中央空調系統節能方案及原理

　　[導讀]中央空調是現代大廈物業、賓館、商場不可缺少的設施，由于中央空調功率大，耗能大，加上設計上存在“大馬拉小車”的現象，支付中央空調所用電費是用戶一項巨大的開支。貴酒店的制冷系統保持整棟大廈內恒溫。因為季節的變化，晝夜的變化，還有賓館酒樓客人入住率的變化以及娛樂場所開放時間的變化，這樣該系統制冷量具有很明顯的需求變化，加之工藝設計上電機功率設計有相當的富裕量。

　　中央空調是現代大廈物業、賓館、商場不可缺少的設施，由于中央空調功率大，耗能大，加上設計上存在“大馬拉小車”的現象，支付中央空調所用電費是用戶一項巨大的開支。貴酒店的制冷系統保持整棟大廈內恒溫。因為季節的變化，晝夜的變化，還有賓館酒樓客人入住率的變化以及娛樂場所開放時間的變化，這樣該系統制冷量具有很明顯的需求變化，加之工藝設計上電機功率設計有相當的富裕量。所以加變頻節能改造是十分必要和有明顯節電效果的。隨著變頻技術的成熟和發展，“一天的電費用兩天的電”不再是天方夜譚。對中央空調進行節能改造是降本增效的一條捷徑。

　　■ 節能改造的對象

　　中央空調系統的工作過程是一個不斷地進行熱交換的能量轉換過程。冷卻水和冷卻水循環系統是能量的主要傳遞者。因此，對冷凍水和冷卻水循環系統的控制便是中央空調控制系統的重要組成部分，也是節能改造的對象。

　　1、冷凍水循環系統

　　由冷凍泵及冷凍水管道組成。從冷凍主機流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，通過各房間的盤管，帶走房間內的熱量，使房間內的溫度下降，同時，房間內的熱量被冷凍水吸收，使冷凍水的溫度升高。溫度升高了的循環水經冷凍主機后又成為冷凍水，如此循環不已。

　　從冷凍主機流出，進入房間的冷凍水簡稱為“出水”，流經所有房間后回到冷凍主機的冷凍水簡稱為“回水”。無疑回水的溫度將高于出水的溫度形成溫差。

　　2、冷卻水循環系統

　　冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍主機在進行熱交換、使水溫冷卻的同時，必將釋放大量的熱量。該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進行熱交換。然后再將降溫了的冷卻水，送回到冷凍機組。如此不斷循環，帶走了冷凍主機釋放的熱量。

　　流進冷凍主機的冷卻水簡稱為“進水”，從冷凍主機流回冷卻塔的冷卻水簡稱為“回水”。同樣，回水的溫度將高于進水的溫度形成溫差。

　　■ 節能原理

　　1、變頻調速節能

　　冷凍水泵和冷卻水泵都是傳送流體的裝置，這類負載消耗的能量與流量的立方成正比，推算可得到能量消耗與轉速的關系，具體的關系表達式：

　　即 Q=K1n; H=K2n2; P=Q×H=K1K2n2=K3n3

　　式中，K為常數，n為電機的轉速。

　　又，三相交流異步感應電機的轉速通常設在n=120×f×(1-s)/p;式中f為供電頻率，s為滑差率，p為電機極數。

　　電機一旦選定后，S、P基本確定，則n可近似為n=k0f,即與供電頻率成線性正比關系。

　　則，當頻率為50Hz時，n=k0×50轉/分，功率P1=K(k0×50)3;當頻率為45Hz時，n=k0×45轉/分，功率P2=K(k0×45)3。

　　P2/P1=K(k0×45)3/K(k0×50)3×100%=72.9%，由此可見，當電源頻率從50Hz降為45Hz時，就可節約電能達27.1%。

　　當用閥的開度來控制水量的大小時，管阻檔板阻曲線與功率P變化(如圖1)。由曲線1到曲線2，水量減少了，而功率卻沒有減少多少。而通過改變轉速n來調節流量情況就不同了(如圖2)。

　　調節轉速時H-Q曲線由曲線1到曲線2，閥的開度100%時，管阻曲線不變，功率節省了很多。節省量，其中n1為調節前的轉速，其中n2為調節后的轉速。

　　上述推算，可得到一個定性的概念。也就是說，對于一個傳統的空調系統，由于空調設備均按設計工程選配，絕大多數時間設備均在低負荷情況下運轉，這樣無用功耗掉很大一部分能量。如果改由節能器進行變速驅動，可能此時電機只需以5Hz的速度運轉就能滿足對整個系統溫度控制要求。根據上面的理論推算可知，實際節能就可高達27.1%。

　　2、軟啟動節能

　　由于電機全壓啟動時，空載啟動電流等于(3～7)倍于額定電流，因此通常在帶載電機啟動時，會對電機和供電電網造成嚴重的沖擊，導致對電網容量要求過高，而且啟動時對設備產生的大電流和震動對設備極為不利;而啟、停時，大錘效應極易造成管道破裂，采用節能的軟啟動功能將會使啟動電流遠遠低于額定電流實現電機真正意義上的軟啟動。不但減少了對電網和管網的沖擊，且能延長設備使用壽命，減少設備維修費用。

　　■ 冷卻水循環系統節能方案

　　1、節能控制的主要依據

　　冷卻水的進水溫度也就是冷卻水塔內水的溫度，它取決于環境溫度和冷卻風的工作情況;回水溫度主要取決于冷凍主機的發熱情況，但還和進水溫度有關。

　　(1)溫度控制

　　在進行控制時，有兩個基本情況：如果回水溫度太高，將影響冷凍主機的冷卻效果，為了保護冷凍主機，當回水的溫度超過一定值后，必須進行保護性跳閘。一般情況下，回水溫度不得超過33℃。因此，根據回水溫度來決定冷卻水的流量是可取的。即使進水和回水的溫度很低，也不允許冷卻水斷流。因此，在設置節能器參數時，需預置一個下限頻率。

　　綜合起來，即是：當回水溫度較低時，冷卻泵以下限轉速運行;當回水溫度較高時，冷卻泵的轉速也逐漸升高，而當回水溫度升高到某一設定值(如32℃)時，應該采取進一步措施;或增加冷卻泵的運行臺數，或增加水塔冷卻風機的運行臺數。

　　(2)溫差控制

　　溫差量能反映冷凍主機的發熱情況、體現冷卻效果的是回水溫度T0與進水Ti之間的“溫差”△t,因為溫差的大小反映了冷卻水從冷凍主機帶走的熱量，所以，把溫差△t作為控制的主要依據，通過變頻調速實現溫差控制是可取的。即：溫差大，說明主機產生的熱量多，應提高冷卻泵的轉速、加快冷卻水的循環，反之，溫差小，說明主機產生的熱量少，可以適當降低冷卻泵的轉速、減緩冷卻水的循環。

　　實際運行表明，把溫差值控制在3～5℃的范圍內是比較適宜的。

　　溫差與進水溫度的綜合控制

　　由于進水溫度是隨環境溫度而改變的，因此，把溫差恒定為某值并非上策。因為，當我們采用節能器時，所考慮的不僅僅是冷卻效果，還必須考慮節能效果。具體地說，則：溫差值定低了，水泵的平均轉速上升，影響節能效果;溫差值定高了，在進水溫度偏高時，又會影響冷卻效果。實踐表明，根據進水溫度來隨時調整溫差的大小是可取的。即：進水溫度低時，應主要著眼于節能效果，控制溫差可是當地高一點;而在進水溫度高時，則必須保證冷卻效果，控制溫差應低一些。

　　(3)控制方案

　　根據以上介紹的情況，考慮到節能和制冷的綜合效果，節能器將利用溫差控制為主，回水溫度控制為輔來控制冷卻水系統。根據具體情況，用一臺節能器控制一臺電機或一臺節能器切換控制二臺互為備用電機，具體方式是:用傳感器采集冷卻水進水和出水溫度，PID將溫差量變為模擬量反饋給中央處理器，然后由中央處理器控制節能器輸出為設定的低頻值，電機轉速減慢，水流量減少;當溫度較高時，冷凍機組有更多的熱量需要帶走，這時中央處理器使節能器輸出為設定的較高頻率值，電機轉速加快，水流量增加，帶走更多的熱量。如果冷卻水的回水溫度超過32℃時(可以根據實際情況設定)，節能器優先以較高頻運行。這樣能夠根據系統實時需要，提供合適的流量，不會造成電能浪費。