變頻離心式冷水機組節(jié)能技術

1、變頻離心式冷水機組節(jié)能技術設備安裝分公司 陳傳勇摘要：隨著我國能源緊張程度的不斷加大，資源環(huán)境約束與經(jīng)濟快速增長的矛盾已經(jīng)成為我過經(jīng)濟發(fā)展面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，本文主要探討了離心式制冷機組利用變頻裝置進行節(jié)能分析，達到節(jié)能目的。關鍵詞：變頻（VSD） 冷水機組 節(jié)能 耗電量 導流葉片1、前言節(jié)能設計的理念應該深入到每個工程設計項目當中，對于能耗巨大的冷水機組系統(tǒng)，更有必要嚴格貫徹節(jié)能技術的理念。在分析節(jié)能控制設計思路的基礎上，根據(jù)國內(nèi)大能耗冷機項目的現(xiàn)狀，通過改進冷機及其附件的啟動及控制方式提出真正的節(jié)能控制策略，近些年變頻式離心式冷水機組在項目上的應用也越來越普遍，冷水機組的節(jié)能控制成為空調系統(tǒng)節(jié)

2、能的一個亮點。2、離心式冷水機組變頻設計功能分析冷水機組能耗占整個空調系統(tǒng)中能耗的60%-70%，由于冷水機組屬于高能耗設備，功率較大，冷水機組的選型和運行方案的優(yōu)劣直接影響建筑物的能耗指標，目前比較好的節(jié)能做法是采用加裝變頻裝置。采用變頻裝置有以下優(yōu)點：節(jié)約能耗離心式機組99%的時間運行在非額定工況下，采用變頻裝置的離心機組每年可節(jié)省1525%的能源。避開喘振點，提高機組的可靠性冷水機組在低負荷狀態(tài)運行時，依靠變頻裝置自帶的自適應控制可同時調節(jié)導流葉片開度和電機轉速，調節(jié)機組的運行狀態(tài)，可控制離心機組迅速避開喘振點，避免喘振對機組的傷害，確保機組的運行安全。寧靜運轉由于冷水機組大部分時間運行

3、在部分工況下，低轉速運行，降低了電機噪音，且降低冷媒的排氣速度，氣流噪音降低。電機轉速降低，使得電機和壓縮機的運轉部件磨損減少，運行壽命延長。低電流啟動傳統(tǒng)的啟動方式一般是采用星-三角啟動方式，星三角啟動方式有兩個問題：第一、星三角切換過程中對電機有沖擊；第二、冷水機組的啟動電流較大，大約為滿載電流的23倍，大電流對電網(wǎng)的沖擊較大。使用變頻驅動裝置啟動，首先可去除切換的過程，其次可以大大降低啟動電流，使之從1HZ開始，逐漸增加，雖電機的啟動扭矩很大，但啟動電流很小，不超過機組滿負荷電流。從而減少對電網(wǎng)的沖擊，這不僅省掉了啟動柜的費用，還減少了啟動裝置中對機組的沖擊和摩擦，延長了驅動裝置的壽命。

4、見下圖1 圖1、機組啟動電流對比表根據(jù)美國空調和制冷學協(xié)會（ARI）出版的Standard550/590-2003中規(guī)定，一般空調系統(tǒng)只有約1%的時間是運行在滿負荷設計工況，滿負荷運轉時恒速機組會比變頻式機組節(jié)能，因變頻驅動裝置占機組總價的24%左右且在實際運行中，變頻裝置會有大約3%-4%的功率損失。而另外99%的時間都是運行在部分負荷工況。故評價空調產(chǎn)品的節(jié)能效果，測量部分工況時全年耗電量是最直接、最有效的方法。3、變頻離心式冷水機組節(jié)能的原理1、導流片控制冷水機組壓縮機所做的功用于克服進排氣口的壓差，把一定制冷的制冷劑從蒸發(fā)器輸出到冷凝器，如圖2壓縮機做功示意圖所示，其做功量可示意為進排

5、氣口的壓差與輸送的制冷劑質量相乘的矩形面積。進排氣口的壓差與冷卻水、冷水之間的溫差關系，輸送的制冷劑質量與壓縮機制冷量相關。進排氣口壓差壓縮機做功進排氣口壓差進排氣口壓差壓縮機做功進排氣口壓差制冷劑流量/制冷量制冷劑流量/制冷量圖2壓縮機做功示意圖離心式冷水機組壓縮機主要通過改變近期導流葉片的角度調節(jié)冷量，當機組負荷從100%向90%卸載時，沒有設置導流葉片的壓縮機在50%負荷處會達到喘振點。增加倒流葉片的壓縮機可卸載到20-30%，大大擴展了冷機的工作范圍。2、轉速控制對于一般的民用空調項目，由于室內(nèi)空調負荷受室外氣溫的影響較大，室外溫度高，空調負荷大；室內(nèi)溫度低，空調負荷小。由于空調系統(tǒng)9

6、9%的時間都是運行在部分負荷的工況。當機組運行在部分負荷時，由于室外溫度降低，機組的冷卻水溫也會相應降低，再加上空調負荷下降，因此機組冷凝器與蒸發(fā)器壓力之間的壓力差會有很大下降，離心壓縮機是由電機通過增速齒輪帶動葉輪高速旋轉，由此產(chǎn)生的離心力壓縮制冷氣體使動能轉化為壓能。則電機的輸入功率滿足以下關系式：P=KPtfVf /t 其中：P電機功率 K常數(shù) Ptf氣態(tài)制冷劑的全壓 Vf氣態(tài)制冷劑的體積流量 t電機效率根據(jù)流體力學原理，上式中Ptf與轉速的平方成正比， Vf與轉速成正比，所以電機功率與轉速的三次方成正比，當轉速降低時，功耗將急劇下降，不但使機組穩(wěn)定運行于部分負荷，更能大大降低功耗。因此

7、，在滿足生產(chǎn)負荷工況下，變頻冷水機組在部分負荷運行下降低電機運行速度，則會大大降低電機軸功率輸出及保持較高效率運行。同時離心壓縮機也無需消耗無謂的能量來過度加速制冷劑氣體，從而降低了能耗。根據(jù)以上論述變頻離心式冷水機組將導流葉片的調節(jié)與變頻控制有機的結合起來，共同控制壓縮機，控制策略為：一般在70&-100%負荷范圍內(nèi)，機組保持導流葉片全開，通過變頻控制裝置降低壓縮機的電動機轉速來使機組卸載，當負荷低于70%時，導流葉片開始關閉，當負荷低于50%時，為了避免出現(xiàn)喘振，適當?shù)脑黾訅嚎s機的轉速，這樣可以大大增加機組的運行范圍，同時也能達到較好的節(jié)能效果。4、加裝變頻驅動裝置冷機與恒速冷機對比從變頻

8、驅動裝置應用于離心式冷水機組節(jié)能的原理可知，變頻驅動裝置節(jié)能的關鍵是利用低于額定工況下的冷卻水進水溫度，而冷水機組每年只有不到1%的時間在滿負荷工況下運行，也就是說超過99%的時間都是在非額定工況下運行，這也就給變頻驅動裝置提供了節(jié)能的客觀條件。其節(jié)能可分為兩種情況：部分負荷工況下的節(jié)能與地冷卻水溫下的節(jié)能。4.1部分工況下的節(jié)能冷水機組99%以上時間都是運行在部分負荷工況下，通常在部分負荷工況下，恒速離心機通過調節(jié)倒流葉片開度來調節(jié)機組輸出冷量，最高效率點通常在70%-80%負荷左右，當負荷降低，單位冷量能耗增加較顯著。而變頻驅動裝置不斷監(jiān)測下列數(shù)據(jù)：冷凍水溫度，冷卻水溫度設定值，冷媒壓力、

9、導流葉片開度和電機的轉速。然后通過冷機邏輯控制程序，降低壓縮機轉速并較小倒流葉片開度，使機組運行轉速最低而效率最高，從而達到能耗最小。以約克600冷噸的離心機組為例，在冷卻水溫度為25時，恒速離心式冷水機組和變頻驅動裝置的離心式冷水機組的運行參數(shù)如表1所示，曲線圖如圖3、圖4。制冷量（冷噸）負荷百分比恒速輸入功率（KW）變頻機輸入功率（KW）節(jié)約電功率 （KW）恒速機單位功耗（KW/冷噸）變頻機單位功耗（KW/冷噸）12020%9673230.800 0.608 18030%11981380.661 0.450 24040%142100420.592 0.417 30050%166120460

10、.553 0.400 36060%191143480.531 0.397 42070%217166510.517 0.395 48080%245197480.510 0.410 54090%27327300.506 0.506 600100%306321-150.510 0.535 表1、25定冷卻水工況下能效比較表圖3、25定冷卻水工況下每冷噸功耗對比圖4、 25定冷卻水工況下輸入功率對比從上圖表中可以看出，在100%負荷下，變頻離心式冷水機組反而比恒速機組能效比低，這主要是變頻驅動裝置本身會有大約3%-4%的能耗；但是在其余部分負荷下，變頻式離心式冷水機組的單位制冷量的能耗要比恒速離心式冷

11、水機組低很多，而且冷水機組99%左右的時間都是運行在部分負荷下，因此使用變頻離心式冷水機組會節(jié)省大量的能源。4.2 低于設計冷卻水溫下的節(jié)能在夜間、過度季節(jié)及冬季冷水機組運行時，冷卻水溫度往往低于設定值。對于恒速機組，需要由恒定的工作條件，即需要由恒定的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力。但冷卻水溫度降低后，必然使得冷凝壓力相應地降低，此時，為了滿足離心壓縮機的工作條件，只有通過關小導流葉片，減少吸氣量，從而調整離線壓縮機的工作點，以適應更低的冷凝壓力。但以上調節(jié)卻會降低機組的效率值，從而消耗了更多的能量。而使用變頻裝置調速后，則可以通過調整壓縮機的轉速，以適應冷凝溫度的變化，最大限度的利用較低的冷卻水溫，以

12、達到節(jié)能目的。同樣以600冷噸離心機組為例，在70%負荷時，不同冷凝溫度下，恒速機組和變頻機組的運行參數(shù)如下表2所示，曲線圖如圖5、圖6.圖5、變冷卻水溫工況下每冷噸功耗對比圖6、變冷卻水溫工況下輸入功率對比負荷百分比（%）制冷量（冷噸）冷卻水溫度（）恒速機輸入功率（KW）變頻機輸入功率（KW）節(jié)約電功率（KW）恒速及單位功耗（KW/冷噸）變頻機單位功耗（KW/冷噸）70%42016197127700.469 0.30270%42018205142630.488 0.33870%42020214156580.510 0.37170%42024233188450.555 0.44870%4202

13、8255233220.607 0.55570%42030268244240.638 0.58170%42032282270120.671 0.643表2、變冷卻水溫工況能耗對比表由以上圖、表表明，在低于設計冷卻水溫下， 使用變頻驅動裝置有非常明顯的節(jié)能效果，冷卻水溫度越低，節(jié)能效果越明顯，對于夜間、過渡季節(jié)及冬季使用的機組來說，當負荷較小時，這個效果還會更加顯著。以上數(shù)據(jù)表明，帶變頻裝置的離心式冷水機組比恒速離心式冷水機組在非額定工況下有更明顯的節(jié)能優(yōu)勢，為了更加直觀表現(xiàn)節(jié)能優(yōu)勢，采用美國空調與制冷協(xié)會（ARI）在Standard550/590-2003中提議出了部分負荷非標值（NPLV）來衡

14、量機組的部分負荷性能。該計算公式如下：NPLV=1/(1%A+42%B+45%C+12%D)其中： A100%負荷時單位冷噸能耗KW/冷噸，冷卻水進水溫度為設計工況；B75%負荷時單位冷噸能耗KW/冷噸 ，冷卻水進水溫度為100%與50%工況的平均值；C50%負荷時單位冷噸能耗KW/冷噸 ，冷卻水進水溫度18.3；D25%負荷時單位冷噸能耗KW/冷噸 ，冷卻水進水溫度18.3. 同樣以約克600冷噸離心式冷水機組，冷卻水進水溫度為32，恒速機組與變頻機制的NPLV值如下表3所示：負荷百分比（%）制冷量（冷噸）冷卻水溫度（）恒速機輸入功率（KW）變頻機輸入功率（KW）恒速機NPLV（KW/冷噸）

15、變頻機NPLV（KW/冷噸）100%600320.6550.6870.5640.38275%45025.20.5620.47850%30018.30.5310.3225%15018.30.720.387表3、部分負荷非標值（NPLV）對比表由上述計算可知，變頻驅動裝置的離心式冷水機組與恒速離心式冷水機組的NPLV值分別為0.382KW/冷噸和0.563KW/冷噸，變頻機組相對提高部分負荷能效越為32%。因此在節(jié)能方面，待變頻裝置的冷水機組相對恒速離心式冷水機組有著無可比擬的優(yōu)勢。根據(jù)歷年工程案例表明，同樣冷量的冷水機組，使用變頻離心機組比恒速離心式冷水機組，年運行費節(jié)省1525%左右。6、結束

16、語根據(jù)我國對制冷劑使用現(xiàn)狀，冷水機組一般不是單獨一臺而是三臺、四臺甚至更多，故系統(tǒng)節(jié)能設計甚為重要，冷水機組的合理的使用有著重要意義，能夠十分明顯地降低能源的消耗。加裝變頻裝置會增加前期的投資，但長久來看，加裝變頻裝置的離心式冷水機組更有利于能源的節(jié)約。參考文獻 1張業(yè)明，蔡茂林.面向壓縮機群控制的新型節(jié)能智能控制器的研究J.液壓氣動與密封，2011年，第5期：5-7. 2姜子橋.暖通冷機群控系統(tǒng)節(jié)能問題研究J.企業(yè)技術開發(fā)，2011年，第2期：15-16.3肖海旭.暖通節(jié)能空調的設計探討J.科學決策，2011年，第12期：56-584何金剛，王磊，吳楊.節(jié)能環(huán)保技術在暖通冷機群控系統(tǒng)中的應用J.建筑節(jié)能，2013年，第7期：104-106. 5李漢章。建筑節(jié)能技術指南，中國建筑工業(yè)出版社。20066 HYPERLINK /Article/%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20http:/S