風(fēng)機(jī)水泵類的變頻節(jié)能的原理：

　　我國(guó)的電動(dòng)機(jī)用電量占全國(guó)發(fā)電量的60％～70％，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量占全國(guó)電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門(mén)地截流過(guò)程中。由于風(fēng)機(jī)、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率為20％～50％，而且通常在設(shè)計(jì)中，用戶水泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費(fèi)。因此推廣交流變頻調(diào)速裝置效益顯著。

　　采用變頻器驅(qū)動(dòng)具有很高的節(jié)能空間。目前許多國(guó)家均已指定流量壓力控制必須采用變頻調(diào)速裝置取代傳統(tǒng)方式，中國(guó)國(guó)家能源法第29條第二款也明確規(guī)定風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載應(yīng)該采用電力電子調(diào)速。

　　變頻調(diào)速節(jié)能裝置的節(jié)能原理

　　1、變頻節(jié)能

　　由流體力學(xué)可知，P（功率）=Q（流量）?　H（壓力），流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。例如：一臺(tái)水泵電機(jī)功率為55KW，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其耗電量為28.16KW，省電48.8％，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時(shí)，其耗電量為6.875KW，省電87.5％.

　　2、功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能

　　無(wú)功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無(wú)功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，由公式P=S?COSФ，Q=S?SINФ，其中S－視在功率，P－有功功率，Q－無(wú)功功率，COSФ－功率因數(shù)，可知COSФ越大，有功功率P越大，普通水泵電機(jī)的功率因數(shù)在0.6-0.7之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，COSФ≈1，從而減少了無(wú)功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

　　3、軟啟動(dòng)節(jié)能

　　由于電機(jī)為直接啟動(dòng)或Y/D啟動(dòng)，啟動(dòng)電流等于(４-7)倍額定電流，這樣會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過(guò)高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對(duì)擋板和閥門(mén)的損害極大，對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始，最大值也不超過(guò)額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備和閥門(mén)的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

     摘　要: 中央空調(diào)的節(jié)能改造有很大的降耗空間，本文論述利用變頻器和PLC的邏輯控制功能及通訊功能，對(duì)重要空調(diào)各個(gè)系統(tǒng)分析后，提出了系統(tǒng)控制方案及實(shí)現(xiàn)方法，完成了整套節(jié)能改造的方案，對(duì)中央空調(diào)減少能耗、提高效率具有重要意義。

　　1 前言

　　中央空調(diào)是大廈里的耗電大戶，正常供暖或供冷季節(jié)每年的電費(fèi)中空調(diào)耗電占60％左右，因此中央空調(diào)的節(jié)能改造顯得尤為重要。由于中央空調(diào)系統(tǒng)按最大負(fù)荷設(shè)計(jì)，并且留10-20％設(shè)計(jì)余量，而實(shí)際上絕大部分時(shí)間空調(diào)是不會(huì)運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)下，存在較大的冗余，所以節(jié)能的潛力很大。另外冷凍水泵和冷卻水泵不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié)運(yùn)行速度和合理數(shù)量，只能靠門(mén)和旁通來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量與壓差，因此不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，從而致使大量電能浪費(fèi)（冷凍水泵額外負(fù)載增多間接造成冷水機(jī)組負(fù)荷變大）和造成中央空調(diào)最末端達(dá)不到合理效果的情況。

　　本文針對(duì)某酒店改造項(xiàng)目的自身特點(diǎn)，利用變頻器和PLC的控制系統(tǒng)對(duì)原項(xiàng)目的中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，使其更加合理利用能量，對(duì)于減少能耗、提高效率具有重要意義。

　　2　項(xiàng)目介紹

　　廣東某酒店改造項(xiàng)目節(jié)能改造點(diǎn)如下:

　　1．東樓/西樓的中央空調(diào)之冷凍水泵控制，改造原因：人工通過(guò)調(diào)整管阻調(diào)整供應(yīng)冷量，雖然滿足使用但造成巨大的能量浪費(fèi)。

　　2．東樓/西樓中央空調(diào)之冷卻水泵控制，改造原因：人工通過(guò)調(diào)整管阻調(diào)整冷卻水流量（熱交換量），雖然滿足使用但造成巨大的能量浪費(fèi)。

　　3．東樓/西樓的中央空調(diào)之冷卻塔風(fēng)機(jī)控制，改造原因：一是頻繁啟動(dòng)，沖擊電流大，接觸器和電機(jī)壽命受影響；二是風(fēng)量不能根據(jù)送回水溫度自動(dòng)調(diào)整而造成能量浪費(fèi)。

　　4．風(fēng)機(jī)盤(pán)管冷量交換控制，主要分布點(diǎn)為東樓5號(hào)會(huì)議廳、天波府和大堂及西樓的保齡球館、宴會(huì)廳、西餐廳、一樓大堂、天堂吧、潮洲城、二樓大堂、東大堂和會(huì)議室等地方，改造原因：目前熱交換和新風(fēng)供給不能根據(jù)人流的多寡作快速調(diào)整，并且溫控不精確（采樣點(diǎn)在回風(fēng)口，冬天供暖，熱氣上升，人員活動(dòng)區(qū)溫度較設(shè)定溫度低；反之，夏天供冷氣，冷氣下降，人員活動(dòng)區(qū)溫度較設(shè)定溫度低。

　　5．東樓/西樓的供水系統(tǒng)，改造原因：目前采用人工大幅容調(diào)，由于供水電機(jī)功率較大（分別為55KW和30KW），大幅容調(diào)除了造成大的功率冗余和能量浪費(fèi)，同時(shí)將會(huì)造成供水不穩(wěn)定、水錘和啟動(dòng)電流沖擊，嚴(yán)重影響管件壽命和供水水質(zhì)。

　　3　控制方案及實(shí)現(xiàn)方法

　　酒店中央空調(diào)結(jié)構(gòu)分為供暖和供冷兩部分，其中供冷包含冷卻塔，冷水機(jī)組，冷凍水泵，冷卻水泵和末端，供暖部分包含熱水泵和加熱器。該中央空調(diào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示：

圖1 中央空調(diào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　該中央空調(diào)的西樓配置圖和東樓配置圖分別如圖2和圖3所示：

圖2 西樓配置圖

圖3 東樓配置圖

　　（1）冷凍機(jī)組

　　一般冷凍機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式：在冷水機(jī)組的供/回水總管上分別設(shè)一個(gè)溫度傳感器（T），在冷凍回水管上設(shè)一個(gè)流量計(jì)（F），同時(shí)將此三種信號(hào)輸入到控制器，經(jīng)運(yùn)算可得出大樓的冷負(fù)荷Q=F*△T，根據(jù)冷機(jī)組的效率曲線，經(jīng)過(guò)計(jì)算比較，取各種組合中的能耗最小者，并根據(jù)設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)而自動(dòng)選擇冷機(jī)的最佳組合。使系統(tǒng)的總能耗保持在最小值，以達(dá)到最佳節(jié)能的效果。

　　雖然大容調(diào)會(huì)產(chǎn)生大的功率冗余大的能量浪費(fèi)，但從冷水機(jī)組的運(yùn)行特性考慮，在沒(méi)有生產(chǎn)廠家配合處理的情況下不適宜進(jìn)行變頻改造，故本方案暫不考慮。

　�。�2）冷凍泵組/冷卻泵組

　　控制方式：依據(jù)所送水/回水溫差、流量和供回水壓差，計(jì)算決定啟動(dòng)機(jī)組臺(tái)數(shù)和變頻運(yùn)行泵的運(yùn)行頻率，自動(dòng)調(diào)整到最佳熱交換量狀態(tài)；

　　由于水泵采用的是Y―△起動(dòng)方式，電機(jī)的起動(dòng)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、電機(jī)的使用壽命將受到影響；起動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖及和停泵時(shí)水錘現(xiàn)象，容易對(duì)機(jī)械散件、軸承、閥門(mén)、管道等造成破壞而增加維修工作量和備品、備件費(fèi)用，另外，僅因啟動(dòng)需要將不得不使整棟大樓的配電容量增大若干倍、投入成本增加若干倍。變頻器是軟啟動(dòng)方式，采用變頻器控制電機(jī)后，電機(jī)在起動(dòng)時(shí)及運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中均無(wú)沖擊電流，而沖擊電流是影響接觸器、電機(jī)使用壽命最主要的因素，同時(shí)采用變頻器控制電機(jī)后還可避免水垂現(xiàn)象，因此可大大延長(zhǎng)電機(jī)、接觸器及機(jī)械散件，軸承、閥門(mén)、管道的使用壽命。

　　在無(wú)旁通閥作用的情況下，變頻器能根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵負(fù)載變化相應(yīng)調(diào)整冷凍水泵電機(jī)和冷卻水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足中央空調(diào)系統(tǒng)正常工作而達(dá)到節(jié)能目的。水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)從電網(wǎng)吸收的電能就會(huì)大大減少。

　　減少的功耗△P=PO(1―(Nl／N0)^3)；減少的流量△Q＝Q0(1－(N1／N0))

　　-------N1為改變后的轉(zhuǎn)速，N0為電機(jī)原轉(zhuǎn)速，P0為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下的電機(jī)軸功率消耗，Q0為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的水泵流量。

　　由上式可以看出流量Q與轉(zhuǎn)速N一次方成正比，功耗P與轉(zhuǎn)速N三次方成正比。假設(shè)原流量為100個(gè)單位，耗能也為100個(gè)單位，如果轉(zhuǎn)速降低10個(gè)單位，由△Q＝Q0〔1-（N1/N0）〕＝100*〔1―（90／100）〕＝10可得出流量改變了10個(gè)單位，△P＝P0[1－（Nl／N0）^3]＝100×(1―(90／100)^3)＝27．1，可以得出，功率將減少27．1個(gè)單位，即流量減少10%能耗減少了27．1％。

　　當(dāng)用蝶閥的開(kāi)度來(lái)控制冷凍、冷卻水流量大小時(shí)，蝶閥阻管與功率P變化（如圖3所示）由曲線1到曲線2，流量減小，但功率卻沒(méi)有減小多少。若通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速（如圖4所示），H-Q曲線由曲線1到曲線2，蝶閥開(kāi)度100%時(shí)，蝶閥阻力為零，管道阻不變，功率省很多。

圖3 阻管與功率P變化曲線圖 圖4 不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的阻管與功率P變化曲線圖

　　系統(tǒng)改造方式如下：

　　西樓和東樓冷凍冷卻泵控制圖分別如圖5和圖6所示：

圖5 東樓冷凍冷卻泵控制原理圖

圖6 西樓冷凍冷卻泵控制原理圖

　　（3）冷卻塔風(fēng)機(jī)

　　控制方式：控制送水/回水溫差為恒值為目標(biāo)，調(diào)整冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量；外界氣溫的變化或者使用場(chǎng)合熱交換量的變化，大部分時(shí)間并不要求冷卻塔風(fēng)機(jī)和全速運(yùn)轉(zhuǎn)，由于

　　n=60f(1-s)/p;-----p：電機(jī)極數(shù)

　　根據(jù)流體力學(xué)知：風(fēng)壓H 正比于轉(zhuǎn)速n?;所消耗的功率P等于風(fēng)量Q與風(fēng)壓H之積（即輸出功率P正比于轉(zhuǎn)速n?），即Q=K1n;H=K2n2;P=Q*H=K1K2n3

　　風(fēng)量減小20?，即轉(zhuǎn)速降低20?，節(jié)省功率ΔP=K[n3-(0.8n)3]=0.438 K1K2n

　　風(fēng)量減小50?，即轉(zhuǎn)速降低50?，節(jié)省功率ΔP=K[n3-(0.5n)3]=0.875 K1K2n

　　可見(jiàn)，大部分情況冷卻塔風(fēng)機(jī)處于做無(wú)用功狀態(tài)，并且浪費(fèi)的能量較大。因而，在保證系統(tǒng)正常散熱風(fēng)量的前提下調(diào)速，即使扣除實(shí)際上由于轉(zhuǎn)速下降可能引起的電機(jī)和風(fēng)機(jī)效率降低這一因素，采用變頻器調(diào)速，風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果還是非常顯著的。

　　改造方式如圖7所示：

圖7 冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造圖

　　控制結(jié)果：大幅降低能耗；無(wú)啟動(dòng)電流沖擊。

　�。�4）風(fēng)機(jī)盤(pán)管冷/熱量交換控制

　　在中央空調(diào)系統(tǒng)中，各種用房冷暖設(shè)備除新風(fēng)機(jī)組和空調(diào)機(jī)組外，還大量使用風(fēng)機(jī)盤(pán)管。它只有盤(pán)管、三速風(fēng)機(jī)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，感溫組件、控制器等組成。一般三速風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)，感溫組件、控制器等制成一個(gè)整件設(shè)備，目前，市場(chǎng)上有兩種，一種是盤(pán)管控制器為DDC控制，并具備與主機(jī)通訊功能。這種控制器可通過(guò)計(jì)算原則中心控制，西樓使用這種方式。另一種是不具備通訊功能的盤(pán)管控制器，可以按照水系統(tǒng)的連接情況的將風(fēng)機(jī)盤(pán)管分為若干組，每組的支路入口處安裝流量計(jì)、供回水壓差變送器及供回水溫度傳感器。從而可計(jì)算出風(fēng)機(jī)盤(pán)管水閥的開(kāi)度，并給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥一個(gè)指令，從而將電動(dòng)閥調(diào)節(jié)至相應(yīng)的開(kāi)啟度，使盤(pán)管中流過(guò)所需要的水流量，東樓使用這種方式。為解決面臨的問(wèn)題，可以通過(guò)對(duì)采樣到的回風(fēng)溫度及其二氧化碳焓量控制調(diào)整加熱盤(pán)管及表冷盤(pán)管二通電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和送風(fēng)風(fēng)量（風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速），實(shí)現(xiàn)對(duì)送風(fēng)溫度（設(shè)定點(diǎn)可調(diào)整）的控制。方式如圖8所示：

圖8 風(fēng)機(jī)盤(pán)管冷/熱量交換控制改造圖

　　另外，要提供一個(gè)舒適的環(huán)境，除控制室溫外，還需對(duì)室外溫/濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)室環(huán)境溫/濕度檢測(cè)，實(shí)時(shí)調(diào)整空調(diào)機(jī)和新風(fēng)機(jī)的新風(fēng)量，進(jìn)行過(guò)渡季節(jié)的全新風(fēng)和空調(diào)季節(jié)的小新風(fēng)控制。根據(jù)監(jiān)測(cè)環(huán)境的CO2濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)的新/回風(fēng)混合比，提供長(zhǎng)期舒適的活動(dòng)環(huán)境，同時(shí)可達(dá)到節(jié)能效果。

　�。�5）供水

　　以設(shè)定供水壓力為目標(biāo)，根據(jù)實(shí)際用水量，利用VFD-F的自動(dòng)加減泵功能和調(diào)頻功能，合理利用能量，維持供水壓力的恒定，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊啟動(dòng)和避免水錘效應(yīng)。

　　其改造圖如圖9所示：

圖9 供水系統(tǒng)改造圖

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　本文基于客戶設(shè)備的實(shí)際特點(diǎn)，利用變頻技術(shù)和PLC的強(qiáng)大的邏輯控制功能及通訊功能，為客戶提供了一套完整的控制系統(tǒng)改造方案，使中央空調(diào)系統(tǒng)能更合理利用能量，避免了能量的不必要浪費(fèi)。運(yùn)行實(shí)踐表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安全可靠，性價(jià)比高，值得業(yè)界同行借鑒和推廣。