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一、 前言  

    中央空調是寫字樓、酒店、商場里的耗電大戶，大約占總耗電量的60%左右，因此中央空調的節能改造顯得尤為重要。由于在進行方案設計時，中央空調系統必須按天氣最熱、負荷最大時的工況進行設計，并且留有10-20%的設計余量，然而實際上絕大部分時間內空調是不會運行在滿負荷狀態下的，存在很大的富余，其中，主機可以根據負載變化隨之加載或減載，而冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負載變化做出相應調節，存在很大的浪費。由于水的放熱系數與水流速的0.8次方呈正比、而水流的壓力損失與水流速的平方呈正比，因此水流速增高時，放熱系數的增加并不明顯，并且流速增加到一定程度時，幾乎就不再變化，而壓力損失卻非常大，因此當機組處在非額定負荷時，就可以通過循環水量的降低，從而減少動力消耗。中央空調水泵系統的流量與壓差是靠閥門和旁通調節來完成，因此，不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現象，不僅大量浪費電能，而且還造成中央空調末端達不到合理效果的情況。為了解決這些問題需使水泵隨著負載的變化調節流量并關閉閥門、旁通等。由于水泵多采用的是Y-△起動方式，電機的起動電流為其額定電流的3～4倍，一臺55KW的電動機其起動電流將達到300A以上，在如此大的電流沖擊下，空氣開關、接觸器、電機的使用壽命都將大大下降，同時，起動時的機械沖擊和停泵時的水錘現象，容易對軸承、閥門、管道等造成破壞，從而增加維修工作量和備品、備件費用。
  
    典型的中央空調機組系統主要由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統及主機三部分組成： 
   

● 冷凍水循環系統 
 
    該部分由冷凍泵、室內風機及冷凍水管道等組成。從主機蒸發器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道（出水），進入室內進行熱交換，帶走房間內的熱量，最后回到主機蒸發器（回水）。室內風機用于將空氣吹過冷凍水管道，降低空氣溫度，加速室內熱交換。 

● 冷卻水循環部分  

    該部分由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等組成。冷凍水循環系統進行室內熱交換的同時，必將帶走室內大量的熱能。該熱能通過主機內的冷媒傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔（出水），使之與大氣進行熱交換，降低溫度后再送回主機冷凝器（回水）。 

● 主機  

    主機部分由壓縮機、蒸發器、冷凝器及冷媒（制冷劑）等組成，其工作循環過程如下：  

    首先低壓氣態冷媒被壓縮機加壓進入冷凝器并逐漸冷凝成高壓液體。在冷凝過程中冷媒會釋放出大量熱能，這部分熱能被冷凝器中的冷卻水吸收并送到室外的冷卻塔上，最終釋放到大氣中去。隨后冷凝器中的高壓液態冷媒在流經蒸發器前的節流降壓裝置時，因為壓力的突變而氣化，形成氣液混合物進入蒸發器。冷媒在蒸發器中不斷氣化，同時會吸收冷凍水中的熱量使其達到較低溫度。最后，蒸發器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體，重新進入了壓縮機，如此循環往復。 

二、工況能耗分析  

    在當今國家大力倡導節能環保的情勢下，各大型中央空調系統節能改造勢在必行，2005年初中電博達節能科技有限公司對北京一家廈門商務會館的中央空調系統用易能EDS2000系列進行了變頻節能改造。2005年冬季正式投入使用，至今運行將近3年時間，根據客戶的反應，此變頻改造后的節能效果非常明顯，每年節電率約在38％，設備維護費每年減少約4萬元！下面就易能變頻器在廈門商務會館中央空調上的具體應用作一下總結以便大家探討之用  

    北京廈門商務會館大廈概況：主樓8層，約50米高，地下兩層，總面積30000平方米。冷凍站設在大廈地下二層內，冷凍機采用直燃式溴化鋰制冷熱水機組，燃料為天然氣，冷量2326KW/臺，熱量1860KW/臺，共二臺（一備一用），總冷量4652KW（300萬KCAL/H），總熱量3720KW（240萬KCAL/H），單臺機冷水流量400米3/小時，給、回水溫度為7℃/12℃，溫差為5℃；熱水流量200米3/H，給、回水溫度為75℃/67℃，（該機最高溫度為95℃，為安全起見，選75℃）溫差為8℃。選用冷卻水泵、冷凍水泵各為55KW，二備二用，共8臺冬夏共用。商用電價較高，平均為0.8元/度。空調一年中使用的時間可分為三段：1、致冷天數為180天、致熱天數為120天，其他采用全新風。2、夏季2臺同時運行時間為10天；冬季2臺同時運行的時間為12天；3、冬、夏兩季每天致熱或致冷的時間各為16小時。  

    原水泵在制冷的180天時間里的電耗和運行費用如下：  
   

    夏季冷卻水泵電耗為：334400KWH；電費為：334400*0.8=267520元  

    原水泵在制熱的120天時間里的電耗和運行費用如下：  
   

    冬季冷卻水泵電耗：221760KWH，電費為：221760*0.8=177408元  

    所有水泵按額定功率運行計算以上兩項合計全年電費為：￥444928元，根據此大廈往年用電記錄顯示：2004年全年“以上兩項實際用電電費為：435928元”即水泵的實際運行功率為額定功率98％左右 

● 下面就冷卻系統作下具體分析：
   

     1、如上圖所示，P1、P2、P3、P4、P5為水壓表，V1、V2、V3為閥門。冷卻系統正常運行時（例如2#冷卻泵、3#冷卻泵運行，1#冷卻泵備用），泵入口壓力P4為0.4Mpa， 2#冷卻泵出口壓力P2為0.8Mpa，閥門V2后的壓力P5為0.65Mpa。顯然，2#冷卻泵增壓為0.8-0.4=0.4Mpa，冷卻水在閥門V2上的降壓為0.15Mpa。由此可見，泵施加到冷卻水上的能量有37%消耗在閥門V2上了。  
 
    2、冷凍水系統的情況與冷卻水系統相同，這里就不在贅述。   

    由以上分析可以得出這樣的結論：在空調機組非額定負荷運行狀態時，冷卻水泵、冷凍水泵卻長期處于滿負荷運行狀態，電機作了大量的無用功，造成了大量電能的浪費。  

三、改造方案   

    控制系統根據溫度傳感器檢測到的溫度信號值，經模擬、數字信號轉換后，通過可編程控制器（PLC）和變頻器調整各泵電機的工作狀態（主要是轉速），保證各電機以最小功率輸出，精確地進行溫度控制，即使變頻控制回路發生故障，本控制系統的變頻—工頻切換功能也可將機組切換到工頻工作，以確保設備正常工作的需要。   

    夏季根據主機組的使用數量和給、回水溫差調整水泵運行的數量和轉速，當冷負荷變化較小時，通過機組的自身的能量系統調節主機組的出力，結合調整水泵的轉速，維持5度的溫差，保證機組的恒流量。當負荷變化較大，冷凍機組運行數量發生變化時，二臺機組同時工作，則四臺泵在額定轉速下運轉。 冷卻水循環系統的回水與出水的溫差，反應了需要交換的熱量多少。根據回水和出水溫差，控制循環水的流速來控制熱交換量，在滿足需要的前提下，達到節電的目的。溫差大說明冷卻機組產生的熱量大，應降低回水和出水的溫度差，通過加快控制循環水的速度來控制熱交換的速度，加速冷卻水的降溫；溫差小，說明冷卻機組產生的熱量小，可降低冷卻泵的循環速度。可編程控制器（PLC）將傳感器檢測到的溫差信號同設定溫差比較后控制變頻器調整電機的轉速。下面分別針對兩套系統進行仔細說明：  

1.    冷凍水系統：   

    對于冷凍水系統，由于低溫冷凍水溫度取決于蒸發器的運行參數（一般冷凍水出水溫度為7℃），只需要控制高溫冷凍水（回水）的溫度，即可以控制溫差，現采用溫度傳感器、PID調節器、變頻器組成閉還控制系統，冷凍水回水溫度控制在12℃，使冷凍水泵的轉速隨著負載熱負荷的變化而變化。控制原理見下圖：
   

2.    冷卻水系統：   

    對于冷卻水系統，取冷凝器兩側冷卻水的溫度作為控制參數，采用溫度傳感器、PID調節器、變頻器、冷卻水泵組成閉還控制系統，冷卻水溫差控制在T2，本系統為5℃，使冷卻水泵的轉速隨著負載熱負荷的變化而變化。控制原理見下圖：
   

   
    根據廈門商務會館中央空調系統的實際情況以及對本系統改造的要求，冷卻水系統可以滿足制冷主機在100%制冷負荷時對冷卻水流量的要求(本系統為1200m3/h)，在主機制冷負荷不足100%時，本系統根據冷卻出水和回水的溫度差，動態地調整泵電機轉速，并以最小的電能向制冷主機提供所需的冷卻水流量。   

    1、本系統設有流量下限(不能低于溴化鋰機組額定流量1200m3/h的60%即720m3/h左右)，這樣就可以保證溴化鋰主機內的流量保護開關在正常情況下不會動作。   

    2、本系統還設有壓力上限，管網內的水壓不會超過管網及制冷主機所能承受的最大壓力。  

3. 易能EDS2000系列變頻器簡單電氣接線圖：   

    廈門商務會館的中央空調變頻改造系統中用四臺EDS2000－4T0550G/P變頻器分別控制二臺冷凍泵、二臺冷卻泵。2臺EDS2000－4T0150G/P的變頻器控制冷卻塔見機，1臺EDS2000－4T0055G/P的控制補水泵，2臺EDS2000－4T0075G/P分別控制二臺熱水泵。   

    1、基本接線圖:     

    2、 參數設置如下：   

    1）根據電機銘牌額定數據，對參數F0.05 ～ F0.09設置。   

    2）F0.00 =5，CCI模擬量4～20mA輸入給定頻率，調節電機轉速。   

    3）F0.02 = 1，選擇端子運行命令控制電機正轉、反轉、停止。    

    4）F0.17 = 30，變頻器下限頻率設為30HZ，為確保中央空調主機最低流量不致于損壞主機而設。  

四、投資回報分析   

    此商務會館的中央空調系統用易能電氣的EDS2000系列改造后，2005年冬正式投入使用，至今快近3年時間，根據這3年的水泵年用電電費記錄表顯示，2006年、2007年電費分別為285682元、267358元。年節電率分別為34.5％，38.7％（與2004年水泵年耗電費435928元比較）  

五、改造后的效果   

    滿足中央空調主機對冷卻水流量的要求，使中央空調主機能夠達到其額定的制冷量，滿足中央空調機組在夏季最熱時能提供足夠的致冷量；在冬季最冷時提供足夠的致熱量。   

    準確地進行溫度控制，提供更舒適的環境；循環水系統（包括冷卻水和冷凍水系統）不能根據溫度來自動調節循環水的循環速度，只能靠人工手動調整閥門的開度來調節循環水的循環速度，從而無法進行準確地溫度控制。采用變頻控制系統后，可根據溫度傳感器反饋回來的溫度信號控制水的循環速度，從而進行準確地溫度控制。   

    節電效果明顯，節電率平均可達35%以上；原系統是用閥門來調整水的循環速度，當閥門關小時，循環水循環時阻力增加，浪費了大量的電能。采用了變頻控制系統后，可將閥門全部打開，通過調整電機的轉速來調整水的循環速度，節省了大量的電能。   

    大幅度地降低噪音，減少公害，保護環境，并節約運行時的蒸汽量。   

    原機組的電機起動時會出現較大的沖擊電流，采用變頻控制后，可以使電機起動時電流平緩上升，沒有電流和機械沖擊，另外，由于大功率電機停機時會產生很大的反饋沖擊電流，對設備造成一定程度的損害。采用變頻控制后，可使電機實現軟停，避免反饋電流造成的危害，有利于延長設備的使用壽命。   

    自動調整冷卻水泵工作狀態，減少維護量，延長管網系統壽命；   

    本控制系統的變頻—工頻切換功能可以使變頻控制系統發生故障時將空調機組切換到工頻工作，以確保空調機組可以正常工作。   

    設有流量下限和壓力上限保證制冷主機及系統管網的運行安全。