占20%（折合為480h），由平均節(jié)電率為46%可知，改造后可節(jié)約電量約為：
ΔW3= 46%×45kW×（1臺(tái)×240h+2臺(tái)×1440h+3臺(tái)×480h+4臺(tái)×240h）
=20.7×5520≈11.4萬kWh
若按0.80元/kWh計(jì)算，那么，冷卻循環(huán)水系統(tǒng)全年可節(jié)約電費(fèi)約為：
ΔM3= 11.4萬kWh×0.8元/kWh≈9.1萬元
(4)冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)年節(jié)電收益估算
根據(jù)改造前運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)表明，冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在其運(yùn)行期間（5個(gè)月，16h/天），2套風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約占80%（折合為1920h），僅1套風(fēng)機(jī)或3套風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約各占10%（折合為240h），由平均節(jié)電率為40%可知，改造后可節(jié)約電量約為：
ΔW4= 40%×15kW×（1套×240h+2套×1920h+3套×240h）≈2.9萬kWh
若按0.80元/kWh計(jì)算，那么，冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)全年可節(jié)約電費(fèi)約為：
ΔM4= 2.9萬kWh×0.8元/kWh≈2.3萬元
(5)盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)年節(jié)電收益估算
根據(jù)改造前運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)表明，盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)全年運(yùn)行約9個(gè)月，17h/天。由平均節(jié)電率為45%可知， 1套盤管風(fēng)機(jī)改造后全年可節(jié)約電量約為：
ΔW5= 60%×0.4kW×4590h≈1100kW
若按0.80元/kWh計(jì)算，那么，1套盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)全年可節(jié)約電費(fèi)約為：
ΔN5= 1100kWh×0.8元/kWh≈880元
因此，全部40套盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造后全年可節(jié)約電費(fèi)為：
ΔM5= 40套×880元≈3.5萬元
綜合以上5項(xiàng)節(jié)約電費(fèi)數(shù)據(jù)，我們可以得出這樣的結(jié)論：中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行變頻控制系統(tǒng)節(jié)能改造后每年可以節(jié)約電費(fèi)總計(jì)約為：25.7萬元。
5.2 控制系統(tǒng)改造投資成本估算
中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能技術(shù)改造費(fèi)用主要由硬件設(shè)備費(fèi)用、軟件程序費(fèi)用、工程服務(wù)費(fèi)用等部分組成。在本次節(jié)能改造中，自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本如表1所示，即節(jié)能改造總費(fèi)用約為47萬元。
表1 節(jié)能改造控制系統(tǒng)成本直接費(fèi)構(gòu)成表
由于本次節(jié)能改造所涉及的電機(jī)總功率數(shù)應(yīng)為：Ptotal=37kW×3+45kW×4+7.5kW×6+0.4kW×60=350kW
則：每千瓦功率節(jié)能改造費(fèi)用約為：1300元/kW，每千瓦全年節(jié)約電費(fèi)約為：734元/kW。
5.3 控制系統(tǒng)改造投資收益估算
由以上計(jì)算可知，欲對(duì)該套中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造需投入改造費(fèi)用約47萬元，改造后每年可節(jié)約電費(fèi)約25萬元，以三年投資收益期計(jì)算，那么，其投資收益率將達(dá)到50%以上，投資回報(bào)率顯著。
6 結(jié)束語
目前，中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造工程項(xiàng)目市場(chǎng)分布不僅廣泛，而且數(shù)量眾多，這為進(jìn)行節(jié)能改造市場(chǎng)化應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)前提。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)顯示，在業(yè)已投入運(yùn)行的中央空調(diào)系統(tǒng)中，至少有70%以上未進(jìn)行過任何形式的節(jié)能優(yōu)化改造，而且普遍具有很好的節(jié)能挖掘潛力空間（一般都有30%以上的可挖掘節(jié)能空間）。大力推廣與實(shí)施應(yīng)用中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)，不僅具有很好的經(jīng)濟(jì)效益回報(bào)，而且也有力地推動(dòng)了全社會(huì)對(duì)能源有效利用率認(rèn)識(shí)的提高。它也將可能給風(fēng)險(xiǎn)資本投資運(yùn)作在該類型節(jié)能改造工程項(xiàng)目上開辟出一條新的方向。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
王宏巖（1968～）電氣工程師/學(xué)士1991年畢業(yè)于安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)，現(xiàn)任職于上海三信自動(dòng)化工程有限公司，主要從事自動(dòng)化控制系統(tǒng)方案論證、系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與調(diào)試、軟件開發(fā)及變頻器應(yīng)用技術(shù)推廣普及等工作。
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