中央空调节能改造方案与应用

 1.1概述

    变频调速技术作为一种成熟的节能手段已在国民经济的各个领域得到了广泛的应用，利用变频调速技术空调通风系统进行节能改造、可以大幅度降低电力消耗，减少庞大的电费支出。我公司采用全球500强企业美国艾默生公司生产的变频调速器对空调风机、冷冻水泵冷却水泵的节电率在30－60％，可大大地降低了企业的运营成本。

2.1中央空调目前存在的问题

     中央空调系统含冷冻泵。根据季节变化人为决定水泵的运行台数，启动方式大多为星——三角降压启动。工作时泵一直工频运转，不会因室温变化而降速，能源浪费严重。水泵直接起动对设备的冲击大，电机轴承的磨损大，所以设备维护工作量大。
制冷风机一旦工作不会因室温变化而降速，能源浪费严重。

2.2中央空调系统节能分析

    中央空调是大型商场、宾馆、超市、写字楼、工厂等许多用电场所里耗电最大的单元，在总电费支出中，仅中央空调就占去了60％左右，因此中央空调节电就显得尤其重要。但节电不是再生能源，而是提高用电效率，节电一定要有一个节电的空间存在。中央空调在设计和设备选型时通常是按照当地历史上气温最高的天气来设计，且留有15～20％的余量，也就是说即使是在天气最热的季节，空调也是有余量的（个别特殊情况例外），这部分余量为设计余量。    除此之外，一年当中需要开空调的几个月当中，温差也很大，如5月份开空调与8月份开空调相比，5月份就有更大的余量 。单独就一天而言，气温也有高低，中午和晚上所需制冷量也是不一样的， 

     任何一个系统如果没有节电的空间，再谈节电就没有意义，而中央空调正好存在以上分析的节电空间，所以说中央空调节电有很大的空间是完全可能的。    据权威部门调查分析，全国90％以上的中央空调基本是运行在70％的负荷以下，考虑季节气温变化和时差变化因素节电空间就更大。  

    大部分中央空调的主机有自动加载和卸载的功能，且主机有螺杆式、活塞式、离心式等多种机型，不全是平方转矩负载，对其进行节电改造投资大，投资回收期长，一般不改动空调的主机。

     因此，中央空调的改造主要把目光集中在了循环系统上。如果对循环系统进行节电改造，使主机也能间接节电，将是一个很好的节能方案。事实证明，通过对冷冻泵与冷却泵的合理化控制，不但循环系统本身可节能30～60％，而且可以促进主机间接节能5～10％。中央空调系统中的循环系统、冷却泵与冷冻泵除个别小型机型外，大部分为多泵，随着天气变化而启动不同数量的泵，即：气温高时多开泵，气温低时少开泵，表面上看已经采取了节能手段，但是有些情况是没有办法解决的，例如开一台泵不够开两台泵浪费的问题，开0.7台泵就能满足的情况, 但只能开一台泵而造成浪费。中央空调节能系统就是以冷冻水与冷却水的进出水温度为控制依据，对冷冻泵、冷却泵及送风系统的风机进行变频控制，使中央空调系统始终运行在最佳的状态，从而达到节电的目的。 
   
    我们知道，离心式水泵及风机流量压力与轴功率之间存在以下关系：   
    流量与转速的一次方成正比。    
    压力（扬程）与转速的二次方成正比。    
    轴功率与转速的三次方成正比。  
  
    当降低水泵风机的转速时，流量也同比例下降，但功率却以转速的立方迅速下降，它们之间的关系如下表所示：

频率Hz 50 45 40 35 30 25 20 15
转速％ 100 90 80 70 60 50 40 30
压力％ 100 81 64 49 36 25 16 9
扬程％ 100 81 64 49 36 25 16 9
流量％ 100 90 80 70 60 50 40 30
功率％ 100 72.9 51.2 34.3 21.6 12.5 6.4 2.7
节电率％ 0 27.1 48.8 65.7 78.4 87.5 93.6 97.3
举例
 扬程（m） 150 121.5 96 73.5 54 37.5 24 13.5
 流量（m³） 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600
 功率（kw） 110 80.19 56.32 37.73 23.76 13.75 7.04 2.97

    根据以上规律，可以得出对于风机、水泵进行节电改造，可以使系统在经济合理的状态下运行达到节能的目的。

冷冻水冷却水系统是按最大冷负荷进行设计的，但实际宾馆的冷负荷不仅在不同的季节是变化很大的，而且在同一季节不同的天气（晴天和阴雨天）也是变化的，而且在同一天的早中晚各个不同的时刻也都是在变化之中，未采用变频以前只能通过阀门来进行调节，尽管能减少部分负荷但仍造成了很大的电能浪费，采用变频后可以根据冷负荷的变化来调整电机转速和流量，电机的转速发生变化后，所消耗的电能大大减少。

3.1中央空调节能实例分析

汉江国际大酒店，配备有远大中央空调机组，该中央空调循环水水泵机组的电机功率为90KW、75KW、55KW，冷却风机功率7.5KW（计8台），水泵机组采用自藕降压起动后便直接进入50HZ工频工作状态，同样，冷却风机也是采用直接起动方式，直接进入50HZ的工频工作状态。由于中央空调在实际使用过程中，实际设计的供暖（冷）能力要比实际需要的最大供暖（冷）气量要大，同时，也由于实际需要供暖（冷）量也随入住人员的的多少，环境温度的变化、建筑物的隔热程度或通风程度等因素在变化，因而仅仅通过控制机组的间断工作来适应这些变化，是很难做到能量的最优匹配的。这样会造成供大于需的情况，能源也就大大浪费了。

从目前使用情况来看，汉江国际大酒店日耗电一万度以上。日耗电费用数千元，如果采取变频方式来控制机组的运行，实时监控循环水或冷却水的温度，以此设定温度参数来调节电机运行频率。使空调机组、供暖（冷）量与任一时刻的实际用暖（冷）量相匹配，那节省能量是十分可观的。初步估算：在供暖冷高峰节能在10~18%，在供暖（冷）低峰节能20~40%。

该中央空调机组在一年12个月中，约有五个月的时间是处于间断工作状态，即半负荷工作状态。，其余时间则处于满负荷工作状态。其节能途径主要有以下几个方面：

首先，节省满负荷状态下的能量。由于家属区中央空调设计的供暖（冷）量大于实际需要暖（冷）气量（一般设计系数为1.5），同时，实际需要供暖量也因具体情况而不同，故采取变频方式实时改变供暖（冷）量，有很大的节能空间。

其次，节省半负荷状态下的能量。由于在春秋季节气温比较适宜，中央空调在该期间一般不宜长期使用。靠间歇起动来调节中央空调的工作状态，虽然也可以节省部分能量，但仍然不能彻底节能。采用变频方式，仍然有很大节能空间。

此外由于电机在直接起动过程中，冲击电流是正常工作电流的7—13倍，采用自藕降压起动，其冲击电流仍然达到正常工作电流的4~8倍，电流冲击除了降低电机的使用寿命外，还会消耗一部分能源。采用变频器，便可以使电机实现真正软起动，无电流冲击，无能量损失。

另外在原方案设计上，由于配置的均是90KW、75KW及55KW大型水泵，而没有采用小型值班泵现象如：15KW或30KW的多泵系统，春秋季节低供暖（冷）期间，尽管采用变频方式，仍会浪费许多能量。如能增设一台小型泵，那节能效果就更可观了。

节能估算

假设：设计的单位体积供暖（冷）气量与单位实际体积最大需暖（冷）气量的设计系数为K（一般K=1.1-1.3），单位体积实际最大需暖（冷）气量与单位体积实际需暖（冷）气量之比为N，（一般N=1.0-1.5)，实际使用暖（冷）气空间与实际最大需暖（冷）气空间之比为M，那么，节能比：

η=（1— M / KN）×100%

一般M在0.98~0.80间选应，当然要根据实际使用情况而定，春秋季节M取0.8，冬夏秋M取0.98，那么冬夏季：η=34~60%，春秋季η=18~24%。

同时考虑水泵在低频率状态下，运行效率不高等因素，其节能效果综合评定：春秋季节η=25~30%，夏冬季η=12~18%。

根据现场实验，十月份，在该机组采用变频控制柜试验，其工作频率为35~40HZ，依此推算，其节能比达到30%以上。

设计方案及工作步聚。

基于上述计算及试验，说明采用实时监测调整水泵电机工作频率的变频方式，节能是十分可观的，根据该酒店具体情况可选用一台变频器，配用多台水泵或风机的方式，具体地说，设计方案如下：

1）两台90KW水泵变频控制设计方案：

90KW水泵电机两台，配用一台90KW的艾默生产变频器，由于该变频器起动转矩大，90KW变频器起动90KW电机是足够的，其工作步骤如下：

由于两台水泵作夏天制冷、冬天采暖用，一用一备，启动主泵后，变频器便调整水泵运行，直到循环水温度达到所设定的温度值为止，当一台水泵出现故障时，系统则自动投入到备用泵，为防止变频器在所设定的监界点来回起动。在系统停机后，仍需采用温差方式来防止水泵在温度监界点来回频繁起动。

在该系统中，采和660×460×2000型材柜，并设置有电流表、电压表、手动、自动转换开关、故障报警等指示。同时该设备还具过载、缺相等保护功能。

2）75KW和55KW两台水泵变频控制设计方案：

75KW及55KW两台水泵配用一台75KWLG变频器，其工作步骤同上述90KW水泵机组类同。

3）八台冷却风机变频控制系统设计方案：

8台7.5KW风机配用一台7.5KWLG变频器。并采用LG或日本三菱可编程控制器（PLC）来完成变频移位自动工作。

其工作步骤如下：

当冷却水进水温度大于32℃时系统启动1号风机变频工作，当1号风机达到工频（50HZ）转速时，冷却水出水温度仍高于32℃时系统则自动起动3号风机变频工作，当3号风机达到工频转速时，出水温度仍高于32℃时，系统则自动变频起动5号风机……依此类推，依次启动5号、7号、2号、4号、6号、8号风机。直到冷却水温度降到28~32℃为止。

当冷却水温度低于28℃时，系统则按先启先停的程序逐步减少运行风机。始终保持冷却水出水温度恒定在28~32℃。

当风机全部停用，冷却水温度低于28℃时，系统风机全部停止工作，为防止在28℃临界点系统频繁起动或停机，系统在开机时刻则采用了温差方式控制。即系统在出水温度低于28℃时停机后，只有当出水温度高于某一温度时（如29℃或30℃），系统才再次唤醒风机，投入冷却运行。

在该系统中，采和660×460×1600型材柜，并设置有电流表、电压表、手动、自动转换开关、故障报警等指示。同时该设备还具过载、缺相等保护功能。

系统特点

1、系统均采且温度检测，温差控制的方式来共同完成电机变频调速运行，防止在温度临界点电机来回频繁起停。

2、本系统中采用变频器软起动每一台电机，并具有缺相过载等保护功能，有效地保护电机，延长了其使用寿命。

3、故障自诊断功能。本系统中设置了故障报警指示，当一台水泵或风机出现故障时，系统则自动投入到下一台水泵或风机运行，并发出声光报警信号，警示维护人员及时维修处理。