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行业动态
中央空调系统变频节能改造
来源:本站 发布日期:2017-1-4 点击次数:1668
手术室净化空气处理示意图


摘要

为切实抓好企业的降耗增效工作,对现有中央空调系统进行变频调速节能改造势在必行。

关键词:中央空调系统,节能改造,水泵,温差控制,变频调速

一、 现有重要空调系统存在节能改造潜力
随着人民生活水平的不断提高,中央空调系统在高、中档写字楼、星级酒店、商场、医院、工厂中得到广泛应用,但现有系统由于早期科技水平的限制,普遍存在浪费能源现象,主要表现在冷(热)水循环系统、冷却水循环系统、冷却塔风机系统等设备的容量大多是按照建筑物最大制冷(热)负荷选定的,且再留有充足余量。在现有大部分没有使用工作负荷自动调节装置的控制系统中,无论季节、昼夜和用户负荷怎样变化,各电机都长期固定在工频状态下全速运行,能量的浪费是显而易见的。近年来由于电价的不断上涨,造成中央空调系统运行费用急剧上升,致使它在整个企业运营成本费用中占据越来越大的比例,加之目前各生产、服务业竞争激烈,多数企业利润空间不够理想。为响应国家建立节能性社会号召,为切实抓好企业的降耗增效工作,对现有中央空调系统进行变频调速节能改造势在必行。

二、电机变频调速技术性能为现有中央空调系统节能改造创造了良好条件
近10年来,随着大规模集成电路和计算技术的迅猛发展、大功率晶体管技术发展迅速,交流电机的变频调速技术已日趋完善。由于关键配件(专用集成电路,大功率晶体管等)生产工艺的不断提高,加之国内生产企业纷纷看好这一产业,电气传动技术正经历着一场历时革命,即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势,造成电机用变频器功能越发完善,价格日趋合理,可靠性更高。据了解目前已经可以做到全套改造费用只需要一年左右就可以通过节约的电费收回投资,技术改造的经济效益非常可观。

三、中央空调系统的基本构成
我单位中央空调系统主要由三大部分组成:制冷(热)系统、冷却水循环系统、冷(热)水循环系统。


(1) 制冷(热)系统

制冷(热)系统是中央空调的心脏,夏季由65万大卡LG溴化锂制冷机产生7~12°C的冷水。冬季利用蒸汽通过热交换器产生50~65°C热水。

(2) 冷却水循环系统(仅夏季使用)
由冷却水泵(二台18.5kw,用一备以一)、冷却水塔、冷却塔风机(5.5kw)和冷却水管道组成。其作用是利用冷却水泵加压,将冷却水送到LG溴化锂制冷机里不断循环,带走溴化锂制冷机(机械运动及内部热交换产生的热量)释放的热量,到冷却水塔降低水温后送回溴化锂制冷机。

(3) 冷(热)水循环系统(夏季、冬季均使用)
由冷(热)水泵(二台15kw,用一备一)、冷(热)水管道、室内风机盘管组成,从制冷(热)系统产生的7~12°C的冷水(50~65°C热水),由冷(热)水泵加压,输送到各风机盘管,通过风机盘管里铜管、铝片和各房间进行热量交换。

洁净车间净化空气处理示意图


四、变频调速节能装置的节能原理

现有中央空调系统的冷却水泵、冷(热)水泵的功率是根据空调满负荷工作设计的,也就是说只有在夏季最热时(或冬季最冷时)并且全部风机盘管运行在告诉档的状态下,冷却水泵、冷(热)水泵才是运行在高效能的状态下的,否则都是在不经济浪费电能的状态下运行的,星级酒店为了保证客人的舒适度,往往在夏季不太热(或冬季不太冷)就开始运行中央空调系统,因此冷却水泵、冷(热)水泵运行在高效能的状态下的情况很少,经实际测算,连10%的时间都不到,其余90%以上的时间运行效率在40%到100%之间波动,因此可以再满足中央空调系统运行需要的前提下适当降低水泵的流量。

由流体力学可知,P(功率)=Q(流量)×H(压力),流量Q与转速N的一次方成正比,压力H与 转速N的平方成正比,功率P与转速N的立方成正比,如果水泵的效率一定,当要求调节流量下降时,转速N可成比例的下降,而此时电机轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如:一台水泵电功率为18.5kw,当转速下降到原转速的85%时,其耗电量下降到原来85%的立方为61.4%,实际运行功率为18.5kw×61.4%-11.36kw,省电38.6%;当转速下降到原转速的70%时,其耗电量下降到原来的34.3%,实际运行功率为18.5kw×34.3%=6.35kw,省电65.7%。

假如能够让冷却水泵、冷(热)水泵根据上述波动情况进入变频降速运行状态,就能达到既满足中央空调系统运行需要,又能明显降低电能消耗的目的。

五、系统的具体改造方案

5.1具体改造范围分析
针对以上理论分析,可以对冷(热)水循环水泵(15kw,夏季、冬季均使用)、冷却水循环水泵(18.5kw,仅夏季使用)、冷却塔风机(5.5kw,仅夏季使用)进行变频调速节电改造达到降低电能消耗增加企业效益的目的。

冷(热)循环水泵(15kw)由于夏季、冬季均使用,每年实际工作时间在7个月左右,预计1.5年左右就可收回投资,冷却水循环水泵(18.5kw)仅夏季使用,每年实际工作时间在3.5个月左右,预计2.5年左右就可收回投资。考虑到降低投资风险,积累改造经验,计划于2006年夏季开始时将冷(热)循环水泵变频调速节电改造实施完毕投入使用,若效果良好再于2007年夏季进行冷却水循环水泵的变频调速节电改造工作。

考虑到冷却塔风机功率只有5.5kw,仅夏季使用,而且受控于LG溴化锂制冷机可以自动根据运行需要运行和停止,再进行变频调速改造节能效果有限,因此暂时不进行变频调速节电改造。

5.2变频调速改造控制方式分析


(1)变频调速控制要点

中央空调系统的冷却水、冷(热)水进出口温差的大小反映了制冷(热)系统内部热交换量的大小,通过高精度的铂热电阻温度传感器检测冷却水、冷(热)水进出口温度,求出温差信号大小,并实时运算出主机内部的热交换量和应配置的冷却水、冷(热)水流量,从而自动跟踪主机热负荷的大小,实时按比例调节冷却水、冷(热)水流量以匹配主机的运行。

(2)变频调速设计要点
LG溴化锂制冷机冷却水进、出口最高温度:32°C~37°C。
LG溴化锂制冷机冷水进、出口最高温度:12°C~7°C。
冬季热交换器供暖进、出口温度一般为:55°C~60°C。

以上温差一般为5°C左右,属于微温差控制,进、出口温差的大小反映了主机内部热量交换的大小,也就是实时制冷(夏季)或制热(冬季)量的大小。通过热交换公式,计算出对应需求的冷却水、冷水流量或供暖水量,从而使微温差信号控制变频器改变冷却水、冷(热)水泵流量时遵循温差在5°C以内热交换平衡这一原则,满足主机对热量的交换平衡及热交换速度的要求,再这一主要标准条件下,实时判断主机工作负荷,按比例调配冷却水泵、冷(热)水泵的节电运行模式。

除上述主要标准条件外,同时要兼顾冷却水泵、冷(热)水泵必须满足主机规定的安全流量,冷却水出、入口额定最高温度,冷水额定最低温度保护,并现场根据管网特点、冷却塔相对高度、最高楼层相对高度、主机和冷却塔使用状态进行反复调试,以使变频调速设备运行在最优秀状态。

该变频调速改造要解决好的技术关键点:
a) 微温差控制的精度;
b) 必须确保温度传感器反应及时,不能出现稳定惰性、反应滞后现象。

(3)变频调速改造主要器件:
富士变频器、温差控制模块、放大器、PLC可编程控制器、机械互锁接触器、主机联动控制、数字显示仪表、各类开关、按钮、指示灯等。

六、节能改造后节电数据统计分析


(1)冷(热)水泵循环系统

                      表1  2006.5-2007.3变频调速系统节能情况

月份

5

6

7

8

9

11

12

1

2

3

平均

节电率(%)

38.2

37.1

35.1

34.8

38.9

53.3

49.7

47.3

47.5

50.1

43.1



从表1数据可知全年平均节电率为43.1%,冷(热)水泵变频调速改造从2006年5月9日投入使用,到2007年3月27日,共节约电费21366元,设备投资21000元,一年不到就收回改造投资。


(2)冷却水泵循环系统
从2006年5月9日投入使用,到2007年7月31日,共计节约电量5897度,价值电费3713元,节电率高达58.3%,但由于只有夏季使用,每年实际工作时间在3.5个月左右,预计需要一年半收回投资。
 
(3)由于实际改造效果明显高于预测值,虽然冷却塔风机功率一般都较小,节电不如水泵明显。但风机采取变频控制能极大地有助于冷却水恒温,这对于机组制冷恒温极为关键;且能使机组溶液循环温度,获得最大限度的节省燃料。冷却塔风扇低转速运行还能大幅度减少漂水,节省水源、延缓水质劣化、减少水雾对周围的影响。因此拟于2008年对于冷却塔风机进行变频调速节电改造,以进一步提高降耗增效工作的效果。
 
(4)通过以上数据的分析对比,对现有中央空调系统进行变频调速节能改造效果明显,而且几乎不降低空调使用效果(经对最高、中间、最低楼层分别进行的南、北两个朝向共计6个测试点的室内温度改造前后对比测量,室内温度仅仅上升0.5°C左右),仅需不到1.5年就能完全通过节约的电费收回设备投资,以上电费按0.63元/度计算,假如实际电费更高效果就会更好。
 
七、采用变频调速节能改造的间接效益
由于变频器的启动、停止过程是渐强、渐弱式,能消除电机启动对电网的冲击。并可避免电机因过载而引起的故障。由于电机经常处于低速、低负荷运行,电机温度明显下降,能大幅度延长电机及水泵、风机的寿命,同时因没有启动、停止的冲击,加上流量的减少,管路承压及所受冲击力减小,故对管道、阀门、末端设备也起到了一定的保护作用。另一方面,设备噪音、震动均减小,保护了环境。
 
八、结束语
目前,对现有中央空调系统节能技术改造具有很好的市场发展空间和投资收益前景,值得广泛地推广,它不仅符合国家能源发展战略,而且也是一项低风险、高回报率的资本投资方向。
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