中央空調(diào)節(jié)能分析與改造中央空調(diào)節(jié)能改造方案

中央空調(diào)節(jié)能分析與改造中央空調(diào)節(jié)能改造方案隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問題日益嚴(yán)峻，建筑節(jié)能成為當(dāng)今建筑設(shè)計(jì)首先考慮的因素之一。中央空調(diào)是現(xiàn)代高層建筑中必不可少的設(shè)備之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)中央空調(diào)的耗能平均占到建筑物總耗能的65%左右，而中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)行中，滿負(fù)荷運(yùn)行不多，大部分時(shí)間都在70%負(fù)載以下運(yùn)行。雖中央空調(diào)系統(tǒng)中制冷機(jī)組能隨氣溫變化自動(dòng)變頻運(yùn)行，但與之相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻沒有自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，幾乎長(zhǎng)期在100%負(fù)載下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)，因此利用變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，已成為眾多的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛的一種，成為最有用的節(jié)能技術(shù)。

2原系統(tǒng)簡(jiǎn)介

豐澤大廈共15層，其中央空調(diào)系統(tǒng)改造前的主要設(shè)備和控制方式如下：

制冷系統(tǒng)：雙效蒸汽型溴化鋰機(jī)組（型號(hào)SXB6-93DH2M）1臺(tái)；冷凍水泵（型號(hào)ISC100-160）2臺(tái)、揚(yáng)程67m；冷卻水泵（型號(hào)ISC125-125）2臺(tái)，揚(yáng)程37m；均采用一用一備的方式運(yùn)行。冷卻塔（型號(hào)NC*****）1臺(tái)，配備5.5kW風(fēng)扇電機(jī)2臺(tái)。

3原系統(tǒng)的運(yùn)行及存在問題

豐澤大廈是我公司對(duì)外租售的辦公大樓，各種配套設(shè)施齊全，對(duì)環(huán)境的舒適度要求很高。因此，中央空調(diào)的投入使用必不可少，每年的5-10月份每天都必須供應(yīng)冷氣。由于中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷機(jī)組可以根據(jù)負(fù)載變化隨之變頻運(yùn)行，但冷凍泵、冷卻泵不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。這樣，水循環(huán)系統(tǒng)長(zhǎng)期在大流量的狀態(tài)下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)。特別是在某些末端設(shè)備溫控稍有失靈或靈敏度不高時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致大面積空調(diào)室溫偏冷，嚴(yán)重干擾中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。水泵電機(jī)啟動(dòng)電流一般為其額定電流的3~4倍，長(zhǎng)期這樣運(yùn)行使得接觸器使用壽命大為下降；且啟泵時(shí)的機(jī)械沖擊和停泵時(shí)的水錘現(xiàn)象，對(duì)機(jī)械器件、軸承、閥門和管道等造成破壞，增加維修費(fèi)用成本。

4節(jié)能改造的可行性分析

針對(duì)上述問題，我們利用變頻器的運(yùn)行原理進(jìn)行理論分析。對(duì)水循環(huán)系統(tǒng)水泵進(jìn)行改造，以節(jié)約電能。

4.1中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

中央空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷機(jī)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和散熱水塔組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

制冷機(jī)通過壓縮機(jī)將制冷劑壓縮成液態(tài)后送蒸發(fā)器中與冷凍水進(jìn)行熱交換，將冷凍水制冷，冷凍水泵將冷凍水送到各風(fēng)機(jī)的冷卻盤管中，由風(fēng)機(jī)吹送冷風(fēng)達(dá)到降溫的目的。經(jīng)蒸發(fā)后制冷劑在冷凝器中釋放出熱量，與冷卻循環(huán)水進(jìn)行熱交換，由冷卻水泵將帶來熱量的冷卻水泵到散熱水塔上由水塔風(fēng)扇對(duì)其進(jìn)行噴淋冷卻，與大氣之間進(jìn)行熱交換，將熱量散發(fā)到大氣中去?？照{(diào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，隨著時(shí)間不同、使用空間以及氣溫變化，絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，實(shí)際需要的冷負(fù)荷低于設(shè)計(jì)值，但冷凍水泵和冷卻水泵由工頻控制，處于100%的滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，浪費(fèi)大量電能。在中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，管道泵的容量是取系統(tǒng)最大負(fù)荷再增加10%~20%余量作為設(shè)計(jì)安全系數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水、冷卻水循環(huán)用電約占系統(tǒng)用電的12%~24%，而在制冷機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，冷凍水、冷卻水循環(huán)用電就達(dá)30%~40%。因此，實(shí)施對(duì)冷凍水、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的能量自動(dòng)控制是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造及自動(dòng)控制的重要組成部分。

4.2變頻控制原理與特性分析

1)根據(jù)水泵的相似定律，兩種流體應(yīng)滿足幾何相似、動(dòng)力相似和運(yùn)動(dòng)相似，則水泵的轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程和功率之間存在以下關(guān)系：

Q/Qm=n/nm(2)

H/Hm=(n/nm)2(3)

N/Nm=(n/nm)3(4)

式（2）~（4），n為水泵轉(zhuǎn)速，r/min；Q為水泵流量，m3/h；H為水泵揚(yáng)程，m；N為水泵功率，kW。

N/Nm=(Q/Qm）（H/Hm）（5）

式（5）表明，水泵所耗功率和流量與揚(yáng)程的乘積成正比。

2)調(diào)節(jié)流量的方法：

如圖2所示，曲線a是閥門全部打開時(shí)，供水系統(tǒng)的阻力特性；曲線b是額定轉(zhuǎn)速時(shí)，泵的揚(yáng)程特性。這時(shí)供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)為A點(diǎn)：流量QA，揚(yáng)程HA；

圖2變速調(diào)節(jié)與流量變化的關(guān)系

（1）轉(zhuǎn)速不變，將閥門關(guān)小這時(shí)阻力特性如曲線c所示，工作點(diǎn)移至B點(diǎn)：流量QB，揚(yáng)程HB，電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積OQBBHB成正比。

（2）閥門開度不變，降低轉(zhuǎn)速，這時(shí)揚(yáng)程特性曲線如曲線d所示，工作點(diǎn)移至C點(diǎn)：流量仍為QB，但揚(yáng)程為HC，電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積OQBCHC成正比。

對(duì)比以上兩種方法，可以十分明顯地看出，采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法調(diào)節(jié)流量，電動(dòng)機(jī)所用的功率將大為減小，是一種能夠顯著節(jié)約能源的方法。

3)根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)原理：n=60f（1-s）/m(6)

式中，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；60為換算系數(shù)，s/min；f為電源頻率，Hz；s為定子與轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)差率；m為電動(dòng)機(jī)繞組的級(jí)對(duì)數(shù)。

由（6）式可見，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速有3種方法，改變頻率、改變電機(jī)磁極對(duì)數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率。在以上調(diào)速方法中，變頻調(diào)速性能最好，調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運(yùn)行效率高。因此改變頻率而改變轉(zhuǎn)速的方法最方便有效。

根據(jù)以上分析，結(jié)合辦公大樓中央空調(diào)的運(yùn)行情況，利用變頻器對(duì)中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造是切實(shí)可行，較完善的高效節(jié)能方案。

5節(jié)能改造的具體方案

制冷模式下冷卻泵、冷凍泵的控制模式。冷卻水循環(huán)泵、冷凍水循環(huán)泵各配30kW變頻器1臺(tái)，均采用溫度傳感器對(duì)回水進(jìn)行恒溫控制，并根據(jù)循環(huán)水的溫度自動(dòng)地調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量，達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，而且具有軟啟動(dòng)功能。該方案在保證最末段設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個(gè)冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定為下限頻率并鎖定；變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)，是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測(cè)冷凍水回水溫度；再經(jīng)由溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減；其控制方式為：冷凍回水溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，頻率無極上調(diào)最大達(dá)到50Hz；反之，頻率無極下調(diào)最低達(dá)到最低運(yùn)行頻率。

主電路的控制設(shè)計(jì)如下圖：

6節(jié)能改造后效果顯著

空調(diào)系統(tǒng)改造后一年的運(yùn)行電量與先前相比較，累計(jì)節(jié)約用電3.2萬度，電價(jià)按0.78元/kwh計(jì)算，每年可節(jié)約2.5萬元，節(jié)能率達(dá)65%。經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。這次技改總投資約2萬元，投入運(yùn)行一年后就收回成本并達(dá)到節(jié)能增效。其次對(duì)系統(tǒng)的也得到許多好處：采用了變頻器運(yùn)行，消除了啟泵時(shí)大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，停泵時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械沖擊對(duì)管道、閥門、壓力表等的損害；水泵大多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速以下，對(duì)機(jī)械部件的使用壽命得到延長(zhǎng)；電氣故障隨之降低。同時(shí)提高了中央空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組的工作效率和運(yùn)行的自動(dòng)化水平。

7結(jié)論

中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造完成后至今運(yùn)行正常。由于采用了1臺(tái)變頻器（制冷），對(duì)經(jīng)常運(yùn)行的制冷管道泵進(jìn)行一對(duì)一的技術(shù)改造，最大限度地為水泵爭(zhēng)取了變頻運(yùn)行的時(shí)間，把節(jié)能空間爭(zhēng)取到最大，雖然一次性投資較大，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)利益來看是值得的。從過