鋒速達通風降溫系統(tǒng)
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負壓風機外框置換通風的應用前景及其適用性分析變頻調速技術在風
摘要：
本文分析了空調工程節(jié)能和舒適性空調工程的意義，闡述了置換通風的概念、基本原理、基本特征。提出了置換通風新型末端裝置研究、開發(fā)的技術思路。對置換通風的適用性問題，進行了舉例分析。
關 鍵 詞：置換通風 末端裝置 節(jié)能 空氣品質 適用性
1 引言
隨著人類文明的進步和科技的發(fā)展，人們對自己工作、學習、生活環(huán)境的要求越來越高。而一個舒適的環(huán)境對于保證身心健康、提高生活品質和勞動效率有著重要意義。為實現(xiàn)高質量的室內氣候環(huán)境，電制冷空調工程已被廣泛采用。同時，人們對地球環(huán)境的關注越來越高，對環(huán)境保護的呼聲也日趨強烈，要求采用節(jié)能的、健康的、可持續(xù)發(fā)展的策略進行空調設計。
1.1 中國能源現(xiàn)狀和空調工程節(jié)能
我國提出了長期的經(jīng)濟發(fā)展目標，即下世紀中葉趕上中等發(fā)達國家水平。社會經(jīng)濟的發(fā)展必將伴隨著巨大的能源消費需求。能源是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)，也是公用事業(yè)，更是經(jīng)濟發(fā)展和提高人民生活水平的物質基礎。人類社會的進步與能源的發(fā)展密切相關。我國制定的二十一世紀議程和九五計劃及2010年遠景規(guī)劃中把能源和環(huán)境保護列為最優(yōu)先的發(fā)展領域。
中國是一個擁有12億人口的發(fā)展中國家，是一個以煤炭為主要能源結構的能源生產(chǎn)消費大國。目前，煤炭提供76%的發(fā)電能源，到2020年煤電仍高達60%[1]，煤電的使用導致SO2、NOX、CO2和煙塵大量排放，給環(huán)境保護造成了巨大壓力。我國大部分地區(qū)的絕大多數(shù)空調工程直接利用電能供冷，空調工程的節(jié)能，相當于間接減少了SO2、NOX、CO2和煙塵的排放，對環(huán)保有利。
目前世界發(fā)達國家的民生耗能率高達總耗能量的1/3左右，其中絕大部分又消費在建筑物上，各國為推動建筑節(jié)能的進展，相繼制定和頒布了一系列的建筑節(jié)能法規(guī)、標準和指導性文件。我國政府積極倡導和努力實施節(jié)約能源、保護環(huán)境的政策，頒布了《中華人民共和國節(jié)約能源法》和一系列建筑節(jié)能規(guī)范。
建筑物的節(jié)能是一項復雜的工程工程，包括各種綜合性的技術，包括建筑物本身和空調工程、設備的節(jié)能[2]。就空調工程而言，空調工程節(jié)能又與建筑節(jié)能有關，包括建筑物的朝向和平面布置、維護結構的保溫性能、窗戶的隔熱和建筑物遮陽等等�？照{工程的節(jié)能也與運行節(jié)能有關，包括采用降低室內設計標準、減少新風量的方法，采用天然冷源，過渡季節(jié)取室外新風自然冷卻、冷卻塔供冷技術，采用建筑設備控制自動化技術，采用熱回收技術，例如從通風中回收熱量等等。
采用新的節(jié)能的空調方式，選用更節(jié)能的空調產(chǎn)品，也是空調工程節(jié)能的一項重要、有效的措施。在某些場合，置換通風就是一種較好的節(jié)能的空調方式。
1．2
風機、泵類設備多數(shù)采用異步電動機直接驅動的方式運行，存在啟動電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點。不僅影響設備使用壽命，而且當負載出現(xiàn)機械故障時不能瞬間動作保護設備，時常出現(xiàn)泵損壞同時電機也被燒毀的現(xiàn)象。
近年來，出于節(jié)能的迫切需要和對產(chǎn)品質量不斷提高的要求，加之采用變頻調速器（簡稱變頻器）易操作、免維護、控制精度高，并可以實現(xiàn)高功能化等特點；因而采用變頻器驅動的方案開始逐步取代風門、擋板、閥門的控制方案。
變頻調速技術的基本原理是根據(jù)電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數(shù)）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術，電力電子、微電腦控制等技術于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。
三、節(jié)能分析
通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。
以一臺水泵為例，它的出口壓頭為H0（出口壓頭即泵入口和管路出口的靜壓力差），額定轉速為n0,閥門全開時的管阻特性為r0,額定工況下與之對應的壓力為H1,出口流量為Q1。流量-轉速-壓力關系曲線如下圖所示。
在現(xiàn)場控制中，通常采用水泵定速運行出口閥門控制流量。當流量從Q1減小50%至Q2時，閥門開度減小使管網(wǎng)阻力特性由r0變?yōu)閞1，工程工作點沿方向I由原來的A點移至B點；受其節(jié)流作用壓力H1變?yōu)镠2。水泵軸功率實際值（kW）可由公式：P =Q·H／（η c·η b）×10-3得出。其中，P、Q 、H 、η c 、η b 分別表示功率、流量、壓力、水泵效率、傳動裝置效率，直接傳動為1。假設總效率（η c·η b）為1，則水泵由A點移至B點工作時，電機節(jié)省的功耗為AQ1OH1和BQ2OH2的面積差。如果采用調速手段改變水泵的轉速n，當流量從Q1減小50%至Q2時，那么管網(wǎng)阻力特性為同一曲線r0，工程工作點將沿方向II由原來的A點移至C點，水泵的運行也更趨合理。在閥門全開，只有管網(wǎng)阻力的情況下，工程滿足現(xiàn)場的流量要求，能耗勢必降低。此時，電機節(jié)省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差。比較采用閥門開度調節(jié)和水泵轉速控制，顯然使用水泵轉速控制更為有效合理，具有顯著的節(jié)能效果。
另外，從圖中還可以看出：閥門調節(jié)時將使工程壓力H升高，這將對管路和閥門的密封性能形成威脅和破壞；而轉速調節(jié)時，工程壓力H將隨泵轉速n的降低而降低，因此不會對工程產(chǎn)生不良影響。
從上面的比較不難得出：當現(xiàn)場對水泵流量的需求從100%降至50%時，采用轉速調節(jié)將比原來的閥門調節(jié)節(jié)省BCH3H2所對應的功率大小，節(jié)能率在75%以上。 與此相類似的，如果采用變頻調速技術改變泵類、風機類設備轉速來控制現(xiàn)場壓力、溫度、水位等其它過程控制參量，同樣可以依據(jù)工程控制特性繪制出關系曲線得出上述的比較結果。亦即，采用變頻調速技術改變電機轉速的方法，要比采用閥門、擋板調節(jié)更為節(jié)能經(jīng)濟，設備運行工況也將得到明顯改善。
四、節(jié)能計算
對于風機、泵類設備采用變頻調速后的節(jié)能效果，通常采用以下兩種方式進行計算：
1、根據(jù)已知風機、泵類在不同控制方式下的流量－負載關系曲線和現(xiàn)場運行的負荷變化情況進行計算。
以一臺IS150-125-400型離心泵為例，額定流量200.16m3/h，揚程50m；配備Y225M-4型電動機，額定功率45kW。泵在閥門調節(jié)和轉速調節(jié)時的流量－負載曲線如下圖示。根據(jù)運行要求，水泵連續(xù)24小時運行，其中每天11小時運行在90%負荷，13小時運行在50%負荷；全年運行時間在300天。
則每年的節(jié)電量為：W1=45×11×（100%－69%）×300=46035kW·h
W2=45×13×（95%－20%）×300 =131625kW·h
W = W1＋W2=46035＋131625=177660kW·h
每度電按0.5元計算，則每年可節(jié)約電費8.883萬元。
2、根據(jù)風機、泵類平方轉矩負載關系式：P / P0=（n / n0）3計算，式中為P0額定轉速n0時的功率；P為轉速n時的功率。
以一臺工業(yè)鍋爐使用的22 kW鼓風機為例。運行工況仍以 24小時連續(xù)運行，其中每天11小時運行在90%負荷（頻率按46Hz計算,擋板調節(jié)時電機功耗按98%計算），13小時運行在50%負荷（頻率按20Hz計算，擋板調節(jié)時電機功耗按70%計算）；全年運行時間在300天為計算依據(jù)。
則變頻調速時每年的節(jié)電量為：W1=22×11×[1－（46/50）3]×300=16067kW·h
W2=22×13×[1－（20/50）3]×300=80309kW·h
Wb = W1＋W2=16067＋80309=96376 kW·h
擋板開度時的節(jié)電量為：W1=22×（1－98%）×11×300=1452kW·h
W2=22×（1－70%）×11×300=21780kW·h
Wd = W1＋W2=1452＋21780=23232 kW·h
相比較節(jié)電量為：W= Wb－Wd=96376－23232=73144 kW·h
每度電按0.5元計算，則采用變頻調速每年可節(jié)約電費3.657萬元。 某工廠離心式水泵參數(shù)為：離心泵型號6SA-8，額定流量53. 5 L/s，揚程50m；所配電機Y200L2-2型37 kW。對水泵進行閥門節(jié)流控制和電機調速控制情況下的實測數(shù)據(jù)記錄如下：
流 量L/s 時 間（h） 消耗電網(wǎng)輸出的電能（kW·h）
閥門節(jié)流調節(jié) 電機變頻調速
47 2 33.2×2=66.4 28.39×2=56.8
40 8 30×8=240 21.16×8=169.3
30 4 27×4=108 13.88×4=55.5
20 10 23.9×10=239 9.67×10=96.7
合計 24 653.4 378.3
相比之下，在一天內變頻調速可比閥門節(jié)流控制節(jié)省275.1 kW·h的電量，節(jié)電率達42.1%。
五、結束語
風機、泵類等設備采用變頻調速技術實現(xiàn)節(jié)能運行是我國節(jié)能的一項重點推廣技術，受到國家政府的普遍重視，《中華人民共和國節(jié)約能源法》第39條就把它列為通用技術加以推廣。實踐證明，變頻器用于風機、泵類設備驅動控制場合取得了顯著的節(jié)電效果，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(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，還降低了停產(chǎn)周期。直接和間接經(jīng)濟效益十分明顯，設備一次性投資通�？梢栽�9個月到16個月的生產(chǎn)中全部收回。
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