中央空調系統變頻節能改造方案

1 概述

中央空調系統在現代企業及生活環境改善方面極為普遍，而且是某些生活環境或生產工序中所必須配備的，即所謂人造環境，不僅是溫度的要求，還有濕度、潔凈度等。之所以要求配置中央空調系統，目的在于提高產品質量，提高人的舒適度，而且集中供冷供熱效率高，便于管理，節省投資等。為此，幾乎所有企業、高層商廈、商務大樓、會場、劇場、辦公室、圖書館、賓館、商場、超市、酒店、娛樂場、體育館等中大型建筑上都采用中央空調，它是現代大型建筑物不可缺少的配套設施之一，但由于它的電能消耗非常之大，是用電大戶，幾乎占了用電量的50%以上，因此其日常開支費用很大。

中央空調系統都是按最大負載并增加一定余量設計的，而實際上在一年中，滿負載下運行最多只有十多天，甚至十多個小時，絕大部分時間負載都在70%以下運行。通常，中央空調系統中冷凍主機的負荷能隨季節氣溫變化自動調節負載，而與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動調節負載，幾乎長期在100%負載下運行，造成了能量的極大浪費，也惡化了中央空調的運行環境和運行質量。

隨著變頻技術的日益成熟，利用變頻器、PLC、D/A轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等部件的有機結合，可構成溫差閉環自動控制系統，自動調節水泵的輸出流量。采用變頻調速技術不僅能使商場室溫維持在所期望的狀態，讓人感到舒適滿意，使整個系統工作狀態平緩穩定，更重要的是其節能效果高達30%以上，能帶來很好的經濟效益。

2 中央空調系統構成及工作原理

如圖1所示，中央空調系統主要由以下幾個部分組成。

2.1 冷凍機組

通往各個房間的循環水經由冷凍機組進行“內部熱交換”作用，使冷凍水降溫為5~7℃。并通過循環水系統向各個空調點提供外部熱交換源。內部熱交換產生的熱量，通過冷卻水系統在冷卻塔中向空氣中排放。內部熱交換系統是中央空調的“制冷源”。

2.2 冷凍水塔

用于為冷凍機組提供“冷卻水”。

2.3 “外部熱交換”系統

此系統由兩個循環水系統組成：

1)冷凍水循環系統由冷凍泵及冷凍管道組成。

從冷凍機組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在各個房間內進行熱交換，帶走房間內的熱量，使房間內的溫度下降;

2)冷卻水循環系統由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍機組進行熱交換，使水溫冷卻的同時，必將釋放大量的熱量，該熱量被冷卻水吸收，促使冷卻水溫度升高，冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入水塔，使之在冷卻塔中與大氣進行熱交換，然后再將降了溫的冷卻水，送回到冷凍機組，如此不斷循環，帶走冷凍機組所釋放的熱量。

2.4 冷卻風機

1)室內風機安裝于所有需要降溫的房間內，用于將由冷凍水冷卻了的冷空氣吹入房間，加速房間內的熱交換。

2)冷卻塔風機用于降低冷卻塔中的水溫，加速將“回水”帶回的熱量散發到大氣中去。

中央空調系統的四個部分都可以實施節電改造，但冷凍水機組和冷卻水機組改造后的節電效果最為理想。因此我們將重點闡述對冷凍機組和冷卻機組的變頻調速技術改造，次要說明冷卻風機的變頻調速技術改造。

3 中央空調系統變頻改造的具體方案

現將淅江省嘉興市某集團公司辦公樓的中央空調系統的變頻節能改造方案做一具體介紹。

3.1 中央空調原系統存在的問題

該集團中央空調系統改造前的主要設備和控制方式：

1)450 t冷氣主機2臺，型號為特靈二極式離心機，兩臺并聯運行;

2)冷凍水泵2臺，揚程28 m，配用功率45 kW;

3)冷卻水泵有2臺，揚程35m，配用功率75 kW，冷凍水泵與冷卻水泵均采用一用一備的方式運行;

4)冷卻塔2臺，風扇電機11 kW，并聯運行，室內風機4臺，5.5 kW，并聯運行。

該集團是一家合資企業，為了給員工營造一個良好的工作環境，辦公樓大部分空間采用全封密的模式，因此公司大部分空間自然通風效果不好，所以對夏季冷氣質量的要求較高。除了一些節假日外，其它時間中央空調都是全開的。由于中央空調系統設計時按天氣最熱、負荷最大時設計，且留有10%~20%的設計余量。其中冷凍主機可以根據負載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負載變化作出相應的調節。這樣，冷凍水、冷卻水系統幾乎長期在大流量、小溫差的狀態下運行，造成了能量的極大浪費。

原系統中冷凍、冷卻水泵采用的均是Y-△起動方式，電機的起動電流均為其額定電流的3~4 倍，在如此大的電流沖擊下，接觸器的使用壽命大大下降;同時，啟動時的機械沖擊和停泵時的水錘現象，容易對機械部件、軸承、閥門和管道等造成破壞，從而增加維修工作量、維修費用，設備也容易老化。

另外，由于冷凍泵軸輸送的冷量不能跟隨系統實際負荷的變化，其熱力工況的平衡只能由人工調整冷凍主機出水溫度，結果只能是用大流量獲得小溫差。這樣，不僅浪費能量，也惡化了系統的運行環

境與運行質量。特別是在環境溫度偏低、某些末端設備溫控稍有失靈或靈敏度不高時，將會導致大面積空調室溫偏冷，感覺不適，嚴重干擾中央空調系統的運行質量。

針對上述實際情況，對該集團的中央空調系統實施了利用變頻器、人機界面、PLC、數模轉換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等構成的溫差閉環自動調速系統的方案。主要對冷凍、冷卻水泵進行了變頻調速技術改造，達到節約電能、穩定系統、延長設備壽命，提高環境舒適度的目的。

3.2 中央空調系統節能改造的具體方案

對該中央空調節能系統進行變頻節能改造的具體裝機清單如表1所列。

3.2.1 變頻節電原理

由流體傳輸設備(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)。變頻器節能的效果是十分顯著的，這種節能回報是看得見的。特別是調節范圍大、啟動電流大的系統及設備，通過圖2 可以直觀地看出在流量變化時只要對轉速(頻率)稍作改變就會使水泵軸功率有更大程度上的改變，此特點使得使用變頻器進行調速成為一種趨勢，而且不斷深入并應用于各行各業的調速領域。

根據上述原理可知：改變水泵、風機的轉速就可改變水泵、風機的輸出功率。

圖中陰影部分為同一臺水泵的工頻運行狀態與變頻運行狀態在隨著流量變化所消耗的功率差。

3.2.2 系統電路設計和控制方式

根據中央空調系統冷卻水系統的一般裝機形式，建議在冷卻水系統和冷凍水系統各裝兩套傳動之星SD-YP 系列一體化變頻調速控制柜，其中冷卻變頻調速控制柜供兩臺冷卻水泵切換(循環)使用，

冷凍變頻調速控制柜供兩臺冷凍水泵切換(循環)使用。變頻節能調速系統是在保留原工頻系統的基礎上改裝的，變頻節能系統的聯動控制功能與原工頻系統的聯動控制功能相同，變頻節能系統與原工頻系統之間設置了聯鎖保護，以確保系統工作安全。利用變頻器、人機界面、PLC、數模轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結合，構成溫差閉環自動控制系統，自動調節水泵的輸出流量，為達到節能的目的提供了可靠的技術條件。如圖3所示，給出了主電路具體的改造方案。

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