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变频调速器在中央空调系统中的应用!

暖通e家 2020-03-25 15:00:00



变频调速器在中央空调系统中的应用

席时伟

杭州歌德大酒店,通过变频控制的运用使空调节电率达到系统总耗电量15%以上,就循环水泵节电率高达52%。下面就以杭州歌德大酒店的中央空调系统为例,来表述变频节能改造控制技术在中央空调系统中的节能指标预测方法与自动化控制过程实现方法,以期供用户在实施中央空调变频节能改造时作为对比参考。

1中央空调运行控制方法分析


中央空调系统设计首先是根据室外气象参数和室内空调设计参数计算冷负荷,按分区结构特点,根据产品样本选择相应的设备,组合成一个系统。但空调系统绝大部分时间是在不满负荷的情况下工作。在不满负荷工作的控制方式不够合理,系统能效比也会大大降低。现在空调系统在运行调节方式上,风水系统主要是阀门(手动、自动阀门调节),主机利用导叶伐控制吸气比例(螺杆机卸荷)方式,而这些方式是牺牲了阻力能耗来适应末端负荷要求,造成运行成本居高不下。

若采用变频控制,能量的传递和运输环节控制为变水量(VWV)和变风量(VAV),使传递和运输耦合并达到最佳温差置换,其动力仅为其它控制系统的30~60%,而且节能是双效的,因为对制冷主机的需求能耗同时下降。主机采用变频节能控制,保持设计工况下的制冷剂运动的物理量(如温差、压力等)变化,节能较其它调荷方式明显,如我酒店使用的约克(YORK)离心式冷水机组,配置变频机组在部分负荷下能效比可降至0.28kw/冷吨,可见变频控制方式在空调系统中应用前景十分广阔。

水系统作为中央空调系统中主要的能耗系统,业内专家对其进行的研究也较多,但是主要进行的都是单一控制参数的研究,没有考虑系统节能的综合性研究。而系统参数间存在一定的关联,单一参数优化不一定能降低系统总能耗,因此有必要对水系统的整体运行能耗进行研究。首先,在对空调水系统的效率特性以及节能方法进行分析的基础上,建立了水系统各部件的能耗模型,建立系统总的能耗模型。根据建立的能耗模型进行研究,使机组能耗和水泵最小的最佳冷冻水和冷却水相对流量。鉴于实际工况下,冷冻水、冷却水流量都是在变化的,基于最小能耗的变冷冻水流量和变冷却水流量的节能优化控制方案,这个方法能根据采集的信息对优化参数进行在线优化。根据建立的水系统节能优化数学模型以及相应的约束条件,对控制方案进行仿真研究,得到不同负荷下的最佳冷冻水和冷却水流量,达到既能减少系统总能耗,又提高系统的综合性能系数的目的。其次,针对不等额联合运行的冷水机组,在部分负荷下,基于最小能耗的负荷分配优化策略,利用改进PSO算法进行优化实现减少系统的总能耗。

变频控制方式在空调系统水循环系统中完全能实现变流量控制。在变频技术、计算机自动化控制技术非常成熟的今天,用变频控制方式与暖通空调专业技术有机结合,应用在在中央空调系统中已经不成问题,而且投资回报率非常高,主要是:(1)中央空调运行时间比较长,节能效率比较大,得到回报较高;(2)变频控制软启动、软停止对整个系统设备冲击大幅下降,有效延长设备使用年;(3)中央空调功耗大,且运行中随环境温度变化调节幅度大,更适应扁平控制的运用。在大型中央空调中,其投资回收期一般在6~12个月,以变频控制器使用寿命10年计,其净收益在10倍投资额以上。

2空调水系统的设计原则


空调水系统设计应坚持的设计原则是:

(1)力求水力平衡;

(2)防止大流量小温差;

(3)水输送系数要符合规范要求;

(4)变流量系统宜采用变频调节;

(5)要处理好水系统的膨胀与排气;

(6)要解决好水处理与水过滤;

(7)要注意管网的保冷与保暖效果。

冷冻水泵和冷却水泵的流量是按建筑物最大的设计负荷选定的,水泵扬程由系统最不利环路沿程阻力和局部阻力之和确定.实际工程因系统管路复杂,阻力计算往往只是粗略计算,而考虑很高的安全系数,这样水泵扬程选择往往偏大, 通常会有泵扬程在 0.3~0.5MPa 的富余。

空调冷冻水系统中当一些空调末端停机时, 末端二通阀关闭,或供冷区域温度达到设定值,末端空调柜冷媒水进水比例调节阀关小,使得空调负荷下降,进出制冷主机水温差减小,水泵流量不变的情况下,制冷主机的能效比下降。随着控制技术的发展,不同类型冷水机组都配置有完善的控制装置,能根据负荷变化自动调节蒸发器和冷凝器中冷媒循环流量,为水系统的变流量运行提供了基础条件.对冷水机组的冷水系统进行变流量运行是完全可能的,不会对冷水机组的安全运行产生影响,流量的调节范围可控制在 70% ( 或60% )~100%之间。当末端负荷变化时,供水量随之变化,可直接通过水泵的变频调速控制达到节能目的.而对于冷水机组的冷却水系统进行变流量运行也是完全可行的,由于冷却水量较冷水流量大 20%~30%,其节能效果更加显著。

3变频控制方式


变频器的控制我们采用恒温差控制方式。根据冷冻机的回水和出水的温度差,改变冷冻水和冷却水循环泵的转速,即改变冷冻水和冷却水的流量,从而保持冷冻机的回水与出水的温度差恒定。


3.1冷冻循环水部分

冷冻循环水系统运行主要依据蒸发器进出水温度差来决定流量增加。夏季供冷期间,当进出水温度差小于标准允许温差值时,应减小变频器输出频率,即时降低水泵运行速度减少流量,使实际检测温差值逼近标准温差允许值,但泵速度减少时,必须考虑最末端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(变频器输出频率低限)并锁定,使此速度下变频器输出频率将不再降低,从而保证冷冻循环水管网中顺畅流动,相反,当实际温差大于标准温差时,应增加变频器输出频率,即提升泵转速增加水流量;当变频器输出频率达到48Hz(此时功率约为0.95Pe),若实际温差仍偏大时,就需要再投入另一台泵变频并行运行,此时两台泵并行运行频率初始给定值定为(50Hz/2×1.1≈28Hz,此2台泵运行时输出流量已大于单台泵流量,但此时2台泵累计消耗功率仅约为0.35 Pe,从这一点看,2台同时变频运行要比1台工频加1台变频方式更能节约电能,我在循环水系统变频改造时全部采用了一控一方式,而没有采用一控多方式。2台泵温差值以相同频率同时升速或降速运行时,若温差仍偏大,则以相同方式再投入第三台变频运行。当2台或3台泵同时变频运行且实际温差比标准温差小时,应降低变频器输出频率以减小泵输出流量,当频率减小到输出频率下限时(我对系统设定为23Hz),若仍存温差偏大现象时,控制系统将自动停止最早投入运行1台水泵(即按先入先出调度策略实施增减泵动作),而继续降低输出转速,剩下泵再温差偏差自动调节流量运行[1]

3.2冷却循环水部分

冷却循环水系统运行原理与冷冻循环水系统运行原理基本一致,两者本质差异:当冷凝器进出水温差大于标准允许温差时应增加流量,正好与冷冻循环水调节方向相反。具体流量调节过程不再做重述。

3.3采暖水泵循环系统

冬季供暖时,热水泵将依据蒸汽热交换器实际进出水温差大小来决定出水流量大小,使出水温度恒定标准设定值上。当热水泵流量调节能力达到泵额定流量且进出水温度差仍然偏大时,可减小热交换器蒸汽调节阀来达到目;若热泵热水流量调节能力已经减少到最低流量下限规定值且进出水温差仍偏小时,同样可增加蒸汽调节阀开度来达到进出水温差值恒定目。这种附加调节蒸汽供给量方法,可以使温差值控制更加稳定、有效,也有利于对锅炉供热(供蒸汽)能源节约。


3.4冷却塔风机部分

冷却塔风机启动运行是依据制冷主机冷却水进水温度是否满足出水温度设定值(T1=28℃)和制冷主机冷却水出水温度设定值(T2=32℃)共同要求来决定。我将控制分为四种情况来决定风机运转方式:

⑴当T128℃且T2≥32℃时,冷却塔风机以变频器当前输出频率方式运转。该状态仅出现对制冷机突加负载过程中,负载不再发生剧烈变换时,该状态将发生迁移;

⑵当T128℃且T232℃时,冷却塔风机逐步减速到运行频率下限(23Hz),若该温度现象仍然存持续一段时间后,冷却塔风机将停止运转。此状态多发生环境温度较低的深秋和初冬季节;

⑶当T1≥28℃且T2≥32℃时,冷却塔风机以变频器最大输出频率(50Hz)方式额定速度运行。若该温度现象全部风机额定速度运行一段时间后仍然存,首先增加运行冷却塔系统台数,然后考虑适当增加冷却循环水流量(冷却泵台数)来解除此现象持续存,维持冷凝器安全运行需求; 

⑷当T1≥28℃且T232℃时,此现象多数是前一段时间内冷却塔风机冷却风量不足造成,首先应适当增加风机运行频率(但一般不作增加冷却塔台数处理),然后增加冷却水流量,该状态将会自动化解。


3.5末端盘管风机部分

新风机(空调柜)运行主要依据所供区域室内温度实际值与设定值之间偏差大小来调节,出风量变化依据出回风温差值的大小采用变频控制进行, 在我酒店的设置中,当风机变频到35Hz时,冷冻水进水比例调节阀动作,控制新风机(空调柜)表冷器的流量来保证温度基本恒定设定值。新风量的控制,采用二氧化碳探测传感器来控制新风(新回风)比例调节风阀实现,最大限度实现所供区域室内新风量供应。根据温度变化存时滞性特点,闭环控制中加入了对温度变化趋势前馈补偿控制法,对逼近设定值附近(ΔT±0.2)温差区域不进行风量调节。

客房的风机盘管还是采用设定温度与室内温差来进行控制风机转速来进行,当温差≥2℃提高一档风速,温差≤±1℃低速运行,温差<-1.5℃时,关闭冷冻水进水电磁阀。我们酒店设有客房控制系统,能比较方便地对不同房态进行温度设定,比如,脏房空调关闭,将到房预设定夏季26℃,冬季18℃,一旦客人前台登记入住,温度自动设定到夏季24℃,冬季22℃,客人进入房间后,有客人自行按需设定,并将设定值记录在该客人的客史记录中,一旦该客人再次入住,客房温度设定值按客人喜好温度自动调好,以最大限度做好个性化服务。

3.6控制系统与楼宇自动化系统BAS集成

杭州歌德大酒店的中央空调系统与楼宇自动化系统BA做了有序的集成控制,对制冷主机、循环水泵变频现状等的串行通讯接口引出数据参数,实现远端监控,各用户末端的温度、风机盘管(新风机)运行情况,我们也将PLC采集各种过程工艺参数(包含接点型状态和模拟量数值状态参数)全部集中映射存放一个内存区域,通过BAS调用监视,同时PLC程序设计时把BAS可能要发送控制命令也嵌入到程序指令中去,以便顺利接入运行。

4变频节能改造效果估算与投资收益分析


1、循环水系统变频节能改造投资与收益

中央空调水循环系统在无旁通阀作用的情况下,变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化相应调整冷冻水泵电机和冷却水泵电机的转速,满足中央空调系统正常工作而达到节能目的。

我们知道,水泵电机转速下降,电机消耗的电能就会大大减少。离心式水泵及流量压力与轴功率之间存在以下关系:

(1)流量与转速的一次方成正比。

(2)压力(扬程)与转速的二次方成正比。

(3)轴功率与转速的三次方成正比。

当降低水泵风机的转速时,流量也同比例下降,但功率却以转速的立方迅速下降,它们之间的关系如下公式:

减少的功耗△P=P0(1-N1/N0)3    

减少的流量△Q=Q0(1-N1/N0)    

---N1为改变后的转速,N0为电机原转速,P0为原电机转速下的电机轴功率消耗,Q0为原电机转速下所产生的水泵流量。

由上式可以看出流量Q与转速N一次方成正比,功耗P与转速N三次方成正比。假设原流量为100个单位,耗能也为100个单位,如果转速降低10个单位,由△Q=Q0〔1-(N1/N0)〕=100*〔1—(90/100)〕=10可得出流量改变了10个单位,△P=P0[1-(Nl/N0)3]=100×(1—(90/100)3)=27.1,可以得出,功率将减少27.1个单位,即流量减少10%能耗减少了27.1%。

中央空调系统中的水循环系统,冷却泵与冷冻泵,随着天气变化而启动不同数量的泵,即:气温高时多开泵,气温低时少开泵,表面上看已经采取了节能手段,但是有些情况是没有办法解决的,例如开一台泵不够开两台泵浪费的问题。通过杭州歌德大酒店中央空调循环水系统变频改造所印证,水泵转速与水泵轴功率基本符合理论参数,改造后保障中央空调系统的正常运行前提下,水循环系统年平均节电率为52%,使中央空调总能耗下降15%,投资回收期为一个空调实际运行年度。由于变频器软启动方式,有效地克服Y—△起动所带来的大的电流冲击,较好的延长接触器、电动机的使用寿命,并克服起动时的机械冲及和停泵时水锤现象,大大延长电动机、接触器及机械散件,轴承、阀门、管道的使用寿命。变频器具有的过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能,有效地保障设备安全运行,实现安全可靠、节能降噪等多重效果。

原创整理|悟空

小编微信|nuantonge

资料、图片来源|网络


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