暖通空调系统如何利用变频调速进行节能改造？

    一般而言，空调节能技术共分三种，一是节能元件与节能技术的应用；二是改善空调设计，优化结构参数；三是运行中的节能控制，即变容量控制技术，特别是变频技术。    在集中供冷式中央空调系统中，分散的空调机组和众多的风机盘管随时都在调节过程中，冷冻水使用量在不断变化过程中。如果没有自控措施，则系统压力会很不稳定，甚至使系统不能正常工作。一般的传统做法是在冷冻水的分水缸和集水缸之间加装一套压力旁通控制装置，这样做虽然也能解决压力平衡问题，但很不经济。如果改用变频调速技术来控制冷冻水循环泵的转速（即改变冷冻水流量）来跟踪冷冻水的需求量，便可以取消旁通水量，更好地解决压差平衡，并能大大地节约能源。这种控制方式就是运行中的节能控制。    中央空调是大厦里的耗电大户。在每年的电费中，空调耗电占60%左右，因此中央空调的节能改造显得尤为重要。在中央空调系统中，冷冻水泵和冷却水泵的容量是根据建筑物最大设计热负荷选定的，且留有一定的设计裕量。在没有使用调速的系统中，水泵一年四季在工频状态下全速运行的，只好采用节流或回流的方式来调节流量，产生大量的节流或回流损失，且对水泵电动机而言．由于它是在工频下全速运行，因此造成了能量的大大浪费。    由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留10%～20%设计裕量，然而实际上，绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，存在较大的裕量，所以节能的潜力就较大。其中，冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载的变化做出相应的调节，故存在很大的浪费。    水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成的，因此不可避免地存在较大的截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能，而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。为了解决这些问题，需使水泵随着负载的变化调节水流量并关闭旁通。    另外，由于水泵电动机通常采用的是Y/△启动方式，电动机的启动电流均为其额定电流的3～4倍。一台90kW的电动机，其启动电流将达到500A，在如此大的电流冲击下，接触器、电动机的使用寿命下降，同时，启动时的机械冲击和停泵时的水锤现象容易对机械零件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、备件的费用。   综合以上原因，为了节约能源和费用，有必要对水泵系统进行变频改造，以便达到节能和延长电动机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。    (1)冷冻（媒）水泵系统的闭环控制    冷冻（媒）水泵系统的闭环控制主要有以下两种情况。    ①制冷模式下冷冻水泵系统的闭环控制 该方案在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减。其控制方式是冷冻回水温度大于设定温度时频率无级上调。    ②制热模式下冷冻水泵系统的闭环控制 该模式是在中央空调热泵运行（即制热）时冷冻水泵系统的控制方案。同制冷模式控制方案一样，在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减。不同的是冷冻回水温度小于设定温度时频率无级上调，当温度传感检测到的冷冻水回水温度越高，变频器的输出频率越低。    (2)冷却水系统的闭环控制    冷却水系统的闭环控制是在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量，当中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，从而达到在保证中央空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的。    现有的控制方式大都先确定一个冷却泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷却水泵的频率是取冷却管进、出水温度差和出水温度信号来调节；当进、出水温差大于设定值时，频率无级上调；当进、出水温差小于设定值时．频率无级下调；同时当冷却水出水温度高于设定值时，频率优先无级上调；当冷却水出水温度低于设定值时，按温差变化来调节频率，进、出水温差越大，变频器的输出频率越高；进、出水温差越小，变频器的输出频率越低。    (3)送风机的节能控制    中央空调系统中冷暖的输送介质通常是水，在末端将与热交换器充分接触的清洁空气由风机直接送入室内，从而达到调节室温的目的。在输送介质水温度恒定的情况下，改变送风量，即可以改变带入室内的制冷热量，从而较方便地调节室内温度，这样便可以根据自己的要求，来设定需要的室温调整风机的转速。因此，可以使用变频器对风机实现无级变速，从而节约了能源，降低了系统噪声，其经济性和舒适性是不言而喻的。    (4)中央空调制冷系统的特点    ①目前制冷系统的节能指标制冷系统的节能指标，如冷水机组冷冻水进、出水温度，冷却水进、出水温度，室内、外环境空气的温度、湿度等。在这些条件下，每生产1kW制冷量所耗用能量应为最小。按目前的节能指标：每生产1kW制冷量的耗电量不得大于0. 213kW。用以上这个能耗指标来控制空调工程设计。    然而，空调的制冷系统仅仅考虑在设计工况下，即在满负荷条件下运行时的能耗指标是不够的，还应考虑空调制冷系统在部分负荷下运行的节能问题。    ②空调制冷系统在部分负荷下运行的概率 一般空调制冷系统的设计都是以最大负荷为设计工况的，但在实际运行中，所有的因素综合与设计工况相符合的情况是比较少的，因此空调制冷系统常常会在部分负荷下运行。据统计，空调制冷系统在满负荷情况下运行只占20%～30%，在70%～80%的时间是在部分负荷下运行的。这就给空调设计工程师们提出了一个新问题，在部分负荷运行情况下，如何设计才能使空调制冷系统符合节能的原则。这比在设计工况下提出能耗指标更为重要。    ③离心式冷水机组运行时的节能特性 离心式冷水机组的工作效率，除了考虑离心式压缩机本身的效率外，还与冷凝器和蒸发器的换热效率有关，所以判断离心式冷水机组的效率应该判断离心式压缩机及冷凝器和蒸发器的综合效率，这就为离心式冷水机组在部分负荷情况下的运行如何节能创造了条件。从各厂家离心式冷水机组运行特性曲线看，各种系列冷水机组特性曲线基本相同差别很小。以美国约克公司生产制冷量650Rt／h的离心式冷水机组特性曲线为例，在部分负荷运行节能情况见表8-1。    表8-1    650Rt/h离心式冷水机组节能情况
    从表8-1中的数据可以看出，负荷在40%～100%之间时，随着负荷的下降，每产生1kW制冷量的耗电比满负荷时少，而负荷在10%～40%时，随着负荷的下降，每产生1kW制冷量的耗电均比满负荷大。因此，为了节能，必须将冷水机组控制在40%～100%之间运行。    (5)中央空调系统中的循环泵节流变频控制    ①循环泵的节流变频控制系统循环泵的节流变频控制系统必须要做到压差检测的合理性，如图8-9所示。其具体做法是在供水管和回水管之间加装一只压差传感器，将压差数值转换成4～20mA的标准信号，送到变频器的模拟量输入端，经变频器的数据处理系统计算并与设定压力值比较后，给出比例调节(PID)后的输出频率，以改变水泵电动机的转速来恒定供回水管之间压差的目的，形成一个完整的闭环控制系统。当管道用水量加大时，管道压差会有所下降，自控环节令变频器输出频率有所上升，电动机转速随即上升，使管道压差回升至设定值；反之，频率会降低，管道压差相应回落，最终达到供回水压差恒定的目的，使空气处理器两侧压差恒定，空气处理器就有效供暖或制冷，不至于采用节流技术后制冷或供暖效果跟不上的状况。
    图8-9    循环泵的节流变频控制系统    ②多台循环泵的变频控制过程一般的中央空调系统都由多台循环水泵组成，这时要实现多泵循环控制可以再配置一台智能控制器（或PLC或单片机），即可实现一台变频器多泵联用。图8-10是三泵联用的简图。
    图8-10    三泵联用简图    当给出启泵指令后，K1接通1号泵，使其变频启动；若工作频率升至50Hz，管道压差未达到设定值时，一定延时后，会自动快速切断K1、接通K2，将原先的变频泵切人工频电路运行，并自动接通K3，使2号泵接入变频启动并运行，跟踪管道压差的设定值，如2号泵工作频率上升至50Hz仍达不到设定压差时，则同样顺序启动3号循环泵。相反的过程是，当冷冻水用水量下降时，管道压差会有所提高，自然是要求降低频率。当频率降低到一定值(如10Hz)时，则经一定的延时，会自动切出上一台运行在工频上的循环泵。如果输出的频率再一次低到10Hz，则再切出一台运行在工频的循环泵。总之，始终保持有一台循环泵运行在变频状态。由于是循环控制泵的启停顺序，因而泵的使用率也是均匀的。相应冷冻机组的冷却水循环泵也可类似控制。由于所有的泵都是软启动，所以节省了电动机软启动装置，且压差旁通控制装置也被省去，所以初装费用已可以和装压差平衡阀的方案相比较接近，更何况变频调速还具有可观的长期节省运行费用的经济效益。