中央空調循環水系統節電方案

一、概述：
在中央空調系統中，冷凍水泵和冷卻水泵的容量是根據建筑物最大設計熱負荷選定的，且留有一定的設計余量。在沒有使用調速的系統中，水泵一年四季在工頻狀態下全速運行，只好采用節流或回流的方式來調節流量，產生大量的節流或回流損失，且對水泵電機而言，由于它是在工頻下全速運行，因此造成了能量的大大浪費。由于四季的變化，陰晴雨雪及白天與黑夜時，外界溫度不同，使得中央空調的熱負荷在絕大部分時間里遠比設計負荷低。也就是說，中央空調實際大部分時間運行在低負荷狀態下。據統計，67%的工程設計熱負荷值為94-165W/m2，而實際上83%的工程熱負荷只有58-93 W/m2，滿負荷運行時間每年不超過10-20小時。實踐證明，在中央空調的循環系統(冷卻泵和冷凍泵)中接入變頻系統，利用變頻技術改變電機轉速來調節流量和壓力的變化用來取代閥門控制流量，能取得明顯的節能效果。

二、節能原理：
由流體傳輸設備水泵、風機的工作原理可知：水泵、風機的流量（風量）與其轉速成正比；水泵、風機的壓力（揚程）與其轉速的平方成正比，而水泵、風機的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風機的軸功率與其轉速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）根據上述原理可知：降低水泵、風機的轉速就，水泵、風機的功率可以下降得更多。例如:將供電頻率由50Hz降為45Hz，則P45/P50=(45/50)3=0.729，即P45=0.729P50（P為電機軸功率）；將供電頻率由50Hz降為40Hz，則P40/P50=(40/50)3=0.512，即P40=0.512P50（P為電機軸功率）。 由以上內容可以看出，用變頻器進行流量（風量）控制時，可節約大量電能。中央空調系統在設計時是按現場最大冷量需求量來考慮的，其冷卻泵，冷凍泵按單臺設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下。而用閥門、自動閥調節不僅增大了系統節流損失，而且由于對空調的調節是階段性的，造成整個空調系統工作在波動狀態；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，還可實現自動控制，并可通過變頻節能收回投資。同時變頻器的軟啟動功能及平滑調速的特點可實現對系統的平穩調節，使系統工作狀態穩定，并延長機組及網管的使用壽命。因此，隨熱負荷而改變水量的變流量空調水系統顯示了巨大的優越性，因而得到越來越廣泛的應用，采用SPWM變頻器調節泵的轉速，可以方便地調節水的流量，根據負荷變化的反饋信號經PID調節與變頻器組成閉環控制系統，使泵的轉速隨負荷變化，這樣就可以實現節能，其節能率通常都在20%以上。改造的節電率與用戶的使用情況密切相關，一般情況下，春、秋兩季運行節電率較高，可達40%以上，夏季由于用戶本身需要的電能就大，可節省的空間有限，一般在20%左右。

三、節能方案說明：
1、 中央空調系統機組中有冷卻水系統和冷凍水系統。我們可對冷卻水系統和冷凍水系統進行節能改造。中央空調實際運行時，冷卻水系統和冷凍水系統的進、出水溫差（△T）約為2℃，根據：冷凍水、冷卻水帶走的熱量（r）_= 流量(Q)×溫差（△T）我們可以適當提高溫差（△T），降低流量(Q)，也即降低轉速，即可達到節能的目的。中央空調系統變頻改造的原理示意圖如下：
2、 冷凍水系統：由于低溫冷凍水溫度取決于蒸發器的運行參數（冷凍水出水溫度為12℃），只需控制高溫冷凍水（回水）的溫度，即可控制溫差，現采用溫度傳感器、PID調節器和變頻器組成閉環控制系統，冷凍水回水溫度控制在T1（例如17℃），使冷凍水泵的轉速相應于負載的變化而變化。
3、 冷卻水系統：取冷凝器兩側冷卻水的溫度作為控制參數，采用溫度傳感器、PID溫差調節器和變頻器及冷卻水泵組成閉環控制系統，冷卻水溫差控制在△T2（例如：5℃），使冷卻水泵的轉速相應于熱負載的變化而變化，而冷卻水的溫差保持在設定值不變，使系統在滿足主機工況不變條件下，冷卻水泵系統節能最大。
4、控制方式：
1）、冷凍水系統在出/回水管路上裝有溫度變送器，變送器輸出的4-20mA信號輸入中央控制單元進行溫差處理，再將溫差信號轉換為4-20mA信號輸入PID控制器，實現全過程的閉環自動調節，當溫差變大、偏離定值時，變頻泵會自動加速，使出/回水溫差往定值靠近；反之，當出/回水溫差下降，變頻泵自動減速。如果由于使回水溫度上升過高，超出溫差設定范圍，變頻泵頻率升至上限，而回水溫度仍在上限，中央控制單元發出加泵指令，變頻泵會自動切換至工頻運行，變頻器再去軟啟第二臺泵。如果變頻泵頻率至下限，而回水溫度同時在下限，中央控制單元會發出減泵指令，減泵按“先開先停”的原則，直至1臺泵變頻運行；
2）、冷卻水系統與冷凍水系統控制方式相反；
3）、運行臺數在1-3臺間變化，可采用自動加/減泵方法，即根據實際負荷大小，自動加/減泵(PLC控制)；也可采用根據警告手動開/停泵。
4）、當變頻器故障跳閘，在自動模式下，會自動切換到工頻運行，同時給出報警信號。在手動模式下，給出報警信號，手動切換工頻或開啟另一臺泵。
5）、1臺變頻器可分別拖動多臺泵，可自動輪換，也可人為輪換。

四、中央空調系統經變頻改造后的性能
（1）采用變頻器閉環控制，可按需要進行軟件組態并設定溫度進行PID調節，使電機輸出功率隨熱負載的變化而變化，在滿足使用要求的前提下達到最大限度的節能。
（2）由于降速運行和軟啟動，減少了振動、噪音和磨損，延長了設備維修周期和使用壽命，提高了設備的MTBF（平均故障維修時間）值，并減少了對電網沖擊，提高了系統的可靠性。
（3）系統具有各種保護措施，使系統的運轉率和安全可靠性大大提高。
（4）變頻調速閉環控制系統與原工頻控制系統互為互鎖，不影響原系統的運行，且在變頻調速閉環控制系統檢修或故障時，原工頻控制系統照樣可以正常運行。

五、 投資回報率分析：
1. 系統改造后以平均節電率32%，年運行時間3000小時，每度電費0.55元計算：每千瓦年節電528.00元。
2. 投資成本：每千瓦投資約700元。
3. 每千瓦節電投資回報率 = 528.00 ÷ 700.00= 0.75
4. 投資回報周期 = 12（個月） ÷ 0.75
= 12 ÷0.75
= 16（個月）