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普通中央空調水泵變頻改造節能方案


        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。

       一、普通中央空調工作系統
       1、工作簡述
       ⑴、中央空調啟動后,冷凍單元工作,蒸發器吸收冷凍水中的熱量,使之溫度降低;同時,冷凝器釋放熱量使冷卻水溫度升高。
       ⑵、降了溫的冷凍水通過冷凍泵加壓送入冷凍水管道,在各個房間由室內風機加速進行熱交換,帶走房間內的熱量使房間內的溫度降低后,又流回冷凍水端。
       ⑶、而升了溫的冷卻水通過冷卻泵壓入冷卻塔,由冷卻塔風機加速將冷卻水中的熱量散發到大氣中,使水溫降低后,流回冷卻水端。
       ⑷、冷凍機組工作一段時間后,達到設定溫度,由溫度傳感器檢測出來,并通過中間繼電器及接觸器控制冷凍機停止工作,溫度回升到一定值后又控制其運行。

      二、普通中央空調存在的問題
      1、冷凍水,冷卻水循環泵不能根據實際需求來調整循環量,電機工作效率低下,造成大量電力浪費,并加速機組磨損;
      2、其控制接觸器等電器動作頻繁,導致使用壽命短,維修量大;而對于大容量系統,傳統的控制線路復雜,可靠性差,需專人負責;
      3、整個系統運行噪音大、控制性能差、耗電量大、使用壽命短;在維護管理,檢修調整方面工作量大,維護費用高。

      三、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,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,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。

       四、節能方案
       1、整體說明
  中央空調系統目前有3臺55KW冷卻泵,3臺45KW冷凍泵。我們可對冷卻系統和冷凍系統進行節能改造。中央空調實際運行時,冷卻系統和冷凍系統的進、出水溫差(△T)約為2oC,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),即降低轉速,即可達到節能的目的。分析:采用變頻器配合可編程控制器組成控制單元,其中冷卻水泵,冷凍水泵均采用溫度自動閉環調節即用溫度傳感器對冷卻水、冷凍水的水溫進行采樣,并轉換成電信號(一般為4—20mA,0—10V等)后送至 PLC ,PLC 將該信號與設定值進行比較運算后決定變頻器輸出頻率,以達到改變冷凍水泵、冷卻水泵轉速從而達到節能目的。冷卻塔風機變頻驅動:可編程控制器根據回水溫度信號控制變頻器驅動風機,使風機工作在最經濟狀態而節約大量電能。
   
       2、冷凍水系統控制(冷凍泵3個,單臺45KW,4極異步電機)
  對于冷凍水系統,由于低溫冷凍水溫度取決于蒸發器的運行參數,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,使冷凍水泵的轉速相應于熱負載的變化而變化。即不同的季節、不同的空調點負荷的多少要求循環水的流量和壓力不同,夏天或空調點較多時要求流量與壓力較高,而冬天或空調點較少時要求流量與壓力較低,因此設計變頻控制系統使供水系統滿足最佳流量與壓力,達到節能的目的。因空調設計時常對循環水系統考慮較多的滿負荷余量,所以變頻改造后可以節省大量的電能,節電效果非常理想。

       3、冷卻水系統控制(冷卻泵2個,單臺55KW,4極異步電機)
  對于冷卻水系統,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。即冷卻水依靠冷卻泵給至冷卻塔,不同的內部熱交換程度要求冷卻水循環的流量不同,因在空調設計時會考慮足夠多熱交換的余量,所以在冬春季節及空調點負荷少時會有大量能源浪費,采用變頻恒壓控制設備對循環水系統進行控制,可節省大量的電能,節電率達30%以上
        4、控制方式
  本方案在保留原工頻系統的基礎上加裝變頻控制系統,與原工頻系統之間僅設置連鎖以確保系統工作安全。同時要求2臺冷卻泵循環使用。

        五、節能效果分析
  風機水泵的變頻調速可達到理想的節能效果。下面舉例說明采用變頻調速后系統的節能效果:假設中央空調的冷凍水泵功率PN=100KW,全速時供水量為QN,每天的平均流量為80%QN,泵的空載損耗約為15%PN,則消耗功率為P=(100-100*15%)*0.8*0.8*0.8+100*15%=58.52KW,節電率為(100-58.52)/100=42.48%;即使每天的平均流量為90%QN,則消耗功率為P=(100-100*15%)*0.9*0.9*0.9+100*15%=76.97KW,節電率為 (100-76.97)/100=23.03%,實踐證明,改造后系統節電率一般可達到20%-40%以上。

       六、系統選擇
       1、 器件選型 :從性價比的角度出發,主要器件變頻器和溫度傳感器選用進口名牌部件國內組裝的產品。低壓電器部份選用進口產品。變頻器選用易驅變頻器ED2003-FP系列產品,因水泵負載不重,按1:1的比例配置即可。溫度傳感器選用管道式溫度變送器。
    2、主要裝置 :變頻器 水溫傳感器 、主斷路器 交流接觸器 、熱過載繼電器 電氣柜、指示燈/轉換開關/按鈕 交流電壓表、交流電流表、互感器、數碼LED顯示器 高穩定度開關電源、控制電源濾波器 、可選裝置(控制系統可編程控制器; A/D、D/A擴展功能模塊)。

  七、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運,減少了振動、噪音和磨損,延長了設備維修周期和使用壽命,減少了維修維護工作量,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。
 



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