探讨变频技术在空调水系统节能改造中的应用

摘要：在能源问题日渐突出的今天， 对空调的水系统进行节能改造变得非常普遍。我国目前空调水送能耗与欧美等发达国家的差距较大。本文探讨了变频技术在空调水系统节能改造中的应用，具有一定的参考价值。

关键词：变频技术空调水系统节能改造。

中图分类号：TN773 文献标识码：A

空调水系统分析

一般空调系统是按照冷冻水和冷却水进回水温差为5~7 ℃设计，系统的水流量按照最极端工况下的满负荷情况来设计的，并匹配相应的循环水泵。实际运行过程中， 由于空调系统的负荷随室外气象参数扰动和室内状态的改变而改变，系统绝大多是情况下都是部分负荷运行。因而在部分负荷工况能否实现节能运行，产生经济效益较大，值得探讨。

1.1水系统能否改造的条件判定

空调的水系统是否需要做变频改造， 首先必须考虑空调系统负荷率的问题。这需要对于系统的负荷情况必须进行长期全面的测量，特别是参考空调系统前期的运行记录表（包括冷却水及冷冻水的进出口温差以及循环水流量、压力等参数），综合考虑制热和制冷的工况，把握整个空调工作期间的运行情况和每天不同时段的负荷率。

长期处于负荷低、波动大工况的系统是有很大的节能空间的。针对空调系统实际运行负荷率及现场工况特点等情况制定周详的改造方案。同时需要特别注意：并不是水系统温差小就一定说明负荷率低，有时由于系统运行年限已久、换热系统结垢等原因， 虽然温差小， 但是楼内制冷效果并不好， 对这种情况一定要区别对待。这种情况并不是由于负荷低而是由于换热器换热效果不佳造成了进回水温差小，因此应先对系统管道进行清洗后再考虑是否需要进行变频改造。

1.2空调水系统改造前应考虑的问题

虽然变频可以降低水泵的能耗， 但不能忽视另一个问题： 当水泵转速降低后， 流量随之下降， 此时制冷机组的COP 下降， 导致能耗加大， 因此改造之前需要衡量这两方面的得失。随着制冷剂技术的发展， 蒸发器和冷凝器的循环水流量可以在一定范围内变化， 例如日立水冷螺杆式冷水机组允许蒸发器、冷凝器水流量在额定流量的30%~130%之间变化， 该范围内的流量变化引起的制冷机组COP下降不超过10%。因此水泵能耗占整个系统能耗的比例越大， 改造后节能的幅度就越大， 反之亦然。20%左右为临界状态， 在泵能耗占系统总能耗20%以上时， 变频改造才能达到节能的目的。

2 空调水系统的节能改造

为了实现节能量最大化， 一定要根据水系统的实际运行情况因地制宜地进行改造。改造时， 主要应考虑以下几方面问题：水泵运行情况、 变频调速参照依据、管路运行情况。

2.1 循环水泵的选型判定

水泵以及管路往往是容易被忽视的问题， 而这些问题将直接影响到改造效果。绝大部分循环水系统在设计时都留有过大的余量， 实际运行中需要通过进出口阀门来控制输出流量的大小， 这时水流大部分动能白白耗在阀门阻力上了， 而且初始的设计误差会导致水泵当前的工作状况并不合理， 运行效率低下。此外， 原有的水泵并不一定适合变频后状态下的运行， 也会造成水泵运行效率低下等问题。所以改造的时候要根据这些现场情况以及计算结果考虑水泵的更换与否。

2.2 水泵变频调速的控制参数选定

既然改造为调速运行， 就需要考虑使用合理的参数作为调节的根据， 这个参数必须能够恰当地反映负荷情况。由于冷却水管路系统结构固定单一，基本上为一次循环， 因此最好使用进出口温差来调节。而对于冷冻水部分则有多种选择，目前还没有统一的看法， 有的使用出口温度作为控制量， 也有的使用进出口压差或者进出口温差作为控制量。

虽然温度能一定程度上反映负荷的波动情况， 但其受外界环境、气候因素的影响波动严重。夏天制冷时冷冻水出口温度一般处于5~7 ℃， 温度并不能完全地反映负荷波动情况， 但使用温度作为调节参数可以兼顾制冷机组的效率和用户的舒适性。

采用压差或者温差作为控制参数。以压差为控制参数， 即以制冷主机的出水压力和回水压力之间的压差作为控制依据， 使循环于各楼层的冷冻水能够保持足够的压力，进行恒压差控制。如果压差值低于规定的下限值， 电动机的转速将不再下降。若压差较小，说明系统负荷不大， 可减小水泵的转速， 使压差上升； 若压差较大， 说明系统负荷较重， 可增加水泵的转速， 使压差下降。

以温差为控制参数， 即对温差进行检测，以制冷主机的回水温度和出水温度之间的温差信号为反馈信号， 使循环于各楼层的冷冻水能够保持足够的低温， 进行恒温差控制。若温差较小，说明系统负荷不大，可减小水泵的转速，使温差上升；若温差较大，说明系统负荷较重，可增加水泵的转速，使温差下降。

不管使用何种调节方法， 其流量调节的范围不应低于系统的报警阀值。严格地说，若不考虑冷冻水在传输途中的损失，制冷主机的回水温度和出水温度之差表明了冷冻水从房间中带走的热量。采用以温差为主的控制方式，相比压差更能反映系统的供冷负荷，非常适合对已有空调的变频改造。对于冷冻水二次循环系统可采用不同的控制方式， 一次循环水泵使用温差作为主要调节参数， 二次循环水泵以进、出口压差为调节参数。

3 工程改造及节能效果案例

3.1 改造实例概况

改造工程为一政府办公楼，采用H2 蒸汽双效型溴化锂吸收式制冷主机，配备两台冷却水泵和两台冷冻水泵。空调水系统的主要设备如表1 所示。

表1 空调水系统主要设备

3.2节能效果

改造前，系统工频运行，即冷冻水和冷却水系统均按工频运行。运行过程中出现电机电流远超过电机的额定电流，电机外壳发热严重，甚至出现启动电流过大直接导致系统不能启动的情况。按照文中的控制原理和方法对现场系统进行改造，分析对比了系统改造前后的能耗状况。改造前，水系统每天的能耗基本相等;改造后，每天水系统的能耗会根据当天天气情况导致空调房间制冷量的变化。系统改造前后水系统单月的耗电量如表2 所示。

序号 耗电类型 耗电量/kWh

1 E前冷却水 18 630

2 E前冷冻水 15 525

3 E后冷却水 12 673

4 E后冷冻水 10 396

表2 耗电量

其中，E前冷却水为改造前冷却水系统所消耗的总能量; E前冷冻水为改造前冷冻水系统所消耗的总能量;E后冷却水为改造后冷却水系统所消耗的总能量; E后冷冻水为改造后冷冻水系统所消耗的总能量。

该工程冷却水部分节省电能计算式为:

ΔE = E后冷却水－ E前冷却水= 5 957 kWh

冷冻水部分节能电能为:

ΔE' = E后冷冻水－ E前冷冻水= 5 129 kWh

冷却水部分节电率为:

η = ( 5 957 /18 630) × 100% = 32%

冷冻水部分节电率为:

η' = ( 5 129 /15 525) × 100% = 33% ( 5)

综上所述，该工程水系统部分变频节能改造的节电率约为33%。

4 结论

本文对空调系统的节能改造方法进行了论述。由于空调系统是一个复杂的关联系统， 涉及到换热器、冷冻机、水泵、电机、管路， 任何一个参数的变化都会引起整个系统运行状态的改变，因此改造之前必须全面结合系统运行状态， 监测水温、流量、压力等参数， 通过这些参数来制定合理的改造方案， 并预测改造后的运行情况， 以判断改造效果， 从而作出合理的决策。

参考文献

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作者简介：李修东（1980-），男，本科，主要从事中央空调系统的设计、施工工作，工作单位：荏原机械（中国）有限公司烟台分公司，邮编：265500，