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應(yīng)用設(shè)計(jì)

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微能變頻PPS-P節(jié)能系統(tǒng)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

微能變頻PPS-P節(jié)能系統(tǒng)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

一、引言
        隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于賓館、酒店、寫字樓、商場(chǎng)、醫(yī)院大樓、工業(yè)廠房等場(chǎng)合,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由制冷壓縮機(jī)組、冷(熱)媒循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量大多是按照建筑物最大制冷、制熱負(fù)荷或新風(fēng)交換量需求來(lái)選定的,且留有很大的裕量。在使用過(guò)程中無(wú)法隨著如季節(jié)的變化,晝夜的變化,人數(shù)的多少進(jìn)行調(diào)整,電機(jī)長(zhǎng)期在工頻全速運(yùn)行,出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。雖然系統(tǒng)采用了閘閥、檔板節(jié)流方式,但能量浪費(fèi)十分嚴(yán)重,用電量占大廈總用電量的60%以上,其中,水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的40%左右,故有著很大的節(jié)能空間。因此節(jié)約低負(fù)荷時(shí)主壓縮機(jī)系統(tǒng)和水泵、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的電能消耗,具有極其重要的經(jīng)濟(jì)意義。

二、中央空調(diào)系統(tǒng)的工作原理及組成結(jié)構(gòu)
        由主機(jī)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)部分三大部分組成。如下圖所示:

中央空調(diào)系統(tǒng)按負(fù)載類型可將其分為兩大類:
            1.恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載:如螺桿式或離心式制冷主壓縮機(jī)系統(tǒng)的壓縮機(jī),不僅對(duì)軸輸出的轉(zhuǎn)矩具有最小值限定的需求,而且其轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系也近似表現(xiàn)為線性特征。 

            2.平方轉(zhuǎn)矩型負(fù)載:如冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷媒循環(huán)水系統(tǒng)(熱泵循環(huán)水系統(tǒng))、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等的風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載,它們對(duì)軸轉(zhuǎn)矩沒(méi)有嚴(yán)格的需求,其軸功率與轉(zhuǎn)速具有顯著的立方關(guān)系特征。不同的負(fù)載類型具有不同的轉(zhuǎn)矩、功率關(guān)系特性,節(jié)能空間各有不同。

2.1 制冷壓縮機(jī)的節(jié)能調(diào)節(jié)原理
        以蒸汽壓縮式制冷循環(huán)為例,中央空調(diào)的制冷系統(tǒng)其制冷循環(huán)過(guò)程如圖1所示。螺桿壓縮機(jī)的功率調(diào)節(jié)可以通過(guò)變頻調(diào)節(jié)的方式,以降低螺桿的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。(為防止排氣端向排氣孔形成的高壓氣體倒流現(xiàn)象的發(fā)生,如噴油現(xiàn)象,通常將最小排氣量限定在10%左右)。因此,螺桿壓縮機(jī)的功率輸出可以在10%~100%范圍里實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)節(jié)。有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,當(dāng)螺桿壓縮機(jī)負(fù)荷在50%以上時(shí)其功率與負(fù)荷成線性正比關(guān)系,而低于40%負(fù)荷時(shí)其實(shí)際消耗功率遠(yuǎn)大于線性理論計(jì)算功率,所以采用變頻技術(shù)時(shí)無(wú)法全負(fù)荷區(qū)間內(nèi)獲得理想節(jié)能效果,從而使變頻控制技術(shù)的應(yīng)用受到困擾。由上分析可見(jiàn),就中央空調(diào)制冷壓縮機(jī)而言,壓縮機(jī)本身業(yè)已采用了自動(dòng)調(diào)節(jié)方式,一般不建議對(duì)制冷壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。

2.2 風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能調(diào)節(jié)原理 
        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 ∝ n
          P ∝ n2
          N ∝ n3
        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。改造前我們需要判斷系統(tǒng)是否具有節(jié)能潛力。由于中央空調(diào)系統(tǒng)所具有的特殊性,主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮:首先是泵本身的額定流量與揚(yáng)程指標(biāo)和運(yùn)行時(shí)實(shí)際輸出表現(xiàn);其次是系統(tǒng)對(duì)實(shí)際供水需求量所要求的溫度差,或壓力與機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)之間的偏差大小。以冷凍泵為例,采用實(shí)時(shí)采集進(jìn)出水溫度數(shù)據(jù),通過(guò)智能溫度控制器控制運(yùn)算處理,輸出4-20MA的模擬信號(hào),決定變頻器對(duì)泵的調(diào)節(jié)方向與調(diào)節(jié)幅度。為了避免出現(xiàn)“悶泵”或“斷流”現(xiàn)象,泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)限定在一定值以上,這個(gè)下限轉(zhuǎn)速(最低供給揚(yáng)程和流量)可以通過(guò)變頻器的輸出下限頻率來(lái)設(shè)定,在保證足夠的揚(yáng)程和流量的前提下(避免中央空調(diào)系統(tǒng)低壓檢測(cè)報(bào)警動(dòng)作),建議采用溫度控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

三、微能變頻PSS-P節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1冷凍媒水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制(檢測(cè)進(jìn)、出水溫差) 
        中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍循環(huán)水的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫度為:12℃/7℃,額定指標(biāo)冷凝器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水允許溫差為5℃。如進(jìn)出水溫差為2℃,因此從溫差現(xiàn)象角度上看,冷凍循環(huán)水的實(shí)際需求量?jī)H為供給量的2℃/5℃=40%,在變頻調(diào)速情況下,泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速只要工作在額定轉(zhuǎn)速的40%就可以滿足要求,泵的能耗僅約為額定能耗的10%以下,能量的交換不充分原因致使系統(tǒng)的制冷效果變差,因此節(jié)能空間非常大。在保證最末端設(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(一般取25HZ),將其設(shè)定為下限頻率,鎖定冷凍水泵的最低工作速度,通過(guò)智能溫度控制器檢測(cè)冷凍進(jìn)出水溫度差值,來(lái)控制變頻器的頻率增減控制方式,使冷凍回水溫度大于設(shè)定溫度時(shí)頻率無(wú)極上調(diào)。
3.2 制熱模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制(檢測(cè)進(jìn)出、水溫差)
         該模式是在中中央空調(diào)中熱泵運(yùn)行即制熱時(shí)(秋、冬季),和冷凍水泵系統(tǒng)的控制方案一樣,同上。
3.3冷卻循環(huán)水泵開(kāi)環(huán)控制(檢測(cè)進(jìn)出、水溫差) 
        中央空調(diào)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)冷卻循環(huán)進(jìn)出水溫度差為:4℃~8℃,冷卻塔標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫差為:3℃~5℃,用于采暖的熱水進(jìn)出水溫度為:50℃/60℃。該部分由冷卻泵、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(shí),并帶走室內(nèi)大量的熱能,能量從主機(jī)內(nèi)的冷媒傳遞給冷凝器,使冷卻水溫度升高;冷卻泵將升溫后的冷卻水輸送至冷卻水塔(出水),使之與大氣進(jìn)行能量交換,使冷卻降低溫度后再送回主機(jī)冷凝器(回水)。因此,冷卻水循環(huán)系統(tǒng)同時(shí)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。需在冷卻管進(jìn)出出水主管上安裝一個(gè)溫差傳感器如圖1示,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(shuō)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,此種方式將比單測(cè)回水溫度節(jié)能空間大5-10%左右。
        正是因?yàn)閴毫εc流量的過(guò)剩作用使水流過(guò)速、熱交換溫差偏小,因此,可以通過(guò)降低熱泵循環(huán)水的總供應(yīng)流量來(lái)實(shí)現(xiàn)向標(biāo)準(zhǔn)溫差參考值靠近,從而達(dá)到節(jié)約能量的目的。因此,在對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況考察時(shí),不能簡(jiǎn)單地依據(jù)電機(jī)運(yùn)行電流的大小來(lái)判斷,若只簡(jiǎn)單地從冷媒循環(huán)水系統(tǒng)的電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流來(lái)看,就會(huì)發(fā)生沒(méi)有多少節(jié)電空間的錯(cuò)誤判斷。所以,應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)數(shù)據(jù)做依據(jù):如系統(tǒng)設(shè)備容量選型、不同季節(jié)、不同時(shí)間負(fù)荷變化等因素的影響,在實(shí)際投入運(yùn)行的中央空調(diào)系統(tǒng)基本上沒(méi)有與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)相一致的情況,大多數(shù)系統(tǒng)都存在著溫差偏小、揚(yáng)程過(guò)高、流量過(guò)大等現(xiàn)象,利用變頻調(diào)速技術(shù),把系統(tǒng)多余的流量、揚(yáng)程節(jié)省下來(lái),使系統(tǒng)工作在耗能最佳工況下(揚(yáng)程和流量均無(wú)多余的狀態(tài)下),從而達(dá)到既滿足系統(tǒng)需求又使能耗減至最少。
3.4盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)控制 
        每個(gè)房間1套盤管風(fēng)機(jī),電機(jī) 0.40kW 220V,盤管風(fēng)機(jī)最大送風(fēng)溫差為:10℃~15℃,(一般空氣進(jìn)出口溫差取8℃)。盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是同時(shí)使用水和空氣作為室內(nèi)負(fù)荷熱量傳遞介質(zhì)的系統(tǒng),但室內(nèi)大部分主要冷、熱負(fù)荷是由通過(guò)盤管中的冷媒水或熱媒水來(lái)承擔(dān)的,風(fēng)機(jī)主要是以滿足房間的衛(wèi)生換氣需求,以改善房間舒適度,僅承擔(dān)一部分制冷或制熱負(fù)荷。
風(fēng)機(jī)由原來(lái)的人工通過(guò)三檔調(diào)速開(kāi)關(guān)啟停控制風(fēng)機(jī),改為變頻控制。在實(shí)施變風(fēng)量改造后,房間的溫度在特別是冬季可穩(wěn)定控制在17℃±1℃,與工頻消耗電量相比,其日平均節(jié)約電能為80%,相當(dāng)其額定功率的60%以上。特別是改造后房間的噪聲也明顯地得到了改善。
3.5冷卻塔風(fēng)機(jī)控制 
        冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析(一般每套兩臺(tái)風(fēng)機(jī)),原控制方式采用直接啟動(dòng)方式下的工頻全速運(yùn)行。兩臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)均在全速運(yùn)行,系統(tǒng)缺少有效的冷卻效果檢測(cè),沒(méi)有充分利用自然冷卻狀態(tài)下節(jié)約電能的機(jī)會(huì),導(dǎo)致冷卻塔風(fēng)機(jī)處于兩種極端狀態(tài):要么全速運(yùn)轉(zhuǎn),或人工停止,尤其在春、秋、冬季,由于人工操作不能及時(shí)響應(yīng)冷卻塔出水溫度的變化而啟停風(fēng)機(jī),造成因操作管理上帶來(lái)能量的極大浪費(fèi)現(xiàn)象。在改造時(shí),對(duì)每套冷卻塔實(shí)施以進(jìn)水溫度35℃為風(fēng)機(jī)起始運(yùn)行點(diǎn),以30℃為停止運(yùn)行點(diǎn),在35℃~30℃溫度區(qū)間作為風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)依據(jù),實(shí)行溫度PID變風(fēng)量調(diào)節(jié)。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試,在變風(fēng)量控制方式下的能耗僅為工頻啟停控制方式的40%左右,況且變風(fēng)量控制完全規(guī)避了人工啟停工頻運(yùn)行方式下,因操作無(wú)實(shí)時(shí)性或管理不完善造成的能量浪費(fèi)。根據(jù)大量典型的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造案例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,在<
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