摘要:筆者跟據我國經濟的持續(xù)發(fā)展、電力供應日趨緊張，中央空調作為能耗的大戶，隨著空調的應用和普及,中央空調節(jié)能已顯得越來越重要。本文主要闡述了通過溫差控制變頻器的頻率,調節(jié)水泵的轉速,以達到節(jié)能的目的。
　　關鍵詞:中央空調;工作原理；缺點；節(jié)能;變頻技術
　　1前言
　　隨著我國經濟的持續(xù)發(fā)展、電力供應日趨緊張。最近幾年夏季,我國許多城市由于用電緊張,供電部門被迫實施強制性錯峰供電,嚴重影響了人民的生活和企業(yè)生產。中央空調以電能為動力,為人們提供了舒適的生活和工作環(huán)境。高層樓宇的中央空調是用電大戶,幾乎占了總建筑物耗電量的50%;對于商場和綜合大樓則高達60%以上,日常開支費用很大。因此節(jié)能已成為各行業(yè)的重要議題。隨著空調的應用和普及,中央空調節(jié)能已顯得越來越重要。
　　2中央空調的組成及工作原理
　　如圖1所示,中央空調系統(tǒng)主要由制冷劑回路、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)等組成。
　　
　　圖1中央空調系統(tǒng)工作原理圖
　　1)制冷劑回路
　　制冷劑回路是中央空調系統(tǒng)的心臟。在蒸發(fā)器里,制冷劑和冷凍水發(fā)生熱量交換,將冷凍水制冷,制冷劑吸收熱量后蒸發(fā);在冷凝器里,蒸發(fā)后的制冷劑和冷卻水發(fā)生熱量交換,制冷劑釋放出熱量,被冷卻循環(huán)水帶走。
　　2)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)
　　冷凍水泵將冷凍水送到各風機風口的冷卻盤管中,由風機吹送冷風達到冷卻空氣的目的。
　　3)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)
　　冷卻水泵將吸收熱量后的冷卻水送到冷卻塔上,由冷卻塔風機對其進行噴淋冷卻,與大氣進行熱交換。冷卻后的冷卻水被送到冷凝器去吸收制冷劑放出的熱量。
　　3當前中央空調系統(tǒng)存在的缺點
　　目前常用的中央空調系統(tǒng)存在以下缺點:
　　1)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的能耗過大
　　在設計時,為保證在大氣溫度最高的情況下也能正常使用,所以中央空調要按滿負荷計算,并留有一定的富裕量。平時使用時由于天氣情況、人員數量、活動內容的變化所需負荷是不斷變化的,往往達不到最大值。冷卻水泵的配置是按夏季的最大流量配置,必然存在大馬拉小車的問題。從節(jié)能的角度考慮,只要能保證制冷系統(tǒng)正常工作,冷卻水流量越小,耗能越少,節(jié)能效果就越好。根據流量計算公式,流量與電機的轉速成正比。由于交流電機的轉速不可調,只能全功率運行,增加了管道的能量損失,浪費了冷卻水泵運行的輸送能量,增加了能耗。
　　2)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)能耗過大
　　根據泵的流量計算公式,冷凍水的流量與冷凍水泵的轉速成正比,當冷凍水泵轉速高時,冷凍水的流量大,流速快。當冷凍水流過風機盤管機組時,還沒來得及將所帶的冷量全部釋放完,就已返回制冷機去了,造成冷凍水泵輸送和空調主機冷卻能量的過度損耗。
　　4變頻技術的概念
　　交流變頻技術具有良好的節(jié)能效果、控制性能好、過載能力強、使用維護方便,得到了廣泛的應用,已成為電動機調速的首要選擇。變頻器的工作原理就是把工頻電源變換成較低頻率的交流電源,以實現電機的變速運行。其中控制電路完成對主電路的控制,整流電路將交流電(50Hz/60Hz)變換成直流電,逆變電路將直流電再逆變成相應頻率的交流電。按照異步電動機的實際轉速對應的電源頻率,并根據希望得到的轉矩來調節(jié)變頻器的輸出頻率,就可以使電動機具有對應的輸出轉矩。進而達到控制電動機轉矩的目的。采用變頻調節(jié)技術,電機可在很寬的范圍內平滑調速,可將所有節(jié)流閥去掉,使管道暢通,可免去節(jié)流損耗。通過改變電機轉速改變水的流量,達到節(jié)能的目的。
　　5變頻器的節(jié)能分析
　　中央空調系統(tǒng)中的負載都是各種風機、泵類。由水泵的工作原理可知,風機、水泵的特性為
　　Q∝n(1)
　　H∝n2(2)
　　P∝n3(3)
　　即流量與轉速成正比,壓力與轉速的平方成正比,軸功率與轉速的三次方成正比。根據轉速公式
　　n=60f/p(1-s)(4)
　　式中:f—電源頻率,在我國工頻為50Hz;
　　p—極對數;
　　s—轉差率。
　　由式(4)可知,調節(jié)轉速有3種方法:改變頻率、改變極對數、改變轉差率。在這3種調速方法中,改變頻率的調速性能最好,調速范圍廣,運行效率高,因此本文采用變頻率來調節(jié)轉速。
　　調節(jié)電動機電源的頻率就可改變電動機轉速,調節(jié)電機轉速也就是調節(jié)泵的轉速,因此,根據風機、水泵特性可知,調節(jié)水泵的轉速可以達到調節(jié)流量的目的,同時,可顯著調節(jié)軸功率。若將電機的運行頻率由原來的50Hz下調到45Hz時,則電機的實際轉速=額定轉速的90%;由于電機的額定功率與轉速的三次方成正比,因此電機運行時的實際功率=額定功率的72.9%。
　　節(jié)電率=電機的實際功率-電機的額定功率/電機的額定功率=27.1%此時,理論上的節(jié)電率為27.1%,節(jié)電效果相當顯著,經濟效益十分可觀。
　　若采用擋板或閥門調節(jié),會使系統(tǒng)阻力升高,對管路及閥門的密封性不利,而且還會加大能耗;如果采用變頻器調節(jié),壓力將隨轉速的降低而降低,軸功率P將隨轉速的降低而大幅降低。由此可見,采用變頻技術對電機轉速進行調節(jié),要比閥門、擋板調節(jié)更為節(jié)能,設備運行工況也將得到明顯改善。可見運用變頻技術對風機、泵類設備轉速進行調節(jié),是一種理想的調速控制方式,既提高了設備效率,又滿足了生產工藝要求,并且降低了設備的故障率,大大減少了設備維護、維修費用,具有良好的經濟效益。
　　6中央空調變頻系統(tǒng)設計
　　中央空調變頻調節(jié)系統(tǒng)主要涉及冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)。
　　1)冷凍水系統(tǒng)的變頻控制
　　進入空調房間的冷凍水稱為“出水”,流經所有的房間出來的冷凍水稱為“回水”,回水溫度高于出水溫度,形成溫差,設計最大溫差為5℃(如出水為8℃,回水溫度為13℃)。在制冷機組冷凍水循環(huán)出水管和回水管上裝設檢測溫度的變送器,再與PID調節(jié)器、變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng),通過冷凍水的溫差來控制變頻器的頻率,以控制電機轉速,調節(jié)冷凍水的出水量。溫差大,說明空調房間內溫度高,室內負荷大,應提高冷凍泵的轉速;溫差小,則說明室內溫度低,室內負荷小,可降低冷凍水泵的轉速。這樣使冷凍水泵機組的轉速隨著熱負載的變化而變化,當第1臺電機已達到額定功率時,如果還達不到要求則可起動第2臺電機,變頻運行,后面幾臺的操作也是如此。這樣不斷調整控制,可使其達到最佳的效果(見圖2)。
　　
　　圖2冷凍水變頻控制系統(tǒng)
　　2)冷卻水系統(tǒng)的變頻控制
　　冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的溫差為冷凝器2端的進出水溫差。同樣采用溫度變送器、PID調節(jié)器、變頻器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng),將設計最大溫差控制在5℃(如冷凝器出水溫度為38℃,進水溫度為33℃),工作原理同冷凍水系統(tǒng)相同,使冷卻水泵的轉速隨著熱負載的變化而變化。同樣,當第1臺電機已達到額定功率時,如果還達不到要求時,可起動第2臺電機變頻運行,后面幾臺的控制也是如此,這樣不斷調整控制,可使其達到最佳的效果。見圖3。
　　
　　圖3冷卻水變頻控制系統(tǒng)
　　7結束語
　　隨著中央空調系統(tǒng)的普及,在我國能源緊張的情況下,如何提升中央空調系統(tǒng)的節(jié)能效果,是擺在我們面前的一項迫切的任務。通過對中央空調的冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)采用變頻技術,除可獲得顯著的節(jié)能效果外,還實現了水泵的軟啟動,切換平滑,沖擊電流小,提高了設備的使用壽命。