变频器在中央空调系统的节能应用

中央空调是大厦里的耗电大户,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。

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% 设计余量,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,存在较大的富余,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变化作出相应调节,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,因此,不可避免地存在较大截流损失和大流量、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。

再因水泵采用的是 Y- △起动方式,电机的起动电流均为其额定电流的 3 ～ 4 倍,一台 90KW 的电动机其起动电流将达到 500A ,在如此大的电流冲击下,接触器、电机的使用寿命大大下降,同时,起动时的机械冲击和停泵时水垂现象,容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏,从而增加维修工作量和备品、备件费用。

综上,为了节约能源和费用,需对水泵系统进行改造,经市场调查与了解采用成熟的变频器来实现,以便达到节能和延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。

这是因为变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整水泵电机的转速,在满足中央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵和冷却水泵作出相应调节,以达到节能目的。水泵电机转速下降,电机从电网吸收的电能就会大大减少。

其减少的功耗 △ P=P0 〔 1-(N1/N0)3 〕 ( 1 )式

减少的流量 △ Q=Q0 〔 1-(N1/N0) 〕 ( 2 )式

其中 N1 为改变后的转速, N0 为电机原来的转速, P0 为原电机转速下的电机消耗功率, Q0 为原电机转速下所产生的水泵流量。

由上式可以看出流量的减少与转速减少的一次方成正比,但功耗的减少却与转速减少的三次方成正比。如:假设原流量为 100 个单位,耗能也为 100 个单位,如果转速降低 10 个单位,由( 2 )式△ Q=Q0 〔 1-(N1/N0) 〕 =100 ＊〔 1-(90/100) 〕 =10 可得出流量改变了 10 个单位,但功耗由( 1 )式△ P=P0[1-(N1/N0)3]=100 ＊〔 1-(90/100)3 〕 =27.1 可以得出,功率将减少 27.1 个单位,即比原来减少 27.1% 。

再因变频器是软启动方式,采用变频器控制电机后,电机在起动时及运转过程中均无冲击电流,而冲击电流是影响接触器、电机使用寿命最主要、最直接的因素,同时采用变频器控制电机后还可避免水垂现象,因此可大大延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。

二、 水泵节能改造的方案

中央空调系统通常分为冷冻(媒)水和冷却水两个系统(如下图,左半部分为冷冻(媒)水系统,右半部分为冷却水系统)。根据国内外最新资料介绍,并多处通过对在中央空调水泵系统进行闭环控制改造的成功范例进行考察,现在水泵系统节能改造的方案大都采用变频器来实现。

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,控制方式是:冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。

2、制热模式下冷冻水泵系统的闭环控制

该模式是在中中央空调中热泵运行(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极上调,当温度传感检测到的冷冻水回水温越高,变频器的输出频率越低。