中央空调变频改造方案

概述
　　 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，且留有一定的设计余量。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，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。
　　由于四季的变化，阴晴雨雪及白天与黑夜时，外界温度不同，使得中央空调的热负荷在绝大部分时间里远比设计负荷低。也就是说，中央空调实际大部分时间运行在低负荷状态下。据统计，67%的工程设计热负荷值为94-165W/m2，而实际上83%的工程热负荷只有58-93 W/m2，满负荷运行时间每年不超过10-20小时。
　　实践证明，在中央空调的循环系统（冷却泵和冷冻泵）中接入变频系统，利用变频技术改变电机转速来调节流量和压力的变化用来取代阀门控制流量，能取得明显的节能效果。
  
一、普通中央空调工作系统
1、工作简图  
         
2、工作简述
⑴、中央空调启动后，冷冻单元工作，蒸发器吸收冷冻水中的热量，使之温度降低；同时，冷凝器释放热量使冷却水温度升高。
⑵、降了温的冷冻水通过冷冻泵加压送入冷冻水管道，在各个房间由室内风机加速进行热交换，带走房间内的热量使房间内的温度降低后，又流回冷冻水端。
⑶、而升了温的冷却水通过冷却泵压入冷却塔，由冷却塔风机加速将冷却水中的热量散发到大气中，使水温降低后，流回冷却水端。
⑷、冷冻机组工作一段时间后，达到设定温度，由温度传感器检测出来，并通过中间继电器及接触器控制冷冻机停止工作，温度回升到一定值后又控制其运行。
  
二、普通中央空调存在的问题
1、冷冻水，冷却水循环泵不能根据实际需求来调整循环量，电机工作效率低下，造成大量电力浪费，并加速机组磨损；
2、 其控制接触器等电器动作频繁，导致使用寿命短，维修量大；而对于大容量系统，传统的控制线路复杂，可靠性差，需专人负责；
3、 整个系统运行噪音大、控制性能差、耗电量大、使用寿命短;在维护管理，检修调整方面工作量大，维护费用高。
  
三、节能原理
　　由流体传输设备水泵、风机的工作原理可知：水泵、风机的流量（风量）与其转速成正比；水泵、风机的压力（扬程）与其转速的平方成正比，而水泵、风机的轴功率等于流量与压力的乘积，故水泵、风机的轴功率与其转速的三次方成正比（即与电源频率的三次方成正比）根据上述原理可知：降低水泵、风机的转速，水泵、风机的功率可以下降得更多。例如:将供电频率由50Hz降为45Hz，则P45/P50=（45/50）3=0.729，即P45=0.729P50（P为电机轴功率）；将供电频率由50Hz降为40Hz，则P40/P50=（40/50）3=0.512，即P40=0.512P50（P为电机轴功率）。
  
   　　
   　　
     由以上内容可以看出，用变频器进行流量（风量）控制时，可节约大量电能。中央空调系统在设计时是按现场最大冷量需求量来考虑的，其冷却泵，冷冻泵按单台设备的最大工况来考虑的，在实际使用中有90%多的时间，冷却泵、冷冻泵都工作在非满载状态下。而用阀门、自动阀调节不仅增大了系统节流损失，而且由于对空调的调节是阶段性的，造成整个空调系统工作在波动状态；而通过在冷却泵、冷冻泵上加装变频器则可一劳永逸地解决该问题，还可实现自动控制，并
可通过变频节能收回投资。同时变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对系统的平稳调节，使系统工作状态稳定，并延长机组及网管的使用寿命。
　　因此，随热负荷而改变水量的变流量空调水系统显示了巨大的优越性，因而得到越来越广泛的应用，采用SPWM变频器调节泵的转速，可以方便地调节水的流量，根据负荷变化的反馈信号经PID调节与变频器组成闭环控制系统，使泵的转速随负荷变化，这样就可以实现节能，其节能率通常都在20%以上。改造的节电率与用户的使用情况密切相关，一般情况下，春、秋两季运行节电率较高，可达40%以上，夏季由于用户本身需要的电能就大，可节省的空间有限，一般在20%左右。
四、节能方案
1、整体说明
　　贵司中央空调系统目前有2台110KW冷却泵，3台110KW冷冻泵。我们可对冷却系统和冷冻系统进行节能改造。
　　中央空调实际运行时，冷却系统和冷冻系统的进、出水温差（△T）约为2ºC，根据：
　　冷冻水、冷却水带走的热量（r）= 流量（Q）×温差（△T）
　　我们可以适当提高温差（△T），降低流量（Q），即降低转速，即可达到节能的目的。
分析：采用变频器配合可编程控制器组成控制单元，其中冷却水泵，冷冻水泵均采用温度自动闭环调节即用温度传感器对冷却水、冷冻水的水温进行采样，并转换成电信号（一般为4—20mA，0—10V等）后送至 PLC ,PLC 将该信号与设定值进行比较运算后决定变频器输出频率，以达到改变冷冻水泵、冷却水泵转速从而达到节能目的。冷却塔风机变频驱动：可编程控制器根据回水温度信号控制变频器驱动风机，使风机工作在最经济状态而节约大量电能。
  
中央空调系统变频改造的原理示意图如下：
　 　
其中冷却水循环系统，回水与出水温度之差，反应了需要进行交换的热量；根据回水和出水温度之差，通过控制循环水的速度来控制热交换的速度，在满足系统冷却需要的前提下，达到节电的目的。温差大说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大循环速度，加速冷却水的降温；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可降低冷却泵的循环速度，以节约电能。采用变频调速器驱动，两台冷却泵互为备用，可编程控制器（PLC）根据传感器检测到的温差信号，同设定温差比较后控制变频器驱动电机运转。（PLC）先控制变频器软启动电动机M1，当M1到达额定转速时，仍未达到设定温差值时，（PLC）控制M1切换到工频电网运行，然后再启动M2，经控制变频器调节电机M2运转，从而控制冷却水的循环速度；当电机M2工作在下限转速值时，如果检测值大于设定值，（PLC）控制电机M1停机，同时控制变频器调节电机M2转速从而达到设定要求。
在冷冻循环系统中，由于出水温度比较稳定，因此仅回水温度就足以反应了房间的温度，所以PLC可根据回水温度进行控制。回水温度高，说明房间温度高，应提高冷冻泵转速，加快冷冻水的循环；反之回水温度低说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，以节约能源（其控制过程同冷却泵循环系统类似）
  
2、冷冻水系统控制（冷冻泵3个，单台110KW,4极异步电机）
　　对于冷冻水系统，由于低温冷冻水温度取决于蒸发器的运行参数，只需控制高温冷冻水（回水）的温度，即可控制温差，现采用温度传感器、PID调节器和变频器组成闭环控制系统，使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。即不同的季节、不同的空调点负荷的多少要求循环水的流量和压力不同，夏天或空调点较多时要求流量与压力较高，而冬天或空调点较少时要求流量与压力较低，因此设计变频控制系统使供水系统满足最佳流量与压力，达到节能的目的。因空调设计时常对循环水系统考虑较多的满负荷余量，所以变频改造后可以节省大量的电能，节电效果非常理想。
  
3、冷却水系统控制（冷却泵2个，单台110KW，4极异步电机）
　　对于冷却水系统，取冷凝器两侧冷却水的温度作为控制参数，采用温度传感器、PID温差调节器和变频器及冷却水泵组成闭环控制系统，冷却水温差控制在△T2（例如：5℃），使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化，而冷却水的温差保持在设定值不变，使系统在满足主机工况不变条件下，冷却水泵系统节能最大。即冷却水依靠冷却泵给至冷却塔，不同的内部热交换程度要求冷却水循环的流量不同，因在空调设计时会考虑足够多热交换的余量，所以在冬春季节及空调点负荷少时会有大量能源浪费，采用变频恒压控制设备对循环水系统进行控制，可节省大量的电能，节电率达30%以上。
   
（注）：
可对其中一部分进行变频节能改造，也可对全部相关设备进行变频节能改造，改造部分越多，节能效果越佳。简单方法就是在冷却水，冷冻水循环系统，各装设一套变频器，其中冷却变频器供2台冷却水泵切换使用；冷冻变频器供2台冷冻水泵切换使用。（如图4）
  
  
  
  
  
4、控制方式
　　本方案在保留原工频系统的基础上加装变频控制系统，与原工频系统之间仅设置连锁以确保系统工作安全。同时要求2台冷却泵循环使用。
图4：工频/变频切换简图
   
  
五、节能效果分析
     风机水泵的变频调速可达到理想的节能效果。下面举例说明采用变频调速后系统的节能效果：
假设中央空调的冷冻水泵功率PN=100KW，全速时供水量为QN,每天的平均流量为80%QN，泵的空载损耗约为15%PN，则消耗功率为
       P=（100-100＊15%）＊0.8＊0.8＊0.8+100＊15%=58.52KW
节电率为   （100-58.52）/100=42.48%
即使每天的平均流量为90%QN，则消耗功率为
       P=（100-100＊15%）＊0.9＊0.9＊0.9+100＊15%=76.97KW
节电率为   （100-76.97）/100=23.03%
实践证明，改造后系统节电率一般可达到20%-40%以上。
  
六、系统选择
1、 器件选型
　　从性价比的角度出发，主要器件变频器和温度传感器选用进口名牌部件国内组装的产品。低压电器部份选用进口产品。
　　变频器选用易驱变频器ED2003-FP系列产品，因水泵负载不重，按1：1的比例配置即可。温度传感器选用管道式温度变送器。
　
主要装置 ：变频器 水温传感器 、主断路器 交流接触器 、热过载继电器 电气柜、指示灯/转换开关/按钮 交流电压表、交流电流表、互感器、数码LED显示器 高稳定度开关电源、控制电源滤波器 、可选装置（控制系统可编程控制器； A/D、D/A扩展功能模块）。
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七、中央空调系统经变频改造后的性能
　
　（1）采用变频器闭环控制，可按需要进行软件组态并设定温度进行PID调节，使电机输出功率随热负载的变化而变化，在满足使用要求的前提下达到最大限度的节能。
　（2）由于降速运行和软启运，减少了振动、噪音和磨损，延长了设备维修周期和使用寿命，减少了维修维护工作量，并减少了对电网冲击，提高了系统的可靠性。
　（3）系统具有各种保护措施，使系统的运转率和安全可靠性大大提高。
　（4）变频调速闭环控制系统与原工频控制系统互为互锁，不影响原系统的运行，且在变频调速闭环控制系统检修或故障时，原工频控制系统照样可以正常运行。