中央空调节能分析与改造

摘要：本文针对丰泽大厦原中央空调系统存在的问题，通过节能改造的可行性进行分析，从中央空调系统的构成及工作原理，变频控制原理与特性分析进行论证，并对节能改造的具体方案提出与改造后效果显著进行阐述。

关键词：中央空调；变频；节能

Abstract：In this paper, Fortress Tower, the central air conditioning system problems in the feasibility of energy-saving analysis, and analysis to demonstrate the structure and working principle of the central air-conditioning systems, frequency control principles and characteristics, and the specific energy-saving program andafter transformation, a significant effect described.

Keywords: central air conditioning; inverter; Energy saving

中图分类号：TE08 文献标识码：A文章编号：

1引言

随着国民经济的快速发展，能源问题日益严峻，建筑节能成为当今建筑设计首先考虑的因素之一。中央空调是现代高层建筑中必不可少的设备之一，据统计中央空调的耗能平均占到建筑物总耗能的65%左右，而中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，实际运行中，满负荷运行不多，大部分时间都在70%负载以下运行。虽中央空调系统中制冷机组能随气温变化自动变频运行，但与之相匹配的冷冻泵、冷却泵却没有自动调节负载，几乎长期在100%负载下运行，造成了能量的极大浪费，因此利用变频器自动调节水泵的输出流量，已成为众多的空调系统节能设计中应用最为广泛的一种，成为最有用的节能技术。

2原系统简介

丰泽大厦共15层，其中央空调系统改造前的主要设备和控制方式如下：

制冷系统：双效蒸汽型溴化锂机组（型号SXB6-93DH2M）1台；冷冻水泵（型号ISC100-160）2台、扬程67m；冷却水泵（型号ISC125-125）2台，扬程37m；均采用一用一备的方式运行。冷却塔（型号NC832102）1台，配备5.5kW风扇电机2台。

3原系统的运行及存在问题

丰泽大厦是我公司对外租售的办公大楼，各种配套设施齐全，对环境的舒适度要求很高。因此，中央空调的投入使用必不可少，每年的5-10月份每天都必须供应冷气。由于中央空调系统的制冷机组可以根据负载变化随之变频运行，但冷冻泵、冷却泵不能随负载变化作出相应的调节。这样，水循环系统长期在大流量的状态下运行，造成了能量的极大浪费。特别是在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，严重干扰中央空调系统的运行质量。水泵电机启动电流一般为其额定电流的3~4倍，长期这样运行使得接触器使用寿命大为下降；且启泵时的机械冲击和停泵时的水锤现象，对机械器件、轴承、阀门和管道等造成破坏，增加维修费用成本。

4节能改造的可行性分析

针对上述问题，我们利用变频器的运行原理进行理论分析。对水循环系统水泵进行改造，以节约电能。

4.1中央空调系统的构成及工作原理

中央空调系统主要由制冷机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和散热水塔组成，其系统结构如下图所示：

制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻水泵将冷冻水送到各风机的冷却盘管中，由风机吹送冷风达到降温的目的。经蒸发后制冷剂在冷凝器中释放出热量，与冷却循环水进行热交换，由冷却水泵将带来热量的冷却水泵到散热水塔上由水塔风扇对其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气中去。空调系统在实际运行时，随着时间不同、使用空间以及气温变化，绝大多数时间内，实际需要的冷负荷低于设计值，但冷冻水泵和冷却水泵由工频控制，处于100%的满负荷运行状态，浪费大量电能。在中央空调系统设计中，管道泵的容量是取系统最大负荷再增加10%~20%余量作为设计安全系数。据统计，在传统的中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的12%~24%，而在制冷机低负荷运行时，冷冻水、冷却水循环用电就达30%~40%。因此，实施对冷冻水、冷却水循环系统的能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制的重要组成部分。

4.2变频控制原理与特性分析

1) 根据水泵的相似定律，两种流体应满足几何相似、动力相似和运动相似，则水泵的转速、流量、扬程和功率之间存在以下关系：

Q/Qm=n/nm (2)

H/Hm=(n/nm)2(3)

N/Nm=(n/nm)3 (4)

式（2）~（4），n为水泵转速，r/min；Q为水泵流量，m3/h；H为水泵扬程，m；N为水泵功率，kW。

N/Nm=(Q/Qm）（H/Hm）（5）

式（5）表明，水泵所耗功率和流量与扬程的乘积成正比。

2) 调节流量的方法：

如图2所示，曲线a是阀门全部打开时，供水系统的阻力特性；曲线b是额定转速时，泵的扬程特性。这时供水系统的工作点为A点：流量QA，扬程HA；

图2 变速调节与流量变化的关系

（1）转速不变，将阀门关小这时阻力特性如曲线c所示，工作点移至B点：流量QB，扬程HB，电动机的轴功率与面积OQBBHB成正比。

（2）阀门开度不变，降低转速，这时扬程特性曲线如曲线d所示，工作点移至C点：流量仍为QB，但扬程为HC，电动机的轴功率与面积OQBCHC成正比。

对比以上两种方法，可以十分明显地看出，采用调节转速的方法调节流量，电动机所用的功率将大为减小，是一种能够显著节约能源的方法。

3)根据异步电动机原理：n=60f（1-s）/m(6)

式中，n为转子转速，r/min；60为换算系数，s/min；f为电源频率，Hz；s为定子与转子之间的转差率；m为电动机绕组的级对数。

由（6）式可见，调节转速有3种方法，改变频率、改变电机磁极对数、改变转差率。在以上调速方法中，变频调速性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。因此改变频率而改变转速的方法最方便有效。

根据以上分析，结合办公大楼中央空调的运行情况，利用变频器对中央空调水循环系统进行节能改造是切实可行，较完善的高效节能方案。

5节能改造的具体方案

制冷模式下冷却泵、冷冻泵的控制模式。冷却水循环泵、冷冻水循环泵各配30kW变频器1台，均采用温度传感器对回水进行恒温控制，并根据循环水的温度自动地调节循环水的流量，达到最佳运行状态，而且具有软启动功能。该方案在保证最末段设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定；变频冷冻水泵的频率调节，是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度；再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减；其控制方式为：冷冻回水温度高于设定温度时，频率无极上调最大达到50Hz；反之，频率无极下调最低达到最低运行频率。

主电路的控制设计如下图：

6节能改造后效果显著

空调系统改造后一年的运行电量与先前相比较，累计节约用电3.2万度，电价按0.78元/kwh计算，每年可节约2.5万元，节能率达65%。经济效益十分显著。这次技改总投资约2万元，投入运行一年后就收回成本并达到节能增效。其次对系统的也得到许多好处：采用了变频器运行，消除了启泵时大电流对电网的冲击，停泵时产生的机械冲击对管道、阀门、压力表等的损害；水泵大多数时间运行在额定转速以下，对机械部件的使用寿命得到延长；电气故障随之降低。同时提高了中央空调系统机组的工作效率和运行的自动化水平。

7结论

中央空调系统节能改造完成后至今运行正常。由于采用了1台变频器（制冷），对经常运行的制冷管道泵进行一对一的技术改造，最大限度地为水泵争取了变频运行的时间，把节能空间争取到最大，虽然一次性投资较大，但从长远的经济利益来看是值得的。从过去运行一年中所取得的显著经济效益及系统的综合效益，也证明了利用变频器控制系统对中央空调系统的节能改造成是成功的，达到我们当初设计的预期效果。对中央空调系统运行进行技术革新，不仅可以提高运行效率，创造可观的经济效益；同时对节能环保等社会效益有着重要意义。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。