英威騰CHF100變頻器用于中央空調(diào)節(jié)能改造
2006/7/3 10:57:00
·前言 中央空調(diào)是現(xiàn)代大廈物業(yè)、賓館、商場不可缺少的設(shè)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(diào)功率大,耗能大,加上設(shè)計上存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象,支付中央空調(diào)所用電費(fèi)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(dǎo)致中央空調(diào)系統(tǒng)對室內(nèi)熱源吸收量的變化,再加之工藝設(shè)計上電機(jī)功率設(shè)計有相當(dāng)?shù)母辉A?,因此,存在明顯的節(jié)電空間。將變頻技術(shù)引入中央空調(diào)系統(tǒng),保持室內(nèi)恒溫,對其進(jìn)行的節(jié)能改造是降本增效的一條捷徑。 ·中央空調(diào)系統(tǒng) 圖1所示為一典型中央空調(diào)機(jī)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(jī)三部分組成: 圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)原理圖 ·冷凍水循環(huán)系統(tǒng) 該部分由冷凍泵、室內(nèi)風(fēng)機(jī)及冷凍水管道等組成。從主機(jī)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(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行熱交換,帶走房間內(nèi)的熱量,最后回到主機(jī)蒸發(fā)器(回水)。室內(nèi)風(fēng)機(jī)用于將空氣吹過冷凍水管道,降低空氣溫度,加速室內(nèi)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(jìn)行室內(nèi)熱交換的同時,必將帶走室內(nèi)大量的熱能。該熱能通過主機(jī)內(nèi)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(jìn)行熱交換,降低溫度后再送回主機(jī)冷凝器(回水)。 ·主機(jī) 主機(jī)部分由壓縮機(jī)、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(jī)加壓進(jìn)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(jīng)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(jìn)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(dá)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(jìn)入了壓縮機(jī),如此循環(huán)往復(fù)。 ·節(jié)能理論 ·中央空調(diào)節(jié)能改造前的工況 在中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時,冷凍泵、冷卻泵的電機(jī)容量是根據(jù)建筑物的最大設(shè)計熱負(fù)荷選定的,都留有一定設(shè)計余量。由于四季氣候及晝夜溫差變化,中央空調(diào)工作時的熱負(fù)荷總是不斷變化。下圖2為一民用建筑物的平均熱負(fù)荷情況: 如上圖所示,該中央空調(diào)一年中負(fù)荷率在50%以下的時間超過了全部運(yùn)行時間的50%。通常冷卻水管路的設(shè)計溫差為5~6℃,而實際應(yīng)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(shè)計流量,這樣就形成了中央空調(diào)低溫差、低負(fù)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(yùn)行,管道中的供水流量只能通過閥門或回流方式調(diào)節(jié),這必會產(chǎn)生大量的節(jié)流及回流損失,同時也增加了電機(jī)的負(fù)荷,白白消耗了許多電能。 中央空調(diào)水泵電機(jī)的耗電量約占中央空調(diào)系統(tǒng)總耗電量的30-40%,故對其進(jìn)行節(jié)能改造具有很明顯的節(jié)能效果。 ·節(jié)能理論根據(jù) 由流體力學(xué)理論可知,離心式流體傳輸設(shè)備(如離心式水泵、風(fēng)機(jī)等)的輸出流量Q與其轉(zhuǎn)速n成正比;輸出壓力P(揚(yáng)程)與其轉(zhuǎn)速n的平方成正比;輸出功率N與其轉(zhuǎn)速n的三次方成正比,用數(shù)學(xué)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(zhuǎn)速,水泵的輸出功率就可以下降更多。如將電機(jī)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(diào)系統(tǒng)中接入變頻節(jié)能系統(tǒng),利用變頻技術(shù)改變水泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)管道中的流量,以取代閥門調(diào)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(diào)速的特點可實現(xiàn)對中央空調(diào)的平穩(wěn)調(diào)節(jié),并可延長機(jī)組及管組的使用壽命。 ·節(jié)能方案分析 中央空調(diào)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(jìn)行的熱交換量。因此,根據(jù)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(jī)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(zhǔn)確的反映室內(nèi)的熱負(fù)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(biāo),通過變頻器對冷凍泵流量的自動調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對室內(nèi)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(nèi)熱負(fù)荷兩方面影響,循環(huán)水管道單側(cè)的水溫不能準(zhǔn)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(nèi)溫度的依據(jù)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(nèi)熱負(fù)荷較大,應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速,增大冷卻水循環(huán)的速度;相應(yīng)的,溫差小則減小冷卻泵轉(zhuǎn)速。 ·方案結(jié)構(gòu)示意圖 根據(jù)上述分析,可得出整個節(jié)能工程結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示: 圖3 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造結(jié)構(gòu)示意圖 由上圖,該節(jié)能方案的基本思路為: 分別在主機(jī)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(wǎng)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(nèi)置的PID運(yùn)算輸出相應(yīng)的頻率指令后自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)各循環(huán)水的熱交換速度,最終實現(xiàn)對室內(nèi)恒溫度的控制。需要特別說明的是,變頻器內(nèi)部在設(shè)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(diào)機(jī)組數(shù)據(jù)如下表: 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(yùn)行,且可以通過人工方式進(jìn)行切換,其他可通過人工方式直接啟動到工頻運(yùn)行。 設(shè)計:3臺水泵電機(jī)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(yùn)行(由內(nèi)置PID進(jìn)行閉環(huán)控制);其余兩臺水泵做輔泵、由人工依據(jù)制冷特點相應(yīng)進(jìn)行啟??刂?,使電機(jī)工頻運(yùn)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(shè)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(hù)裝置,并具有豐富的故障報警輸出功能,可有效保護(hù)供水系統(tǒng)的正常運(yùn)作; 4、加裝變頻器后,電機(jī)具有軟啟動及無極調(diào)速功能,可使水泵和電機(jī)的機(jī)械磨損大為降低,延長管組壽命; 5、變頻器內(nèi)部裝有大容量濾波電容,可有效提高用電設(shè)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(diào)節(jié),室內(nèi)溫度變化平穩(wěn),人體感覺舒適。 ·總結(jié) 將變頻技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng),對提升中央空調(diào)自動化水平、降低能耗、減少對電網(wǎng)的沖擊、延長機(jī)械及管網(wǎng)的使用壽命,都具有重要的意義。
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