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一、 前言  

    中央空調(diào)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(diào)的節(jié)能改造顯得尤為重要。由于在進行方案設(shè)計時，中央空調(diào)系統(tǒng)必須按天氣最熱、負荷最大時的工況進行設(shè)計，并且留有10-20%的設(shè)計余量，然而實際上絕大部分時間內(nèi)空調(diào)是不會運行在滿負荷狀態(tài)下的，存在很大的富余，其中，主機可以根據(jù)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(yīng)調(diào)節(jié)，存在很大的浪費。由于水的放熱系數(shù)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(shù)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(huán)水量的降低，從而減少動力消耗。中央空調(diào)水泵系統(tǒng)的流量與壓差是靠閥門和旁通調(diào)節(jié)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(xiàn)象，不僅大量浪費電能，而且還造成中央空調(diào)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(diào)節(jié)流量并關(guān)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(guān)、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(xiàn)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(diào)機組系統(tǒng)主要由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及主機三部分組成： 
   

● 冷凍水循環(huán)系統(tǒng) 
 
    該部分由冷凍泵、室內(nèi)風機及冷凍水管道等組成。從主機蒸發(fā)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(nèi)進行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量，最后回到主機蒸發(fā)器（回水）。室內(nèi)風機用于將空氣吹過冷凍水管道，降低空氣溫度，加速室內(nèi)熱交換。 

● 冷卻水循環(huán)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(huán)系統(tǒng)進行室內(nèi)熱交換的同時，必將帶走室內(nèi)大量的熱能。該熱能通過主機內(nèi)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(fā)器、冷凝器及冷媒（制冷劑）等組成，其工作循環(huán)過程如下：  

    首先低壓氣態(tài)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(tài)冷媒在流經(jīng)蒸發(fā)器前的節(jié)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(fā)器。冷媒在蒸發(fā)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(fā)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(huán)往復。 

二、工況能耗分析  

    在當今國家大力倡導節(jié)能環(huán)保的情勢下，各大型中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造勢在必行，2005年初中電博達節(jié)能科技有限公司對北京一家廈門商務(wù)會館的中央空調(diào)系統(tǒng)用易能EDS2000系列進行了變頻節(jié)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(jù)客戶的反應(yīng)，此變頻改造后的節(jié)能效果非常明顯，每年節(jié)電率約在38％，設(shè)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(wù)會館中央空調(diào)上的具體應(yīng)用作一下總結(jié)以便大家探討之用  

    北京廈門商務(wù)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(shè)在大廈地下二層內(nèi)，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(diào)一年中使用的時間可分為三段：1、致冷天數(shù)為180天、致熱天數(shù)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(jù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的情況與冷卻水系統(tǒng)相同，這里就不在贅述。   

    由以上分析可以得出這樣的結(jié)論：在空調(diào)機組非額定負荷運行狀態(tài)時，冷卻水泵、冷凍水泵卻長期處于滿負荷運行狀態(tài)，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(tǒng)根據(jù)溫度傳感器檢測到的溫度信號值，經(jīng)模擬、數(shù)字信號轉(zhuǎn)換后，通過可編程控制器（PLC）和變頻器調(diào)整各泵電機的工作狀態(tài)（主要是轉(zhuǎn)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(fā)生故障，本控制系統(tǒng)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(shè)備正常工作的需要。   

    夏季根據(jù)主機組的使用數(shù)量和給、回水溫差調(diào)整水泵運行的數(shù)量和轉(zhuǎn)速，當冷負荷變化較小時，通過機組的自身的能量系統(tǒng)調(diào)節(jié)主機組的出力，結(jié)合調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)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(shù)量發(fā)生變化時，二臺機組同時工作，則四臺泵在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)。 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的回水與出水的溫差，反應(yīng)了需要交換的熱量多少。根據(jù)回水和出水溫差，控制循環(huán)水的流速來控制熱交換量，在滿足需要的前提下，達到節(jié)電的目的。溫差大說明冷卻機組產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)降低回水和出水的溫度差，通過加快控制循環(huán)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(chǎn)生的熱量小，可降低冷卻泵的循環(huán)速度。可編程控制器（PLC）將傳感器檢測到的溫差信號同設(shè)定溫差比較后控制變頻器調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。下面分別針對兩套系統(tǒng)進行仔細說明：  

1.    冷凍水系統(tǒng)：   

    對于冷凍水系統(tǒng)，由于低溫冷凍水溫度取決于蒸發(fā)器的運行參數(shù)（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(xiàn)采用溫度傳感器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器組成閉還控制系統(tǒng)，冷凍水回水溫度控制在12℃，使冷凍水泵的轉(zhuǎn)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(tǒng)：   

    對于冷卻水系統(tǒng)，取冷凝器兩側(cè)冷卻水的溫度作為控制參數(shù)，采用溫度傳感器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器、冷卻水泵組成閉還控制系統(tǒng)，冷卻水溫差控制在T2，本系統(tǒng)為5℃，使冷卻水泵的轉(zhuǎn)速隨著負載熱負荷的變化而變化。控制原理見下圖：
   

   
    根據(jù)廈門商務(wù)會館中央空調(diào)系統(tǒng)的實際情況以及對本系統(tǒng)改造的要求，冷卻水系統(tǒng)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(tǒng)為1200m3/h)，在主機制冷負荷不足100%時，本系統(tǒng)根據(jù)冷卻出水和回水的溫度差，動態(tài)地調(diào)整泵電機轉(zhuǎn)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(tǒng)設(shè)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(nèi)的流量保護開關(guān)在正常情況下不會動作。   

    2、本系統(tǒng)還設(shè)有壓力上限，管網(wǎng)內(nèi)的水壓不會超過管網(wǎng)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(wù)會館的中央空調(diào)變頻改造系統(tǒng)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(shù)設(shè)置如下：   

    1）根據(jù)電機銘牌額定數(shù)據(jù)，對參數(shù)F0.05 ～ F0.09設(shè)置。   

    2）F0.00 =5，CCI模擬量4～20mA輸入給定頻率，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。   

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

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

四、投資回報分析   

    此商務(wù)會館的中央空調(diào)系統(tǒng)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(jù)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(jié)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(diào)主機對冷卻水流量的要求，使中央空調(diào)主機能夠達到其額定的制冷量，滿足中央空調(diào)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(huán)境；循環(huán)水系統(tǒng)（包括冷卻水和冷凍水系統(tǒng)）不能根據(jù)溫度來自動調(diào)節(jié)循環(huán)水的循環(huán)速度，只能靠人工手動調(diào)整閥門的開度來調(diào)節(jié)循環(huán)水的循環(huán)速度，從而無法進行準確地溫度控制。采用變頻控制系統(tǒng)后，可根據(jù)溫度傳感器反饋回來的溫度信號控制水的循環(huán)速度，從而進行準確地溫度控制。   

    節(jié)電效果明顯，節(jié)電率平均可達35%以上；原系統(tǒng)是用閥門來調(diào)整水的循環(huán)速度，當閥門關(guān)小時，循環(huán)水循環(huán)時阻力增加，浪費了大量的電能。采用了變頻控制系統(tǒng)后，可將閥門全部打開，通過調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整水的循環(huán)速度，節(jié)省了大量的電能。   

    大幅度地降低噪音，減少公害，保護環(huán)境，并節(jié)約運行時的蒸汽量。   

    原機組的電機起動時會出現(xiàn)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(chǎn)生很大的反饋沖擊電流，對設(shè)備造成一定程度的損害。采用變頻控制后，可使電機實現(xiàn)軟停，避免反饋電流造成的危害，有利于延長設(shè)備的使用壽命。   

    自動調(diào)整冷卻水泵工作狀態(tài)，減少維護量，延長管網(wǎng)系統(tǒng)壽命；   

    本控制系統(tǒng)的變頻—工頻切換功能可以使變頻控制系統(tǒng)發(fā)生故障時將空調(diào)機組切換到工頻工作，以確保空調(diào)機組可以正常工作。   

    設(shè)有流量下限和壓力上限保證制冷主機及系統(tǒng)管網(wǎng)的運行安全。