變頻器在中央空調循環(huán)水冷卻塔中的節(jié)能應用方案

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簡介： 據(jù)統(tǒng)計，中央空調的用電量占各類大廈總用電量的70%以上，其中中央空調水泵的耗電量約占總空調系統(tǒng)耗電量的20~40%，故節(jié)約低負荷時壓縮機系統(tǒng)和水系統(tǒng)的消耗的能量，具有很重要的意義。采用變頻調速技術不僅能使空調系統(tǒng)發(fā)揮更加理想的工作狀態(tài)，更重要的是通常其節(jié)能效果高達30%以上，能帶來良好的經濟效益。
關鍵字：變頻節(jié)能 冷卻塔風機 固定變頻 循環(huán)變頻

1.概論

中央空調系統(tǒng)已廣泛應用于工業(yè)與民用領域，在賓館、酒店、寫字樓、商場、住院部大樓、工業(yè)廠房中的中央空調系統(tǒng)，其制冷壓縮機組、冷凍循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風機系統(tǒng)等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制熱負荷選定的，且再留有充足余量。在沒有使用具備負載隨動調節(jié)特性的控制系統(tǒng)中，無論季節(jié)、晝夜和用戶負荷的怎樣變化，各電機都長期固定在工頻狀態(tài)下全速運行，造成了能量的巨大浪費。近年來由于電價的不斷上漲，使得中央空調系統(tǒng)運行費用急劇上升，致使它在整個大廈營運成本費用中占據(jù)越來越大的比例，加之目前各生產、服務業(yè)競爭激烈，多數(shù)企業(yè)利潤空間不夠理想。因此電能費用的控制顯然已經成為經營管理者所關注的問題所在。據(jù)統(tǒng)計，中央空調的用電量占各類大廈總用電量的70%以上，其中中央空調水泵的耗電量約占總空調系統(tǒng)耗電量的20~40%，故節(jié)約低負荷時壓縮機系統(tǒng)和水系統(tǒng)的消耗的能量，具有很重要的意義。所以，隨著負荷變化而自動調節(jié)變化的變流量變頻空調水系統(tǒng)和自適應智能負荷調節(jié)的壓縮機系統(tǒng)應運而生，并逐漸顯示其巨大的優(yōu)越性，而且得到越來越多的被廣泛推廣與應用。采用變頻調速技術不僅能使空調系統(tǒng)發(fā)揮更加理想的工作狀態(tài)，更重要的是通常其節(jié)能效果高達30%以上，能帶來良好的經濟效益。

2.中央空調系統(tǒng)的一般結構與工作原理

中央空調系統(tǒng)一般主要由制冷壓縮機系統(tǒng)、冷媒(冷凍和冷熱)循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、盤管風機系統(tǒng)、冷卻塔風機系統(tǒng)等組成。其工藝結構流程圖如圖A所示，在圖A中制冷壓縮機組通過壓縮機將制冷劑(冷媒介質如R134a、R22等)壓縮成液態(tài)后送蒸發(fā)器中，冷凍循環(huán)水系統(tǒng)通過冷凍水泵將常溫水泵入蒸發(fā)器盤管中與冷媒進行間接熱交換，這樣原來的常溫水就變成了低溫冷凍水，冷凍水被送到各風機風口的冷卻盤管中吸收盤管周圍的空氣熱量，產生的低溫空氣由盤管風機吹送到各個房間，從而達到降溫的目的。冷媒在蒸發(fā)器中被充分壓縮并伴隨熱量吸收過程完成后，再被送到冷凝器中去恢復常壓狀態(tài)，以便冷媒在冷凝器中釋放熱量，其釋放的熱量正是通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷卻水帶走。冷卻循環(huán)水系統(tǒng)將常溫水通過冷卻水泵泵入冷凝器熱交換盤管后，再將這已變熱的冷卻水送到冷卻塔上，由冷卻塔對其進行自然冷卻或通過冷卻塔風機對其進行噴淋式強迫風冷，與大氣之間進行充分熱交換，使冷卻水變回常溫，以便再循環(huán)使用。在冬季需要制熱時，中央空調系統(tǒng)僅需要通過冷熱水泵(在夏季稱為冷凍水泵)將常溫水泵入蒸汽熱交換器的盤管，通過與蒸汽的充分熱交換后再將熱水送到各樓層的風機盤管中，即可實現(xiàn)向用戶提供供暖熱風。
圖A 中央空調系統(tǒng)工藝結構流程

理解中央空調系統(tǒng)工藝流程對于節(jié)能改造的實現(xiàn)至關重要，從因果關系角度上看，冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷卻塔風機系統(tǒng)均是主壓縮機系統(tǒng)的從動系統(tǒng)。當主壓縮機系統(tǒng)的負荷發(fā)生變化時，對冷凍水、冷卻水的需求量和冷卻塔需求的冷卻風量也發(fā)生相應的變化，正因如此，我們才有節(jié)能改造的必要前提條件，才有實現(xiàn)“按需分配”控制方案的可能。

3.中央空調系統(tǒng)的節(jié)能原理

中央空調系統(tǒng)按負載類型可分為兩大類，①變轉矩負載:如冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、冷卻塔風機系統(tǒng)等風機、水泵類負載;②恒轉矩負載:如主制冷壓縮機系統(tǒng)。不同的轉矩類型具有完全不同的轉矩功率關系特性，我們知道風機、水泵類變轉矩負載特性滿足流體動力學關系理論，即以下數(shù)學關系成立:

N1/N2∝Q1/Q2 H1/H2∝(N1/N2)2 P1/P2∝(N1/N2)3 (1)

其中，N、H、Q、P分別表示轉速、流量、揚程、軸功率。

它們之間的關系曲線如圖B所示。

由式1可知，若轉速下降到額定轉速的70%，那么，揚程將下降到額定值的50%，同時，軸輸出功率下降到額定值的35%。從圖2中可以看出，管網的阻尼隨揚程的降低而減小。在滿足系統(tǒng)基本揚程需求的情形下，若系統(tǒng)的流量需求減少到額定流量的50%時，在變頻控制方式下，其對應輸出功率僅約為額定功率的13%。這就為實施變頻節(jié)能技術改造提供了數(shù)學理論上的可行性保障空間。

由上述流體傳輸設備水泵、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(jù)上述原理可知：改變水泵、風機的轉速就可改變水泵、風機的功率。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(jié)約大量電能。中央空調系統(tǒng)在設計時是按現(xiàn)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(tài)下。而用閥門、自動閥調節(jié)不僅增大了系統(tǒng)節(jié)流損失，而且由于對空調的調節(jié)是階段性的，造成整個空調系統(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)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(xiàn)對系統(tǒng)的平穩(wěn)調節(jié)，使系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，并延長機組及網管的使用壽命。

4.下面我們主要探討一下冷卻塔風機使用變頻節(jié)能的實施方案和應用效果

4.1 冷卻塔風機變頻控制實施方案

方案一：固定變頻控制方式。

因為冷卻塔的型式：有單塔型式、和多塔型式的；所以，固定變頻控制方式：可分為單臺固定變頻控制和多臺固定變頻控制。下面以多臺固定變頻控制為例，作如下講解。如圖所示：

該系統(tǒng)由變頻回路和工頻回路兩部分組成：

變頻回路：由一臺變頻器，空氣開關QF2，交流接觸器KM02和變頻運行控制回路及信號報警回路組成變頻循環(huán)運行回路。工頻回路：由空氣開關QF1、QF3、QF4、QF5、交流接觸器KM01、KM03、KM04、KM05、和熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4、以及手動運行控制回路等構成工頻（50Hz）運行回路。

運行方式：

工頻運行時：風機根據(jù)工頻控制回路選擇指定風機啟動，并以50HZ全速運行。

變頻運行時：風機以傳感器所測實際水溫，經過溫控器轉換成標準的電流信號或電壓信號，送到變頻器的摸擬輸入端，當?shù)谝慌_變頻電機達到滿負荷運行時，還不能滿足實際工況則第二臺電機就會被工頻起動，第一臺電機仍然變頻運行；同理，若第二臺電機起動后，還不能滿足工況則第三臺電機就會被工頻起動；此時，三臺電機全部運行：第一臺電機變頻運行、第二臺電機工頻運行、第三臺電機工頻運行。

方案二：循環(huán)變頻控制方式。

由P∝n³可知：風機節(jié)能的最佳方案是控制風機轉速，可通過改變電機控制系統(tǒng)來調節(jié)電機運行的轉速，從而達到控制風機轉速的目的，下面以三臺相同功率的電機的冷卻塔為例，作如下講解：三臺風機為同一功率的的電機，可采用一臺變頻器循環(huán)控制的方式運行，系統(tǒng)電氣原理概況圖，如下所示：