目前，大多數(shù)賓館、飯店、寫字樓、商場等單位夏季都采用中央空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。建筑節(jié)電已經(jīng)成為環(huán)保節(jié)電的重大課題！按照國家標(biāo)準(zhǔn)，中央空調(diào)系統(tǒng)的最大負(fù)載能力是按照氣溫最高，負(fù)荷最大的工作環(huán)境來設(shè)計的，就中央空調(diào)系統(tǒng)本身來說，存在著很大的節(jié)能空間，而實際上系統(tǒng)又很少在滿負(fù)荷狀態(tài)下工作。

據(jù)統(tǒng)計，在夏季中央空調(diào)系統(tǒng)的耗電量約占用戶總耗電量的60%，中央空調(diào)系統(tǒng)只要減少耗能10%，就能減少用戶6%的能源成本。根據(jù)現(xiàn)場實際測試，中央空調(diào)設(shè)備90%的時間在70%負(fù)荷以下波動運(yùn)行，所以實際平均負(fù)荷小于設(shè)備滿負(fù)荷，特別是冷氣需求量較少的情況下，主機(jī)實際負(fù)荷量就更低。這樣就使得空調(diào)機(jī)組的兩個水循環(huán)系統(tǒng)長期處于“大流量小溫差”的現(xiàn)象，使大量的電能白白浪費(fèi)。造成實際需要負(fù)荷與最大功率輸出之間的矛盾，給中央空調(diào)使用單位造成巨額電費(fèi)支出，增加了運(yùn)營成本。所以，針對中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)電改造能為運(yùn)營單位創(chuàng)造出顯著的效益。

1、工作原理

 

 

 

 

2、工作流程簡述

(1) 中央空調(diào)啟動后，冷凍單元工作，蒸發(fā)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。

(2) 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(nèi)風(fēng)機(jī)加速進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量使房間內(nèi)的溫度降低后，又流回冷凍水端。

(3) 而升了溫的冷卻水通過冷卻泵壓入冷卻塔，由冷卻塔風(fēng)機(jī)加速將冷卻水中的熱量散發(fā)到大氣中，使水溫降低后，流回中央空調(diào)主機(jī)冷卻水端。

(4) 冷凍機(jī)組工作一段時間后達(dá)到設(shè)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(jī)組停止工作，溫度回升到一定值后又控制其運(yùn)行。

1、冷凍水，冷卻水循環(huán)泵不能根據(jù)實際需求來調(diào)整循環(huán)量，電機(jī)工作效率低下，造成大量電力浪費(fèi)。

2、循環(huán)泵啟動電流大，會造成泵軸損傷，降低電機(jī)使用壽命。

3、循環(huán)泵系統(tǒng)運(yùn)行噪音大，停泵時產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象會對管路和水泵造成傷害，增加了系統(tǒng)維護(hù)成本。

4、冷卻塔風(fēng)機(jī)總在全速運(yùn)行，流回中央空調(diào)主機(jī)的冷卻水溫度大部分時間大大低于主機(jī)要求的水溫，這樣不僅造成用電浪費(fèi)，而且由于風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行風(fēng)速較大而造成冷卻水蒸發(fā)過量，這樣每天要補(bǔ)充大量軟化水，造成水資源的浪費(fèi)。

5、空調(diào)箱風(fēng)機(jī)總在全速運(yùn)行，造成大量的電能浪費(fèi)。

1、節(jié)電方案分析

根據(jù)現(xiàn)場中央空調(diào)系統(tǒng)的配置情況可分別對以下設(shè)備進(jìn)行變頻改造：

(1) 冷卻水泵，

(2) 冷凍水泵，

(3) 冷卻塔風(fēng)機(jī)，

(4) 空調(diào)箱風(fēng)機(jī)。

節(jié)電改造簡圖如圖2：

 

圖2 中央空調(diào)節(jié)點(diǎn)帶改造簡圖

變頻器和可編程控制器為系統(tǒng)控制單元，溫度傳感器為現(xiàn)場溫度信號采集單元，用兩組傳感器分別采集冷卻水泵，冷凍水泵管道實際溫度，然后把信號傳送到PLC，PLC對溫度信號進(jìn)行處理，進(jìn)而調(diào)節(jié)變頻器對循環(huán)泵實現(xiàn)閉環(huán)控制。因為循環(huán)泵會根據(jù)管道實際溫度相應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，所以循環(huán)泵達(dá)到了節(jié)電的目的。

冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻驅(qū)動：可編程控制器采集冷卻塔出水溫度信號與設(shè)定溫度信號比較，進(jìn)行PID運(yùn)算后輸出信號控制變頻器使之驅(qū)動風(fēng)機(jī)，直到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速滿足回水溫度要求，從而實現(xiàn)自動控制達(dá)到節(jié)電目的。

空調(diào)箱風(fēng)機(jī)變頻驅(qū)動：可編程控制器采集公共場所溫度信號與設(shè)定溫度相比較，進(jìn)行PID運(yùn)算后輸出信號控制變頻器使之驅(qū)動風(fēng)機(jī)對公共場所冷氣量進(jìn)行調(diào)控，直到滿足場所溫度要求從而實現(xiàn)節(jié)電的功能。

注：可對其中一部分進(jìn)行變頻節(jié)電改造，也可對全部進(jìn)行變頻節(jié)電改造，改造部分越多，節(jié)電效果越佳。

2、節(jié)電方案實施

冷卻水、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，各裝設(shè)一套變頻器，其中冷卻變頻器供2臺冷卻水泵切換使用；冷凍變頻器供2臺冷凍水泵切換使用。（如圖3）

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中的回水與出水溫度之差，反映出管路吸收熱量的多少，與房間制冷效果成正比；根據(jù)回水和出水溫度之差控制循環(huán)水的速度，進(jìn)而控制熱交換的速度，在滿足系統(tǒng)冷卻需要的前提下，達(dá)到節(jié)電的目的。溫差大說明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，加快冷卻水循環(huán)速度；溫差小，說明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量小，可降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，以節(jié)約電能。冷卻泵采用變頻器驅(qū)動，兩臺冷卻泵互為備用，可編程控制器（PLC）根據(jù)傳感器檢測到的溫度信號，同設(shè)定溫差比較后控制變頻器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)冷卻泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，實際溫差值仍未達(dá)到設(shè)定溫差值，此時PLC會控制M1切換到工頻運(yùn)行，然后再變頻啟動M2，根據(jù)以上所說原理對M2進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)恒溫差控制；當(dāng)電機(jī)M2工作在下限轉(zhuǎn)速值時，如果溫差實際值大于溫差設(shè)定值，（PLC）控制電機(jī)M1停機(jī)，同時對變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制M2轉(zhuǎn)速達(dá)到實際要求。

在冷凍循環(huán)系統(tǒng)中，由于出水溫度比較穩(wěn)定，因此僅回水溫度就足以反應(yīng)了房間的溫度，所以PLC可根據(jù)回水溫度進(jìn)行控制?；厮疁囟雀?，說明房間溫度高，應(yīng)提高冷凍泵轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)；反之回水溫度低說明房間溫度低，可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速，降低冷凍水的循環(huán)速度，以實現(xiàn)節(jié)電目的（其控制過程同冷卻泵循環(huán)系統(tǒng)類似）。

工頻/變頻切換簡圖如圖3

 

 

圖3 工頻/變頻切換簡圖

本方案在保留原工頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝，與原工頻系統(tǒng)之間僅設(shè)置連鎖以確保系統(tǒng)工作安全。

1、節(jié)電原理

由流體傳輸設(shè)備水泵、風(fēng)機(jī)的工作原理可知：水泵、風(fēng)機(jī)的流量（風(fēng)量）與其轉(zhuǎn)速成正比；水泵、風(fēng)機(jī)的壓力（揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，而水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）如下表

 

頻率f	轉(zhuǎn)速 n%	流量Q%	壓力H%	軸功率P%
50 Hz	100%	100%	100%	100%
45 Hz	90%	90%	81%	72.9%
40 Hz	80%	80%	64%	51.2%
35 Hz	70%	70%	49%	34.3%
30 Hz	60%	60%	36%	21.6%

 

根據(jù)上述原理可知：改變水泵、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可改變水泵、風(fēng)機(jī)的功率。例如:將供電頻率由50Hz降為45Hz，則P₄₅/P₅₀=45³/50³=0.729，即P₄₅=0.729P₅₀（P為電機(jī)軸功率）；將供電頻率由50Hz降為40Hz，則P₄₀/P₅₀=40³/50³=0.512，即P₄₀=0.512P₅₀（P為電機(jī)軸功率）。變頻節(jié)電效果簡圖如下：

 

 

圖4 變頻節(jié)電效果簡圖

由以上內(nèi)容可以看出，用變頻器進(jìn)行流量（風(fēng)量）控制時，可節(jié)約大量電能。中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計時是按現(xiàn)場最大冷量需求來考慮的，其冷卻泵，冷凍泵按單臺設(shè)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(tài)下。如采用閥門、自動閥調(diào)節(jié)流量不僅增大了管道損耗，而且由于對空調(diào)的調(diào)節(jié)是階段性的，造成整個空調(diào)系統(tǒng)工作在波動狀態(tài)；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(xiàn)自動控制，并可通過變頻節(jié)電收回投資。同時變頻器的軟啟動功能及平滑調(diào)速的特點(diǎn)可實現(xiàn)對系統(tǒng)的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，并延長機(jī)組及網(wǎng)管的使用壽命。

2、冷凍、冷卻循環(huán)節(jié)電原理

現(xiàn)定性的分析一下冷凍、冷卻循環(huán)系統(tǒng)節(jié)電的原理。現(xiàn)假設(shè)某循環(huán)水泵改為變頻控制，平均流量為原來的0.8；現(xiàn)分析節(jié)電情況。

節(jié)電率=（W_原來-W_節(jié)電）/ W_原來×100%

=(1- W_節(jié)電/ W_原來) ×100%

注：W= P×T ；P= Q×H；Q=K₁ ×n；H=K₂ ×n²；

P= K₁×K₂×n³= K₀×n³；

T_節(jié)電= T_原來；

節(jié)電率=(1- P_節(jié)電/P_原來)×100%

=[1-(n_節(jié)電/n_原來)³]×100%

=[1-(0.8)³]×100%

=48.8%≈49%；

（注：W：功，即水泵所消耗電量；P：功率；T：時間； Q：流量；H：揚(yáng)程；n：轉(zhuǎn)速；K₁：系數(shù)；K₂：系數(shù)；K₀：系數(shù)）

1、高效節(jié)電：對于風(fēng)機(jī)、水泵等變轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，根據(jù)積累的經(jīng)驗，空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)、水泵應(yīng)用節(jié)電控制系統(tǒng)后的平均節(jié)電率為30%~50%。

2、操作簡潔：可根據(jù)傳感器反饋的測點(diǎn)溫度、水溫差、管道壓力、流量等參數(shù)，實現(xiàn)閉環(huán)自動控制；配有觸摸屏顯示空調(diào)相關(guān)參數(shù)，操作簡潔明快，減輕運(yùn)行監(jiān)控人員的勞動強(qiáng)度。

3、性能全面：具備報警指示功能，對過壓、過流、缺相、傳感器故障進(jìn)行報警控制。

4、延長壽命：應(yīng)用中央空調(diào)節(jié)電控制系統(tǒng)后，電機(jī)的啟停實現(xiàn)了軟啟動和軟停機(jī)，無驟啟和驟?，F(xiàn)象，大大降低機(jī)械和電網(wǎng)沖擊；可延長水泵、風(fēng)機(jī)管件及空調(diào)設(shè)備的使用壽命，降低維護(hù)費(fèi)用。

5、安全可靠：系統(tǒng)核心部件采用知名品牌產(chǎn)品，并設(shè)有旁路、節(jié)電運(yùn)行切換系統(tǒng)，提高了運(yùn)行安全可靠性，與系統(tǒng)原有調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成冗余備用系統(tǒng)，確保中央空調(diào)系統(tǒng)的正常使用。

6、安裝簡便：特別適用于老系統(tǒng)節(jié)電改造。對現(xiàn)有的空調(diào)機(jī)組、管道無需進(jìn)行改動，對風(fēng)機(jī)水泵無特殊要求；不必增加和改動原水、風(fēng)管道系統(tǒng)。

7、冷卻塔風(fēng)機(jī)，根據(jù)冷卻水回水溫度調(diào)節(jié)風(fēng)速，不僅節(jié)約大量電能而且可大量減少冷卻水循環(huán)的補(bǔ)水量。