胡雪梅， 任艷艷

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽 473000;2.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南濟(jì)源 454650)

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，在各類建筑物中越來越多地應(yīng)用到中央空調(diào)。中央空調(diào)在給人們創(chuàng)造舒適環(huán)境的同時(shí)，其能耗也不容被忽視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中央空調(diào)系統(tǒng)的耗電一般要占整座建筑電耗的60%～70%以上。高能耗已經(jīng)成為制約中央空調(diào)健康發(fā)展的一大瓶頸。根據(jù)國家倡導(dǎo)創(chuàng)建低碳社會(huì)的要求，節(jié)約用電是節(jié)能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此，如何有效地降低空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用成為目前迫切需要解決的問題。從目前國內(nèi)外中央空調(diào)運(yùn)行技術(shù)來看，較為有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速技術(shù)［1］。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)的組成

如圖1所示，中央空調(diào)系統(tǒng)主要由主機(jī)制冷系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)等組成。

主機(jī)制冷系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)的心臟——“致冷源”，由冷凍主機(jī)、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器和冷凝器組成。在蒸發(fā)器里，制冷劑和冷凍水發(fā)生熱量交換，將冷凍水降溫制冷，制冷劑吸收熱量后蒸發(fā);在冷凝器里，蒸發(fā)后的制冷劑和冷卻水發(fā)生熱量交換，制冷劑釋放出熱量，被冷卻水帶走。

冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由冷凍泵及冷凍水管道組成。從冷凍主機(jī)流出的冷凍水(出水)，由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，送到各風(fēng)機(jī)風(fēng)口的冷卻盤管中，由盤管風(fēng)機(jī)吹送冷風(fēng)帶走房間內(nèi)的熱量，達(dá)到冷卻空氣的目的。同時(shí)，吸收熱量后溫度升高的冷凍水(回水)，再流回冷凍主機(jī)。

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷卻泵將吸收熱量后溫度升高的冷卻水(出水)壓入冷卻塔中，由冷卻塔風(fēng)機(jī)對其進(jìn)行噴淋冷卻，與大氣進(jìn)行熱交換，再將降溫了的冷卻水(回水)送回到冷凍機(jī)組的冷凝器中，去吸收制冷劑放出的熱量，使冷凍主機(jī)降溫?；厮臏囟雀哂诔鏊臏囟?，形成了溫差［2］。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)的組成框圖

2 變頻調(diào)速的節(jié)能原理

由于中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)是按現(xiàn)場最大需求量時(shí)設(shè)計(jì)的，冷凍機(jī)組按照最大負(fù)荷配置，并且留10%～20%的設(shè)計(jì)余量，因此在實(shí)際使用中，冷凍機(jī)組、冷卻泵和冷凍泵有超過90% 的時(shí)間都工作在非滿載狀態(tài)下，所以節(jié)能的潛力較大。

風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的特性如下:

式中:n1，n2——電機(jī)轉(zhuǎn)速;

G1，G2——水流量;

H1，H2——水泵揚(yáng)程;

P1，P2——水泵軸功率。

即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力正比于水泵揚(yáng)程，與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

轉(zhuǎn)速公式:

式中:f——電源頻率;

p——極對數(shù);

s——轉(zhuǎn)差率。

即電機(jī)轉(zhuǎn)速正比于電源頻率。

由式(1)和式(2)可知，調(diào)節(jié)電機(jī)電源的頻率即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速、流量和軸功率。由此可見，通過頻率改變，使風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)消耗的功率也大大下降，達(dá)到節(jié)能的目的。

3 中央空調(diào)變頻控制設(shè)計(jì)

3.1 主機(jī)制冷系統(tǒng)變頻控制設(shè)計(jì)

制冷循環(huán)系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)的心臟，其能耗達(dá)到總能耗的60%以上，因此制冷循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能是整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。

(1)對壓縮機(jī)進(jìn)行變頻控制。采用變頻控制的壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)、軟制動(dòng)，大大降低了起動(dòng)電流，運(yùn)行噪聲減小、溫升降低、振動(dòng)減少，能檢測負(fù)載輕微的變化，并迅速調(diào)整輸出。其功耗是以流量降低的三次方比例降低，且運(yùn)行參數(shù)的控制精度更高，讓機(jī)組始終處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)年均節(jié)能30%以上。在低負(fù)荷時(shí)，節(jié)能約可達(dá)70%，達(dá)到了大幅節(jié)能的效果。

(2)同時(shí)，壓縮機(jī)也可采用多機(jī)并聯(lián)制冷方式。即每次開機(jī)時(shí)，首先投入全部壓縮機(jī)運(yùn)行，使冷凍水出口溫度降至8℃以下，1～1.5 h后部分關(guān)閉壓縮機(jī)，剩余壓縮機(jī)變頻運(yùn)行維持制冷量，此時(shí)，冷凍水出口溫度會(huì)在9℃ ～12℃之間波動(dòng)，但制冷效果依然較好，節(jié)能效果非常顯著［2-3］。

3.2 水循環(huán)系統(tǒng)的變頻控制設(shè)計(jì)

采用變頻調(diào)速技術(shù)改變冷凍水、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使輸送能耗隨流量的增減而增減。

圖2所示為冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的變頻控制。在制冷機(jī)組冷凍水回水管上裝設(shè)溫度傳感器，再與PID調(diào)節(jié)器、變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過冷凍水的溫差來控制變頻器的頻率，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)冷凍水的出水量，以便讓冷凍水在風(fēng)機(jī)組件中有充分的時(shí)間釋放與熱負(fù)荷大小相當(dāng)?shù)睦淞?，水泵電機(jī)的功耗就可大大降低。以制冷模式為例，溫差大，表明空調(diào)房間內(nèi)溫度高，室內(nèi)負(fù)荷大，應(yīng)提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，即頻率上調(diào);溫差小，則表明室內(nèi)溫度低，室內(nèi)負(fù)荷小，可降低冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，即頻率下調(diào)。這樣，使冷凍水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速隨著熱負(fù)載的變化而變化。當(dāng)?shù)谝慌_(tái)電機(jī)已達(dá)到額定功率時(shí)，如果還達(dá)不到要求則可起動(dòng)第二臺(tái)電機(jī)。變頻運(yùn)行，后面幾臺(tái)的操作也是如此。這樣，不斷調(diào)整控制，可使其達(dá)到最佳效果［3-4］。

圖2 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)變頻控制簡圖

冷卻水系統(tǒng)變頻控制可采用冷凍水循環(huán)系統(tǒng)一樣的控制方式，即檢測冷卻水回水溫度組成閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫差大，說明機(jī)組產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，即頻率上調(diào)，增大冷卻水的循環(huán)速度;溫差小，說明機(jī)組產(chǎn)生的熱量小，可降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，即頻率下調(diào)，減緩冷卻水的循環(huán)速度［5-6］。

3.3 送風(fēng)系統(tǒng)的變頻控制設(shè)計(jì)

送風(fēng)系統(tǒng)要考慮系統(tǒng)末端的新風(fēng)機(jī)、回風(fēng)機(jī)、變風(fēng)量風(fēng)機(jī)、盤管風(fēng)機(jī)等送風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行控制方式。使用變頻器，即可有效改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)電效果明顯、控制靈活，可有效避免冷凍水水漫頂棚的麻煩，是實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能的根本途徑。對于舒適性等要求較高而空間又不是太大的空調(diào)區(qū)域內(nèi)，變頻風(fēng)機(jī)可以采用恒溫PID控制。在大型的空調(diào)應(yīng)用環(huán)境中，常根據(jù)節(jié)假日運(yùn)行需求，采用多段速變風(fēng)量控制。該控制方式是在基于對風(fēng)量需求進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的程序控制，如用風(fēng)量明顯減少時(shí)，可改變吸風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，控制風(fēng)量，減少風(fēng)機(jī)的能耗［7］。

4 變頻調(diào)速設(shè)計(jì)實(shí)例

采用森蘭BTl2S變頻器對冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行變頻控制設(shè)計(jì)［8］，如圖3所示。

圖3 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)森蘭變頻控制框圖

由一臺(tái)變頻器控制三臺(tái)冷卻泵，實(shí)現(xiàn)一拖三(二用一備)控制。運(yùn)行時(shí)，首先由1號(hào)泵作為主控泵，進(jìn)行變頻運(yùn)行，如頻率已經(jīng)升高到上限值，而溫差仍偏大時(shí)，則將1號(hào)泵切換為工頻運(yùn)行，變頻器將與2號(hào)泵相接，使2號(hào)泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)變頻器的工作頻率已經(jīng)下降到下限值，而溫差仍偏小時(shí)，令1號(hào)泵停機(jī)，2號(hào)泵仍處于變頻運(yùn)行的狀態(tài)。圖4所示為兩臺(tái)水泵供水時(shí)順序運(yùn)行過程。

圖4 兩臺(tái)水泵供水時(shí)順序運(yùn)行過程

工頻變頻切換控制由可編程邏輯控制器(Programmable Logical Controller，PLC)控制接觸器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)切換開關(guān)切換為“變頻”位時(shí)，該泵將作為主泵，實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行;若為“工頻”位時(shí)，該泵可通過起動(dòng)和停止按鈕進(jìn)行手動(dòng)控制，使電動(dòng)機(jī)在工頻下運(yùn)行。接觸器KM2(KM3)、KM4(KM5)、KM6(KM7)分別控制1號(hào)泵、2號(hào)泵、3號(hào)泵進(jìn)行工頻(變頻)運(yùn)行。KM1用于接通變頻器的電源。

在回水管道處，分別安裝兩個(gè)熱電阻Rt構(gòu)成溫度傳感器，以檢測回水溫度，由溫度傳感器轉(zhuǎn)換成與溫度大小成正比的電流信號(hào)，作為變頻器的反饋信號(hào)，接至反饋信號(hào)輸入端IPF。目標(biāo)信號(hào)是根據(jù)實(shí)際測試而確定的一個(gè)溫度設(shè)定值，可通過操作面板設(shè)置。目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較后送入變頻器內(nèi)的PID調(diào)節(jié)器，控制變頻器改變輸出頻率，當(dāng)冷卻水出水溫度高于溫度上限設(shè)定值時(shí)，頻率直接優(yōu)先上調(diào)至上限頻率。當(dāng)冷卻水出水溫度低于溫度下限設(shè)定值時(shí)，頻率直接優(yōu)先下調(diào)至下限頻率。當(dāng)冷卻水出水溫度介于溫度下限設(shè)定值與溫度上限設(shè)定值時(shí)，通過對冷卻水出水溫度及溫度上、下限設(shè)定值進(jìn)行PID計(jì)算，從而達(dá)到對頻率進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，閉環(huán)控制迅速準(zhǔn)確。

5 變頻調(diào)速后的節(jié)能分析

經(jīng)變頻調(diào)速后，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)從電網(wǎng)吸收的電能就會(huì)大大減少，其減少的功耗為

減少的流量為

式中:n1——改變后的轉(zhuǎn)速;

n0——電機(jī)原來的轉(zhuǎn)速;

P0——原電機(jī)轉(zhuǎn)速下的電機(jī)消耗功率;

Q0——原電機(jī)轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的水泵流量。

由式(1)和式(2)可看出:流量的減少與轉(zhuǎn)速減少的一次方成正比，但功耗的減少卻與轉(zhuǎn)速減少的三次方成正比。如:假設(shè)原流量為100個(gè)單位，耗能也為100個(gè)單位，如果轉(zhuǎn)速降低10個(gè)單位，由式(4)△Q=Q0［1－(n1/n0)］=100×［1－(90/100)］=10，可得出流量改變了10個(gè)單位。但功耗由式(3)△P=P0［1－ (n1/n0)3］=100×［1－(90/100)3］=27.1 可以得出，功率將減少27.1個(gè)單位，即比原來減少27.1%。

6 結(jié)語

采用變頻控制，能有效控制主機(jī)及空調(diào)系統(tǒng)工作效率，降低空調(diào)能耗，達(dá)到增收節(jié)支、降低運(yùn)營成本的目的。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)和設(shè)備軟運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)了過壓、過流、缺相等多種保護(hù)功能，消除了電流、電弧沖擊，避免水垂現(xiàn)象，大幅減少了設(shè)備損耗，降低了溫升及噪聲，因此，可大大延長電機(jī)、接觸器及機(jī)械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命，從而保護(hù)了電網(wǎng)系統(tǒng)，減少了可能發(fā)生事故的次數(shù)，減少了維修費(fèi)用。中央空調(diào)采用變頻調(diào)速技術(shù)，必然能帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在實(shí)際應(yīng)用中有著廣闊的前景。

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