摘要:筆者跟據(jù)我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、電力供應(yīng)日趨緊張，中央空調(diào)作為能耗的大戶，隨著空調(diào)的應(yīng)用和普及,中央空調(diào)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(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速,以達(dá)到節(jié)能的目的。
　　關(guān)鍵詞:中央空調(diào);工作原理；缺點(diǎn)；節(jié)能;變頻技術(shù)
　　1前言
　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、電力供應(yīng)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(shí)施強(qiáng)制性錯(cuò)峰供電,嚴(yán)重影響了人民的生活和企業(yè)生產(chǎn)。中央空調(diào)以電能為動(dòng)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(diào)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(dá)60%以上,日常開支費(fèi)用很大。因此節(jié)能已成為各行業(yè)的重要議題。隨著空調(diào)的應(yīng)用和普及,中央空調(diào)節(jié)能已顯得越來越重要。
　　2中央空調(diào)的組成及工作原理
　　如圖1所示,中央空調(diào)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(diào)系統(tǒng)工作原理圖
　　1)制冷劑回路
　　制冷劑回路是中央空調(diào)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(fēng)機(jī)風(fēng)口的冷卻盤管中,由風(fēng)機(jī)吹送冷風(fēng)達(dá)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(fēng)機(jī)對其進(jìn)行噴淋冷卻,與大氣進(jìn)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(dāng)前中央空調(diào)系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)
　　目前常用的中央空調(diào)系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn):
　　1)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的能耗過大
　　在設(shè)計(jì)時(shí),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(diào)要按滿負(fù)荷計(jì)算,并留有一定的富裕量。平時(shí)使用時(shí)由于天氣情況、人員數(shù)量、活動(dòng)內(nèi)容的變化所需負(fù)荷是不斷變化的,往往達(dá)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(jù)流量計(jì)算公式,流量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。由于交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可調(diào),只能全功率運(yùn)行,增加了管道的能量損失,浪費(fèi)了冷卻水泵運(yùn)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(jù)泵的流量計(jì)算公式,冷凍水的流量與冷凍水泵的轉(zhuǎn)速成正比,當(dāng)冷凍水泵轉(zhuǎn)速高時(shí),冷凍水的流量大,流速快。當(dāng)冷凍水流過風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組時(shí),還沒來得及將所帶的冷量全部釋放完,就已返回制冷機(jī)去了,造成冷凍水泵輸送和空調(diào)主機(jī)冷卻能量的過度損耗。
　　4變頻技術(shù)的概念
　　交流變頻技術(shù)具有良好的節(jié)能效果、控制性能好、過載能力強(qiáng)、使用維護(hù)方便,得到了廣泛的應(yīng)用,已成為電動(dòng)機(jī)調(diào)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)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(yīng)頻率的交流電。按照異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率,并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率,就可以使電動(dòng)機(jī)具有對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù),電機(jī)可在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)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(jī)轉(zhuǎn)速改變水的流量,達(dá)到節(jié)能的目的。
　　5變頻器的節(jié)能分析
　　中央空調(diào)系統(tǒng)中的負(fù)載都是各種風(fēng)機(jī)、泵類。由水泵的工作原理可知,風(fēng)機(jī)、水泵的特性為
　　Q∝n(1)
　　H∝n2(2)
　　P∝n3(3)
　　即流量與轉(zhuǎn)速成正比,壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比,軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。根據(jù)轉(zhuǎn)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(shù);
　　s—轉(zhuǎn)差率。
　　由式(4)可知,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速有3種方法:改變頻率、改變極對數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率。在這3種調(diào)速方法中,改變頻率的調(diào)速性能最好,調(diào)速范圍廣,運(yùn)行效率高,因此本文采用變頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。
　　調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電源的頻率就可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速也就是調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速,因此,根據(jù)風(fēng)機(jī)、水泵特性可知,調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的,同時(shí),可顯著調(diào)節(jié)軸功率。若將電機(jī)的運(yùn)行頻率由原來的50Hz下調(diào)到45Hz時(shí),則電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速=額定轉(zhuǎn)速的90%;由于電機(jī)的額定功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,因此電機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際功率=額定功率的72.9%。
　　節(jié)電率=電機(jī)的實(shí)際功率-電機(jī)的額定功率/電機(jī)的額定功率=27.1%此時(shí),理論上的節(jié)電率為27.1%,節(jié)電效果相當(dāng)顯著,經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
　　若采用擋板或閥門調(diào)節(jié),會(huì)使系統(tǒng)阻力升高,對管路及閥門的密封性不利,而且還會(huì)加大能耗;如果采用變頻器調(diào)節(jié),壓力將隨轉(zhuǎn)速的降低而降低,軸功率P將隨轉(zhuǎn)速的降低而大幅降低。由此可見,采用變頻技術(shù)對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),要比閥門、擋板調(diào)節(jié)更為節(jié)能,設(shè)備運(yùn)行工況也將得到明顯改善。可見運(yùn)用變頻技術(shù)對風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),是一種理想的調(diào)速控制方式,既提高了設(shè)備效率,又滿足了生產(chǎn)工藝要求,并且降低了設(shè)備的故障率,大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
　　6中央空調(diào)變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　中央空調(diào)變頻調(diào)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(jìn)入空調(diào)房間的冷凍水稱為“出水”,流經(jīng)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(shè)計(jì)最大溫差為5℃(如出水為8℃,回水溫度為13℃)。在制冷機(jī)組冷凍水循環(huán)出水管和回水管上裝設(shè)檢測溫度的變送器,再與PID調(diào)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(jī)轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)冷凍水的出水量。溫差大,說明空調(diào)房間內(nèi)溫度高,室內(nèi)負(fù)荷大,應(yīng)提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速;溫差小,則說明室內(nèi)溫度低,室內(nèi)負(fù)荷小,可降低冷凍水泵的轉(zhuǎn)速。這樣使冷凍水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速隨著熱負(fù)載的變化而變化,當(dāng)?shù)?臺(tái)電機(jī)已達(dá)到額定功率時(shí),如果還達(dá)不到要求則可起動(dòng)第2臺(tái)電機(jī),變頻運(yùn)行,后面幾臺(tái)的操作也是如此。這樣不斷調(diào)整控制,可使其達(dá)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(jìn)出水溫差。同樣采用溫度變送器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng),將設(shè)計(jì)最大溫差控制在5℃(如冷凝器出水溫度為38℃,進(jìn)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(zhuǎn)速隨著熱負(fù)載的變化而變化。同樣,當(dāng)?shù)?臺(tái)電機(jī)已達(dá)到額定功率時(shí),如果還達(dá)不到要求時(shí),可起動(dòng)第2臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行,后面幾臺(tái)的控制也是如此,這樣不斷調(diào)整控制,可使其達(dá)到最佳的效果。見圖3。
　　
　　圖3冷卻水變頻控制系統(tǒng)
　　7結(jié)束語
　　隨著中央空調(diào)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(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果,是擺在我們面前的一項(xiàng)迫切的任務(wù)。通過對中央空調(diào)的冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)采用變頻技術(shù),除可獲得顯著的節(jié)能效果外,還實(shí)現(xiàn)了水泵的軟啟動(dòng),切換平滑,沖擊電流小,提高了設(shè)備的使用壽命。