摘要介绍了变频技术调节空调系统水流量和风量实现节能控制的原理, 给出了实现方法和运行策略与规则, 并介绍了进行变频节能改造的工程实例。
         关键词     空调系统     调压调频   变流量系统     变风量系统      节能
         1 引言
        传统空调系统节能, 主要是根据冷( 热) 量的需求, 来控制空调主机运行的台数( 步进式) 和启停时间段, 同时可以控制冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机运行的台数和启停时间段, 满足负荷的变化。这种步进式变流量运行在一定程度上可以实现节能的目的, 但不能实现连续的变流量控制, 存在进一步节能的空间。图1 为某办公楼空调系统图。
        以上步进式节能方式是受传统观念和技术局限性的制约而形成的。其中空调主机冷热水流量在主机侧是否允许变流量运行, 是一个认识上和技术上的关键点。传统观点认为空调主机的水流量必须是定流量运行。近几年来, 工程技术的开拓者们根据压缩式冷水机组和吸收式冷冻水机组的技术指标, 使冷冻水供水流量允许在一定范围内变化, 因此尝试了冷冻水变流量运行并获得了成功, 节能效果得到大幅度提高[ 1、2]。
        2 变频调节节能原理
        2 . 1 恒转矩负载节能原理
        压缩式冷水机组属于恒转矩负载, 其特点是在拖动电动机的不同转速下, 负载的阻转矩TL基本恒定,即TL = 常数。负载的功率PL和转矩TL、转速n 之间的关系式为: PL = TL n / 9 550。假设转速为n1 、n2时, 消耗功率为P1、P2 , 可得: P1 / P2 = n1 / n2 。通用变频器一般采用V/ f 控制( 电压与频率成比率调节, 保证电动机磁通保持不变) , 即变压变频( VVVF)方式调速。而异步交流电动机转速与频率的关系为:n =60 ×f/p
×( 1 - s)
式中: n——— 电动机转速, r / min;
f——— 电源频率, Hz;
p——— 电动机磁极对数;
s——— 电动机运行滑差。
         在p、s 不变的情况下: P1 / P2 = f1 / f2, 因此降低压缩式冷水机组的电动机频率可以节约电能, 节约比率与频率的一次方成正比。
         2. 2 二次方率负载节能原理
         水泵与风机属于二次方率负载, 其负载的阻转矩TL和转速nL的二次方成正比, 即TL= KT n2L, 式中KT为二次方率负载的转矩常数。负载的功率PL与转速nL的关系式为: PL =TL nL / 9 550 = KT n3L 。假设频率为f1时, 消耗功率为P1; 频率为f2时, 消耗功率为P2。可以得到: P1 / P2 = f 31 / f 32 。
         实测变频功率与频率3次方关系如图2 所示( 其中R2 反映线性回归的关系, 越接近于1 越线性相关) , 可见实测数据与理论分析是一致的。
        3 空调系统变频节能原理
        3 . 1 中央空调主机变频节能原理
        制冷机组的{zd0}设计制冷量与空调系统中{zd0}可能需冷量相匹配。而中央空调系统{zd0}冷负荷在全年出现的时间不足1%。因此采用变频调速的方法改变离心式、螺杆式冷水机组的转速, 使其实际制冷量与实际需冷量( 通过检测冷水机组供水温度与设定值比较) 相匹配,来达到调冷负荷变化时的节能运行。当压缩机运行频率由50 Hz 下降到40 Hz 时, 节约电能约20%。
        3. 2 冷冻水( 或冷却水) 系统变频( 流量) 节能原理
        对冷冻水泵加装容量相匹配的变频器, 在保障空调主机冷冻水供水温度( 典型值为7℃) 的前提下, 检测冷冻水回水温度( 典型值为12℃) , 将冷冻水供回水实测温差与温差设定值( 典型值为5℃) 进行比较得到偏差e 和偏差变化率ec , 将比较结果送入模糊控制器进行运算, 实时调整变频器运行频率, 使温差实测值趋近于设定值。
         对冷却水泵加装容量相匹配的变频器, 在保障空调主机冷却水进水温度( 典型值为32℃) 的前提下, 检测冷却水出水温度( 典型值为37℃) , 将冷却水进出水实测温差与温差设定值( 典型值为5℃) 进行比较得到偏差e 和偏差变化率ec , 将比较结果送入模糊控制器进行运算, 实时调整变频器运行频率, 使温差实测值趋近于设定值。当检测到冷冻水供回水( 冷却水进出水) 温差高于设定值时, 意味着空调负荷加重, 变频器调节频率升高, 加大冷冻水( 冷却水) 供水流量, 满足空调负荷需要以后, 冷冻水供回水( 冷却水进出水) 温差将降至设定值; 当检测到冷冻水供回水( 冷却水进出水) 温差低于设定值时, 意味着空调负荷减轻, 变频器调节频率降低,减小冷冻水( 冷却水) 供水流量, 满足空调负荷需要以后, 冷冻水供回水( 冷却水进出水) 温差将升至设定值。节能原理如图3 所示。
        冷冻水压差传感器( 如图1 安装于分水器和集水器)检测供回水总管的压差, 主要起保护功能, 当压差超过一定值时, 控制压差调节阀的开度, 保证系统安全运行。当冷冻水( 冷却水) 泵运行频率由50 Hz 下降到30 Hz 时, 节约电能约75%, 效果明显。当多台同型号冷冻水( 或冷却水) 泵同时运行时, 所有水泵保持相同频率运行, 可以达到{zj0}节能效果[3]。
         3 . 3 冷却塔风机变频( 流量) 节能原理
        由于冷却塔风机的功率一般较小( ≤10 kW) , 常采用一台或两台( 考虑检修) 变频器拖动2 ～5 台冷却塔风机。检测冷却水进水温度与设定值( 典型值为32℃) , 进行比较, 计算出冷却水进水温度实测值与设定值的偏差e 和偏差变化率ec , 将比较结果送入模糊控制器进行运算, 实时调整变频器运行频率, 使冷却水进水温度实测值趋近于设定值。节能原理见图4 。
        当冷却塔风机运行频率由50 Hz 下降到30 Hz时, 节约电能约75%, 效果明显。当多台同型号冷却塔风机同时运行时, 所有风机保持相同频率运行,可以达到{zj0}节能效果[3]。
         3. 4 送风机变频( 风量) 节能原理
         变风量空调系统VAV 是属于全空气空调系统的一种空调方式, 通过向空调房间输送所需数量的、经过温湿、净化处理的空气, 并且当室内负荷变化时,用改变送风量的方法维持室内所需要的温度和湿度。节能原理如图5 所示[ 4、5]。
       送风量可按G = Q / [ cp ( tn - to) ] 来确定( G 为送风量, Q 为空调房间室内负荷, Cp 为空气定压比热容, tn、to 为室内空气温度和送风温度) 。由于送风机能耗与送风机风量约成三次方关系, 因此降低送风量能耗节约明显, 一般设定温差tn- to 尽可能大, 如夏季送风温度设定为机器温度, 以达到高温差低风量节能的目的。当送风机频率由50 Hz 下降到30 Hz 时, 节约电能约75%, 效果明显。
         4 空调系统变频节能运行策略与规则
         4 . 1 安全运行规则
        作为变频节能控制系统应将各子系统运行的安全性和可靠性放在xx, 因为每个子系统的故障都会影响空调系统的运行, 而且系统设备昂贵, 更不能出现由于变频损坏设备的现象。
        中央空调主机是应受到重点保护的对象, 其一是运行工况必须满足中央空调主机的要求, 应在空调主机允许的范围内进行。如某工程2004 年完工, 采用的是麦克维尔制冷机组, 机组性能在额定流量75 %以下时, 机组出力特性明显降低, 因此流量允许调整范围为75% ～{bfb}; 频率变化允许值为2%/min, 流速变化范围为0 . 91 ～3 m/s。其二是保护措施必须有效和严格控制设置参数范围: ①制冷机组供水温度典型值为7℃, 不宜过低, 可以升高为9 ～10℃, 不会影响空调系统舒适度, 但可大幅度节约空调主机消耗的能源; 温水供水温度设置值选取在45 ～50℃, 不宜过高, 可以有效节能; 供回水温差设置的典型值为5℃, 可以在5 ～8℃ 之间选择, 提倡大温差、小流量运行, 避免小温差、大流量运行。
②冷却水进水温度典型值为32℃, 不宜升高, 可以在24 ～32℃之间选择, 可以通过实际运行试验选取合适的冷却水进水温度以使空调主机保持较高COP( 性能系数) 值。进出口温差典型值为5℃。③各类变频器运行频率的上限值设置为50Hz, 下限频率设置为30Hz, {zd1}不低于25 Hz。一方面保证系统安全,另一方面避免多种设备在过低频运行时性能参数降低。
         4. 2 整体{zy}运行规则
         将空调系统( 含水系统和风系统) 看作是一个完整的系统, 而其组成部分看作是子系统去全面考虑系统控制和系统节能是必要的。这样就不会在强调某一个侧面时, 忽略了其他方面给系统运行带来的不利影响。如果仅考虑空调水系统的节能, 由图6 螺杆式冷水机组冷水温度的变化对COP 的影响图可知, 若选定冷水出口温度为5℃ 的机组, 当运行为7℃ 时, 其性能系数COP 约提高了4 . 5%, 随着冷水出口温度的提高, 性能系数COP 成比例提高。
        如果仅考虑空调风系统的节能, 由送风量公式G = Q / [ cp ( tn - to) ] 可知, 随着空调水系统冷冻水温度的提高, 送风温度to 也成比例提高( 假设冷热水盘管热量传输效率不变) , 温差tn- to 减小, 送风量G 升高, 风机能耗随之升高。
        因此制冷机组冷水出口温度提高带来两种矛盾的结果, 即制冷机组能耗降低与风机能耗提高( 其具体数值需根据不同的工程实际, 按照各子系统设备的性能指标来测算) 。因此需要综合考虑各子系统控制和节能, 设定各子系统之间联系参量( 如水系统与风系统的循环水温度) {zy}值, 以达到空调系统的整体{zy}控制和节能。
        5 空调系统变频节能改造实例
        表1 为某办公楼空调水系统变频节能改造情况,
        表2 为某办公楼空调风系统变频节能改造情况。
         6 结论
        通过分项计量统计, 该办公楼2005 年度与2006年度空调耗电量对比见表3。按每kW·h 电费1 元计算,该办公楼空调系统改造前年运行费用为182. 12 万元, 通过变频节能改造后, 空调系统年运行费用为119. 72 万元, 年节约34. 3%, 可见变频节能效果显著。

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