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1 概述
中央空调系统在现代企业及生活环境改善方面极为普遍,而且是某些生活环境或生产工序中所必须配备的,即所谓人造环境,不仅是温度的要求,还有湿度、洁净度等。之所以要求配置中央空调系统,目的在于提高产品质量,提高人的舒适度,而且集中供冷供热效率高,便于管理,节省投资等。为此,几乎所有企业、高层商厦、商务大楼、会场、剧场、办公室、图书馆、宾馆、商场、超市、酒店、娱乐场、体育馆等中大型建筑上都采用中央空调,它是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一,但由于它的电能消耗非常之大,是用电大户,几乎占了用电量的50%以上,因此其日常开支费用很大。
中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计的,而实际上在一年中,满负载下运行最多只有十多天,甚至十多个小时,绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常,中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载,而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载,几乎长期在100%负载下运行,造成了能量的极大浪费,也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。
随着变频技术的日益成熟,利用变频器、PLC、D/A转换模块、温度传感器、温度模块等部件的有机结合,可构成温差闭环自动控制系统,自动调节水泵的输出流量。采用变频调速技术不仅能使商场室温维持在所期望的状态,让人感到舒适满意,使整个系统工作状态平缓稳定,更重要的是其节能效果高达30%以上,能带来很好的经济效益。
2 中央空调系统构成及工作原理
如图1所示,中央空调系统主要由以下几个部分组成。
2.1 冷冻机组
通往各个房间的循环水经由冷冻机组进行“内部热交换”作用,使冷冻水降温为5~7℃。并通过循环水系统向各个空调点提供外部热交换源。内部热交换产生的热量,通过冷却水系统在冷却塔中向空气中排放。内部热交换系统是中央空调的“制冷源”。
2.2 冷冻水塔
用于为冷冻机组提供“冷却水”。
2.3 “外部热交换”系统
此系统由两个循环水系统组成:
1)冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻管道组成。
从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道,在各个房间内进行热交换,带走房间内的热量,使房间内的温度下降;
2)冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻机组进行热交换,使水温冷却的同时,必将释放大量的热量,该热量被冷却水吸收,促使冷却水温度升高,冷却泵将升了温的冷却水压入水塔,使之在冷却塔中与大气进行热交换,然后再将降了温的冷却水,送回到冷冻机组,如此不断循环,带走冷冻机组所释放的热量。

 

2.4 冷却风机
1)室内风机安装于所有需要降温的房间内,用于将由冷冻水冷却了的冷空气吹入房间,加速房间内的热交换。
2)冷却塔风机用于降低冷却塔中的水温,加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。
中央空调系统的四个部分都可以实施节电改造,但冷冻水机组和冷却水机组改造后的节电效果最为理想。因此我们将重点阐述对冷冻机组和冷却机组的变频调速技术改造,次要说明冷却风机的变频调速技术改造。
3 中央空调系统变频改造的具体方案
现将淅江省嘉兴市某集团公司办公楼的中央空调系统的变频节能改造方案做一具体介绍。
3.1 中央空调原系统存在的问题
该集团中央空调系统改造前的主要设备和控制方式:
1)450 t冷气主机2台,型号为特灵二极式离心机,两台并联运行;
2)冷冻水泵2台,扬程28 m,配用功率45 kW;
3)冷却水泵有2台,扬程35m,配用功率75 kW,冷冻水泵与冷却水泵均采用一用一备的方式运行;
4)冷却塔2台,风扇电机11 kW,并联运行,室内风机4台,5.5 kW,并联运行。
该集团是一家合资企业,为了给员工营造一个良好的工作环境,办公楼大部分空间采用全封密的模式,因此公司大部分空间自然通风效果不好,所以对夏季冷气质量的要求较高。除了一些节假日外,其它时间中央空调都是全开的。由于中央空调系统设计时按天气最热、负荷最大时设计,且留有10%~20%的设计余量。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的调节。这样,冷冻水、冷却水系统几乎长期在大流量、小温差的状态下运行,造成了能量的极大浪费。
原系统中冷冻、冷却水泵采用的均是Y-△起动方式,电机的起动电流均为其额定电流的3~4 倍,在如此大的电流冲击下,接触器的使用寿命大大下降;同时,启动时的机械冲击和停泵时的水锤现象,容易对机械部件、轴承、阀门和管道等造成破坏,从而增加维修工作量、维修费用,设备也容易老化。
另外,由于冷冻泵轴输送的冷量不能跟随系统实际负荷的变化,其热力工况的平衡只能由人工调整冷冻主机出水温度,结果只能是用大流量获得小温差。这样,不仅浪费能量,也恶化了系统的运行环
境与运行质量。特别是在环境温度偏低、某些末端设备温控稍有失灵或灵敏度不高时,将会导致大面积空调室温偏冷,感觉不适,严重干扰中央空调系统的运行质量。
针对上述实际情况,对该集团的中央空调系统实施了利用变频器、人机界面、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等构成的温差闭环自动调速系统的方案。主要对冷冻、冷却水泵进行了变频调速技术改造,达到节约电能、稳定系统、延长设备寿命,提高环境舒适度的目的。
3.2 中央空调系统节能改造的具体方案
对该中央空调节能系统进行变频节能改造的具体装机清单如表1所列。

 

3.2.1 变频节电原理
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)。变频器节能的效果是十分显著的,这种节能回报是看得见的。特别是调节范围大、启动电流大的系统及设备,通过图2 可以直观地看出在流量变化时只要对转速(频率)稍作改变就会使水泵轴功率有更大程度上的改变,此特点使得使用变频器进行调速成为一种趋势,而且不断深入并应用于各行各业的调速领域。
根据上述原理可知:改变水泵、风机的转速就可改变水泵、风机的输出功率。
图中阴影部分为同一台水泵的工频运行状态与变频运行状态在随着流量变化所消耗的功率差。
3.2.2 系统电路设计和控制方式
根据中央空调系统冷却水系统的一般装机形式,建议在冷却水系统和冷冻水系统各装两套传动之星SD-YP 系列一体化变频调速控制柜,其中冷却变频调速控制柜供两台冷却水泵切换(循环)使用,
冷冻变频调速控制柜供两台冷冻水泵切换(循环)使用。变频节能调速系统是在保留原工频系统的基础上改装的,变频节能系统的联动控制功能与原工频系统的联动控制功能相同,变频节能系统与原工频系统之间设置了联锁保护,以确保系统工作安全。利用变频器、人机界面、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合,构成温差闭环自动控制系统,自动调节水泵的输出流量,为达到节能的目的提供了可靠的技术条件。如图3所示,给出了主电路具体的改造方案。

 

3.2.3 系统主电路的控制设计
根据具体情况,同时考虑到成本控制,尽可能地利用原有的电器设备。冷冻水泵及冷却水泵均采用一用一备的运行方式,因备用泵转换时间与空调主机转换时间一致,切换频率不高,所以冷冻水泵和冷却水泵电机的主备切换控制利用原有电器设备,通过接触器、启停按钮、转换开关进行电气和机械互锁。确保每台水泵只能由一台变频器拖动,避免两台变频器同时拖动同一台水泵造成交流短路事故;并且每台变频器任何时间只能拖动一台水泵,以免一台变频器同时拖动两台水泵而过载。
3.2.4 系统功能控制方式
上位机监控系统主要通过人机界面完成对工艺参数的检测,各机组的协调控制以及数据的处理、分析等任务;下位机PLC主要完成数据采集,现场设备的控制及联锁等功能。具体工作过程中,开机时,开启冷水及冷却水泵,由PLC控制冷水及冷却水泵的启停,由控制冷水及冷却水泵的接触器向制冷机发出联锁信号,开启制冷机,由变频器、温度传感器、温度模块组成的温差闭环控制电路对水泵进行调速以控制工作流量,同时PLC控制冷却塔根据温度传感
器信号自动选择开启台数;当过滤网前后压差超出设定值时,PLC发出过滤堵塞报警信号;送风机转速的快慢是由回风温度与系统设定值相比较后,用PID方式控制变频器,从而调节风机的转速,达到调节回风温度的目的。停机时,关闭制冷机,冷水及冷却水泵以及冷却塔延时15 min 后自动关闭。保护时,由压力传感器控制冷水及冷却水的缺水保护,压力偏低时自动开启补水泵补水。

 

3.3 系统节能改造原理
变频节能系统示意图如图4所示。
1)对冷冻泵进行变频改造PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读入控制器内存,并计算出温差值;然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的转速,调
节出水的流量,控制热交换的速度。温差大,说明室内温度高系统负荷大,应提高冷冻泵的转速,加快冷冻水的循环速度,加大流量,加快热交换的速度;反之温差小,则说明室内温度低,系统负荷小,可降低冷冻泵的转速,减缓冷冻水的循环速度,减小流量,
降低热交换的速度以节约电能。
2)对冷却泵进行变频改造由于冷冻机组运行时,其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温,再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。冷却水进水出水温差大,说明冷冻机负荷大,需冷却水带走的热量大,应提高冷却泵的转速,加大冷却水的循环量;温差小,则说明,冷冻机负荷小,需带走的热量小,可降低冷却泵的转速,减小冷却水的循环量,以节约电能。
3)冷却塔风机变频控制通过检测冷却塔水的温度对冷却塔风机进行变频调速闭环控制,使冷却塔水温恒定在设定温度,可以有效地节省风机的电能额外损耗,能达到最佳节电效果。
4)室内风机组变频控制通过检测冷房温度对变风机组的风机进行变频调速闭环控制,实现冷房温度恒定在设定温度。室内风机组变频控制后可达到理想的节电效果,并且使空调效果更佳。

 

3.4 系统流量、压力保障
本方案的调节方式采用闭环自动调节控制,冷却水泵系统和冷冻水泵系统的调节方式基本相同,用温度传感器对冷却(冷冻)水在主机上的出口水温进行采样,转换成电量信号后送至温控器将该信号
与设定值进行比较运算后输出一模拟信号(一般为4~20 mA、0~10 V等)给PLC,由PLC、D/A转换模块、温度传感器、温度模块进行温差闭环控制,手动/自动切换和手动频率上升、下降由PLC控制,最后把数据传送到上位机人机界面实行监视控制。变频器根据PLC 发出的模拟信号决定其输出频率,以达到改变水泵转速并调节流量的目的。
冷却(冷冻)水系统的变频节能系统在实际使用中要考虑水泵的转速与扬程的平方成正比的关系,以及水泵的转速与管损平方成正比的关系。在水泵的扬程随转速的降低而降低的同时管道损失也在降
低,因此,系统对水泵扬程的实际需求一样要降低;
而通过设定变频器下限频率的方法又可保证系统对水泵扬程的最低需求。供水压力的稳定和调节量可以通过PID参数的调整。当供水需求量减少时,管道压力逐渐升高,内部PID调节器输出频率降低,当变频器输出频率低至0 Hz时,而管道在一设定时间内还高于设定压力,变频器切断当前变频控制泵,转而控制下一个原工频控制泵,变频器在水泵控制转换过程中,逐渐轮换使用水泵,使每个水泵的利用率均等,增加系统、管道压力的稳定性和可靠性。
4 中央空调系统进行变频改造的优点
变频节能改造后除了可以节省大量的电能外还具有以下优点:
1)电机起动是软起动,电流从0 A到额定电流变化,减小了大电流对电机的冲击;
2)电机软起动转速从0 开始缓慢升速,可以有效减少水泵或风机的机械磨损;
3)变频器是高性能的电力电子设备,具有较强的电机保护功能,能延长系统各部件的使用寿命;
4)使室温维持恒定,让人感到舒适;
5)经过改造后,可以使系统具有较高的可靠性,减少了环境噪音,减少了维修维护工作量。
5 传动之星SD-YP系列一体化变频器的优点
1)采用独特的空间矢量(SVPWM)调制方式;
2)操作简单,具有键盘锁定功能,防止误操作;
3)内置PID功能,可接受多种给定、反馈信号;
4)具有节电、市电和停止三位锁定开关,便于转换及管理;
5)保护功能完善,可远程控制;
6)超静音优化设计,降低电机噪声;
7)安装比较方便,不用改变原有的配电设施及环境;
8)稳定整个系统的正常运行,抗干扰能力强;
9)具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能及声光报警功能。
6 结语
在科技日新月异的今天,积极推广变频调速节能技术的应用,使其转化为社会生产力,是我们工程技术人员应尽的社会责任。对落后的设备生产工艺进行技术革新,不仅可以提高生产质量、生产效率,创造可观的经济效益,对节能、环保等社会效益同样有着重要的意义。随着变频器应用普及时代的来临,不仅扩大了变频器的应用市场,而且为中央空调应用也提出了新的课题。预计在不久的将来,由于变频调速技术的介入,中央空调系统将真正地进入经济
运行时代,希望上述工作对于同仁们在传统的电气传动设备技术改造和推进高新技术产品的普及应用工作中能有所启示和借鉴。

 

 

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