论中央空调变频节能技术

　　摘要:笔者跟据我国经济的持续发展、电力供应日趋紧张，中央空调作为能耗的大户，随着空调的应用和普及,中央空调节能已显得越来越重要。本文主要阐述了通过温差控制变频器的频率,调节水泵的转速,以达到节能的目的。
　　关键词:中央空调;工作原理；缺点；节能;变频技术
　　1前言
　　随着我国经济的持续发展、电力供应日趋紧张。最近几年夏季,我国许多城市由于用电紧张,供电部门被迫实施强制性错峰供电,严重影响了人民的生活和企业生产。中央空调以电能为动力,为人们提供了舒适的生活和工作环境。高层楼宇的中央空调是用电大户,几乎占了总建筑物耗电量的50%;对于商场和综合大楼则高达60%以上,日常开支费用很大。因此节能已成为各行业的重要议题。随着空调的应用和普及,中央空调节能已显得越来越重要。
　　2中央空调的组成及工作原理
　　如图1所示,中央空调系统主要由制冷剂回路、冷却水循环系统、冷冻水循环系统等组成。
　　
　　图1中央空调系统工作原理图
　　1)制冷剂回路
　　制冷剂回路是中央空调系统的心脏。在蒸发器里,制冷剂和冷冻水发生热量交换,将冷冻水制冷,制冷剂吸收热量后蒸发;在冷凝器里,蒸发后的制冷剂和冷却水发生热量交换,制冷剂释放出热量,被冷却循环水带走。
　　2)冷冻水循环系统
　　冷冻水泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中,由风机吹送冷风达到冷却空气的目的。
　　3)冷却水循环系统
　　冷却水泵将吸收热量后的冷却水送到冷却塔上,由冷却塔风机对其进行喷淋冷却,与大气进行热交换。冷却后的冷却水被送到冷凝器去吸收制冷剂放出的热量。
　　3当前中央空调系统存在的缺点
　　目前常用的中央空调系统存在以下缺点:
　　1)冷却水循环系统的能耗过大
　　在设计时,为保证在大气温度最高的情况下也能正常使用,所以中央空调要按满负荷计算,并留有一定的富裕量。平时使用时由于天气情况、人员数量、活动内容的变化所需负荷是不断变化的,往往达不到最大值。冷却水泵的配置是按夏季的最大流量配置,必然存在大马拉小车的问题。从节能的角度考虑,只要能保证制冷系统正常工作,冷却水流量越小,耗能越少,节能效果就越好。根据流量计算公式,流量与电机的转速成正比。由于交流电机的转速不可调,只能全功率运行,增加了管道的能量损失,浪费了冷却水泵运行的输送能量,增加了能耗。
　　2)冷冻水循环系统能耗过大
　　根据泵的流量计算公式,冷冻水的流量与冷冻水泵的转速成正比,当冷冻水泵转速高时,冷冻水的流量大,流速快。当冷冻水流过风机盘管机组时,还没来得及将所带的冷量全部释放完,就已返回制冷机去了,造成冷冻水泵输送和空调主机冷却能量的过度损耗。
　　4变频技术的概念
　　交流变频技术具有良好的节能效果、控制性能好、过载能力强、使用维护方便,得到了广泛的应用,已成为电动机调速的首要选择。变频器的工作原理就是把工频电源变换成较低频率的交流电源,以实现电机的变速运行。其中控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电(50Hz/60Hz)变换成直流电,逆变电路将直流电再逆变成相应频率的交流电。按照异步电动机的实际转速对应的电源频率,并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率,就可以使电动机具有对应的输出转矩。进而达到控制电动机转矩的目的。采用变频调节技术,电机可在很宽的范围内平滑调速,可将所有节流阀去掉,使管道畅通,可免去节流损耗。通过改变电机转速改变水的流量,达到节能的目的。
　　5变频器的节能分析
　　中央空调系统中的负载都是各种风机、泵类。由水泵的工作原理可知,风机、水泵的特性为
　　Q∝n(1)
　　H∝n2(2)
　　P∝n3(3)
　　即流量与转速成正比,压力与转速的平方成正比,轴功率与转速的三次方成正比。根据转速公式
　　n=60f/p(1-s)(4)
　　式中:f—电源频率,在我国工频为50Hz;
　　p—极对数;
　　s—转差率。
　　由式(4)可知,调节转速有3种方法:改变频率、改变极对数、改变转差率。在这3种调速方法中,改变频率的调速性能最好,调速范围广,运行效率高,因此本文采用变频率来调节转速。
　　调节电动机电源的频率就可改变电动机转速,调节电机转速也就是调节泵的转速,因此,根据风机、水泵特性可知,调节水泵的转速可以达到调节流量的目的,同时,可显著调节轴功率。若将电机的运行频率由原来的50Hz下调到45Hz时,则电机的实际转速=额定转速的90%;由于电机的额定功率与转速的三次方成正比,因此电机运行时的实际功率=额定功率的72.9%。
　　节电率=电机的实际功率-电机的额定功率/电机的额定功率=27.1%此时,理论上的节电率为27.1%,节电效果相当显著,经济效益十分可观。
　　若采用挡板或阀门调节,会使系统阻力升高,对管路及阀门的密封性不利,而且还会加大能耗;如果采用变频器调节,压力将随转速的降低而降低,轴功率P将随转速的降低而大幅降低。由此可见,采用变频技术对电机转速进行调节,要比阀门、挡板调节更为节能,设备运行工况也将得到明显改善。可见运用变频技术对风机、泵类设备转速进行调节,是一种理想的调速控制方式,既提高了设备效率,又满足了生产工艺要求,并且降低了设备的故障率,大大减少了设备维护、维修费用,具有良好的经济效益。
　　6中央空调变频系统设计
　　中央空调变频调节系统主要涉及冷冻水系统和冷却水系统。
　　1)冷冻水系统的变频控制
　　进入空调房间的冷冻水称为“出水”,流经所有的房间出来的冷冻水称为“回水”,回水温度高于出水温度,形成温差,设计最大温差为5℃(如出水为8℃,回水温度为13℃)。在制冷机组冷冻水循环出水管和回水管上装设检测温度的变送器,再与PID调节器、变频器组成闭环控制系统,通过冷冻水的温差来控制变频器的频率,以控制电机转速,调节冷冻水的出水量。温差大,说明空调房间内温度高,室内负荷大,应提高冷冻泵的转速;温差小,则说明室内温度低,室内负荷小,可降低冷冻水泵的转速。这样使冷冻水泵机组的转速随着热负载的变化而变化,当第1台电机已达到额定功率时,如果还达不到要求则可起动第2台电机,变频运行,后面几台的操作也是如此。这样不断调整控制,可使其达到最佳的效果(见图2)。
　　
　　图2冷冻水变频控制系统
　　2)冷却水系统的变频控制
　　冷却水循环系统的温差为冷凝器2端的进出水温差。同样采用温度变送器、PID调节器、变频器组成的闭环控制系统,将设计最大温差控制在5℃(如冷凝器出水温度为38℃,进水温度为33℃),工作原理同冷冻水系统相同,使冷却水泵的转速随着热负载的变化而变化。同样,当第1台电机已达到额定功率时,如果还达不到要求时,可起动第2台电机变频运行,后面几台的控制也是如此,这样不断调整控制,可使其达到最佳的效果。见图3。
　　
　　图3冷却水变频控制系统
　　7结束语
　　随着中央空调系统的普及,在我国能源紧张的情况下,如何提升中央空调系统的节能效果,是摆在我们面前的一项迫切的任务。通过对中央空调的冷却水系统和冷冻水系统采用变频技术,除可获得显著的节能效果外,还实现了水泵的软启动,切换平滑,冲击电流小,提高了设备的使用寿命。