CHF100變頻器用于中央空調節(jié)能改造
█ 前言
中央空調是現(xiàn)代大廈物業(yè)、賓館、商場不可缺少的設施，它能帶給人們四季如春，溫馨舒適的每一天，由于中央空調功率大，耗能大，加上設計上存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，支付中央空調所用電費是用戶一項巨大的開支。因為季節(jié)的變化、晝夜的變化、賓館酒樓客人入住率的變化、娛樂場所開放時間的變化等等，從而導致中央空調系統(tǒng)對室內熱源吸收量的變化，再加之工藝設計上電機功率設計有相當?shù)母辉Ａ浚虼耍嬖诿黠@的節(jié)電空間。將變頻技術引入中央空調系統(tǒng)，保持室內恒溫，對其進行的節(jié)能改造是降本增效的一條捷徑。
█ 中央空調系統(tǒng)
圖1所示為一典型中央空調機組系統(tǒng)圖，主要由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及主機三部分組成：
● 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)
該部分由冷凍泵、室內風機及冷凍水管道等組成。從主機蒸發(fā)器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道（出水），進入室內進行熱交換，帶走房間內的熱量，最后回到主機蒸發(fā)器（回水）。室內風機用于將空氣吹過冷凍水管道，降低空氣溫度，加速室內熱交換。
● 冷卻水循環(huán)部分
該部分由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等組成。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進行室內熱交換的同時，必將帶走室內大量的熱能。該熱能通過主機內的冷媒傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔（出水），使之與大氣進行熱交換，降低溫度后再送回主機冷凝器（回水）。
● 主機
主機部分由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器及冷媒（制冷劑）等組成，其工作循環(huán)過程如下：
首先低壓氣態(tài)冷媒被壓縮機加壓進入冷凝器并逐漸冷凝成高壓液體。在冷凝過程中冷媒會釋放出大量熱能，這部分熱能被冷凝器中的冷卻水吸收并送到室外的冷卻塔上，最終釋放到大氣中去。隨后冷凝器中的高壓液態(tài)冷媒在流經蒸發(fā)器前的節(jié)流降壓裝置時，因為壓力的突變而氣化，形成氣液混合物進入蒸發(fā)器。冷媒在蒸發(fā)器中不斷氣化，同時會吸收冷凍水中的熱量使其達到較低溫度。最后，蒸發(fā)器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體，重新進入了壓縮機，如此循環(huán)往復。
█節(jié)能理論
● 中央空調節(jié)能改造前的工況
在中央空調系統(tǒng)設計時，冷凍泵、冷卻泵的電機容量是根據建筑物的最大設計熱負荷選定的，都留有一定設計余量。由于四季氣候及晝夜溫差變化，中央空調工作時的熱負荷總是不斷變化。下圖2為一民用建筑物的平均熱負荷情況：
如上圖所示，該中央空調一年中負荷率在50%以下的時間超過了全部運行時間的50%。通常冷卻水管路的設計溫差為5～6℃，而實際應用表明大部分時間里冷卻水管路的溫差僅為2～4℃，這說明制冷所需的冷凍水、冷卻水流量通常都低于設計流量，這樣就形成了中央空調低溫差、低負荷、大工作流量的工況。
在沒有使用節(jié)能系統(tǒng)前，工頻供電下的水泵始終全速運行，管道中的供水流量只能通過閥門或回流方式調節(jié)，這必會產生大量的節(jié)流及回流損失，同時也增加了電機的負荷，白白消耗了許多電能。
中央空調水泵電機的耗電量約占中央空調系統(tǒng)總耗電量的30-40%，故對其進行節(jié)能改造具有很明顯的節(jié)能效果。
● 節(jié)能理論根據
由流體力學理論可知，離心式流體傳輸設備（如離心式水泵、風機等）的輸出流量Q與其轉速n成正比；輸出壓力P（揚程）與其轉速n的平方成正比；輸出功率N與其轉速n的三次方成正比，用數(shù)學公式可表示為：
Q ＝ K1 × n
P ＝ K2 × n2
N ＝ Q × P ＝ K3 × n3 (K1、 K2 、K3為比例常數(shù))
由上述原理可知，降低水泵的轉速，水泵的輸出功率就可以下降更多。如將電機的供電頻率由50Hz降為40Hz，則理論上，低頻40Hz與高頻50Hz的輸出功率之比為(40/50)3=0.512。
實踐證明，在中央空調系統(tǒng)中接入變頻節(jié)能系統(tǒng)，利用變頻技術改變水泵轉速來調節(jié)管道中的流量，以取代閥門調節(jié)及回流方式，能取得明顯的節(jié)能效果，一般節(jié)電率都在30％以上。同時變頻器的軟啟動功能及平滑調速的特點可實現(xiàn)對中央空調的平穩(wěn)調節(jié)，并可延長機組及管組的使用壽命。
█ 節(jié)能方案分析
中央空調各循環(huán)水系統(tǒng)的回水與出水溫度之差，反映了整個系統(tǒng)需要進行的熱交換量。因此，根據回水與出水的溫度差來控制循環(huán)水的流量，從而控制熱交換的速度，是首選的節(jié)能控制方法。
● 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)
冷凍水的出水溫度是由主機的制冷效果決定的，通常比較穩(wěn)定，因此冷凍回水溫度可以準確的反映室內的熱負荷情況。由此，對于冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能改造，可以取回水溫度作為控制目標，通過變頻器對冷凍泵流量的自動調節(jié)來實現(xiàn)對室內溫度的控制。
● 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)
冷卻水循環(huán)系統(tǒng)同時受室外環(huán)境溫度及室內熱負荷兩方面影響，循環(huán)水管道單側的水溫不能準確反映該系統(tǒng)的熱交換量，因此以出水與回水之間的溫差作為控制室內溫度的依據是合理的節(jié)能方式。在外界環(huán)境溫度不變的情況下，溫差大，說明室內熱負荷較大，應提高冷卻泵的轉速，增大冷卻水循環(huán)的速度；相應的，溫差小則減小冷卻泵轉速。
● 方案結構示意圖
根據上述分析，可得出整個節(jié)能工程結構示意圖如圖3所示：
由上圖，該節(jié)能方案的基本思路為：
分別在主機蒸發(fā)器回水處、冷凝器出水及回水處安裝溫度傳感器，實時檢測管網的溫度，以模擬信號（0~10V或者4~20mA）反饋給變頻器，通過變頻器內置的PID運算輸出相應的頻率指令后自動調節(jié)水泵轉速，從而調節(jié)各循環(huán)水的熱交換速度，最終實現(xiàn)對室內恒溫度的控制。需要特別說明的是，變頻器內部在設計上集成了溫差反饋處理功能，系統(tǒng)無須另配專用控制模塊。
● 電路控制方案
某公司中央空調機組數(shù)據如下表：
|
機組 |
機型 |
常用數(shù)量 |
備用數(shù)量 |
總計數(shù)量 | |
|
中央
空調 |
冷凍泵電機 |
45KW（380V） |
2臺 |
1臺 |
3臺 |
|
冷卻泵電機 |
75KW（380V） |
2臺 |
1臺 |
3臺 | |
三臺水泵中，春秋季節(jié)只用一臺，備用兩臺；夏季高峰時常用兩臺，一臺備用。
要求：一臺變頻運行，且可以通過人工方式進行切換，其他可通過人工方式直接啟動到工頻運行。
設計：3臺水泵電機選配1臺變頻器。工作時可選擇任意一臺水泵做主泵、由變頻器直接拖動并且變頻運行（由內置PID進行閉環(huán)控制）；其余兩臺水泵做輔泵、由人工依據制冷特點相應進行啟停控制，使電機工頻運行。如下圖所示：
該方案使用CHF100系列通用變頻器，“市電”“節(jié)電”旁路需要另配電控柜及電氣配件。
● 變頻節(jié)能系統(tǒng)特點
1、變頻器界面為LED顯示，監(jiān)控參數(shù)豐富；鍵盤布局簡潔、操作方便；
2、溫度/溫差傳感器為數(shù)字雙屏LED顯示，溫度參數(shù)設定方便，易于監(jiān)控；
3、變頻器有過流、過載、過壓、過熱等多種電子保護裝置，并具有豐富的故障報警輸出功能，可有效保護供水系統(tǒng)的正常運作；
4、加裝變頻器后，電機具有軟啟動及無極調速功能，可使水泵和電機的機械磨損大為降低，延長管組壽命；
5、 變頻器內部裝有大容量濾波電容，可有效提高用電設備的功率因數(shù)；
6、 該系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫度的PID閉環(huán)調節(jié)，室內溫度變化平穩(wěn)，人體感覺舒適。
█ 總結
將變頻技術應用于中央空調系統(tǒng)，對提升中央空調自動化水平、降低能耗、減少對電網的沖擊、延長機械及管網的使用壽命，都具有重要的意義。
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