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變頻器在中央空調循環水冷卻塔中的節能應用



摘要︰據統計,中央空調的用電量佔各類大廈總用電量的70%以上,其中中央空調水泵的耗電量約佔總空調系統耗電量的20~40%,故節約低負荷時壓縮機系統和水系統的消耗的能量,具有很重要的意義。采用變頻調速技術不僅能使空調系統發揮更加理想的工作狀態,更重要的是通常其節能效果高達30%以上,能帶來良好的經濟效益。
關鍵詞︰變頻節能 冷卻塔風機 固定變頻 循環變頻

1.概論

中央空調系統已廣泛應用于工業與民用領域,在賓館、酒店、寫字樓、商場、住院部大樓、工業廠房中的中央空調系統,其制冷壓縮機組、冷凍循環水系統、冷卻循環水系統、冷卻塔風機系統等的容量大多是按照建築物最大制冷、制熱負荷選定的,且再留有充足余量。在沒有使用具備負載隨動調節特性的控制系統中,無論季節、晝夜和用戶負荷的怎樣變化,各電機都長期固定在工頻狀態下全速運行,造成了能量的巨大浪費。近年來由于電價的不斷上漲,使得中央空調系統運行費用急劇上升,致使它在整個大廈營運成本費用中佔據越來越大的比例,加之目前各生產、服務業競爭激烈,多數企業利潤空間不夠理想。因此電能費用的控制顯然已經成為經營管理者所關注的問題所在。據統計,中央空調的用電量佔各類大廈總用電量的70%以上,其中中央空調水泵的耗電量約佔總空調系統耗電量的20~40%,故節約低負荷時壓縮機系統和水系統的消耗的能量,具有很重要的意義。所以,隨著負荷變化而自動調節變化的變流量變頻空調水系統和自適應智能負荷調節的壓縮機系統應運而生,並逐漸顯示其巨大的優越性,而且得到越來越多的被廣泛推廣與應用。采用變頻調速技術不僅能使空調系統發揮更加理想的工作狀態,更重要的是通常其節能效果高達30%以上,能帶來良好的經濟效益。

2.中央空調系統的一般結構與工作原理

中央空調系統一般主要由制冷壓縮機系統、冷媒(冷凍和冷熱)循環水系統、冷卻循環水系統、盤管風機系統、冷卻塔風機系統等組成。其工藝結構流程圖如圖A所示,在圖A中制冷壓縮機組通過壓縮機將制冷劑(冷媒介質如R134a、R22等)壓縮成液態後送蒸發器中,冷凍循環水系統通過冷凍水泵將常溫水泵入蒸發器盤管中與冷媒進行間接熱交換,這樣原來的常溫水就變成了低溫冷凍水,冷凍水被送到各風機風口的冷卻盤管中吸收盤管周圍的空氣熱量,產生的低溫空氣由盤管風機吹送到各個房間,從而達到降溫的目的。冷媒在蒸發器中被充分壓縮並伴隨熱量吸收過程完成後,再被送到冷凝器中去恢復常壓狀態,以便冷媒在冷凝器中釋放熱量,其釋放的熱量正是通過循環冷卻水系統的冷卻水帶走。冷卻循環水系統將常溫水通過冷卻水泵泵入冷凝器熱交換盤管後,再將這已變熱的冷卻水送到冷卻塔上,由冷卻塔對其進行自然冷卻或通過冷卻塔風機對其進行噴淋式強迫風冷,與大氣之間進行充分熱交換,使冷卻水變回常溫,以便再循環使用。在冬季需要制熱時,中央空調系統僅需要通過冷熱水泵(在夏季稱為冷凍水泵)將常溫水泵入蒸汽熱交換器的盤管,通過與蒸汽的充分熱交換後再將熱水送到各樓層的風機盤管中,即可實現向用戶提供供暖熱風。


理解中央空調系統工藝流程對于節能改造的實現至關重要,從因果關系角度上看,冷凍水系統、冷卻水系統、冷卻塔風機系統均是主壓縮機系統的從動系統。當主壓縮機系統的負荷發生變化時,對冷凍水、冷卻水的需求量和冷卻塔需求的冷卻風量也發生相應的變化,正因如此,我們才有節能改造的必要前提條件,才有實現“按需分配”控制方案的可能。

3.中央空調系統的節能原理

中央空調系統按負載類型可分為兩大類,?變轉矩負載︰如冷卻水系統、冷凍水系統、冷卻塔風機系統等風機、水泵類負載;?恆轉矩負載︰如主制冷壓縮機系統。不同的轉矩類型具有完全不同的轉矩功率關系特性,我們知道風機、水泵類變轉矩負載特性滿足流體動力學關系理論,即以下數學關系成立︰

N1/N2 Q1/Q2 H1/H2 (N1/N2)2 P1/P2 (N1/N2)3 (1)

其中,N、H、Q、P分別表示轉速、流量、揚程、軸功率。
由式1可知,若轉速下降到額定轉速的70%,那麼,揚程將下降到額定值的50%,同時,軸輸出功率下降到額定值的35%。從圖2中可以看出,管網的阻尼隨揚程的降低而減小。在滿足系統基本揚程需求的情形下,若系統的流量需求減少到額定流量的50%時,在變頻控制方式下,其對應輸出功率僅約為額定功率的13%。這就為實施變頻節能技術改造提供了數學理論上的可行性保障空間。

由上述流體傳輸設備水泵、風機的工作原理可知︰水泵、風機的流量(風量)與其轉速成正比;水泵、風機的壓力(揚程)與其轉速的平方成正比,而水泵、風機的軸功率等于流量與壓力的乘積,故水泵、風機的軸功率與其轉速的三次方成正比(即與電源頻率的三次方成正比)根據上述原理可知︰改變水泵、風機的轉速就可改變水泵、風機的功率。例如︰將供電頻率由50Hz降為45Hz,則P45/P50=453/503=0.729,即P45=0.729P50(P為電機軸功率);將供電頻率由50Hz降為40Hz,則P40/P50=403/503=0.512,即P40=0.512P50(P為電機軸功率)。

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