中央空调循环水改造方案

1、变频器在中央空调中的应用方案一、前言随着经济的发展，人们生活水平的提高，大家对自己的工作，生活环境也越来越重视，现在兴建的高档商住楼，宾馆，大型商场在基建时都是采用了中央空调系统。该系统在设计时是按照最热天气，最大负荷来设计，通常还留有1015%的设计余量。该系统在整幢建筑里可以说是耗电大户，电能耗费一般在50%-60%，所占比重很大。但在实际工作过程中，大部分时间该系统都不是需要满负荷工作，有着较大的富裕空间，因此有必要对旧有系统进行节能降耗改造。   利用变频器通过对中央空调的末端空调风机箱、冷冻水 / 冷却水水泵、冷却塔风机、甚至主机驱动电机转速等进行控制调节，从而使

2、空调各子系统风量、水流量等负荷工况参数按负荷情况得到适时调节，不但能改善系统的调节品质，达到阀门、风门调节 / 回流调节、变极调速等落后调节方式所不能相比的调节性能，改善空调的舒适性；还能节省大量电能。二、中央空调循节能改造的必要性中央空调是大厦里的耗电大户，每年的电费中空调耗电占60%左右，因此中央空调的节能改造显得尤为重要。中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，存在较大的富余，所以节能的潜力就较大，其中，冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节，存在很大的浪费。水泵系统的流量与压差是靠阀

3、门和旁通调节来完成，因此，不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能，而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。为了解决这些问题需使水泵随着负载的变化调节水流量并关闭旁通。再因水泵采用的是Y-起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的34倍，一台90KW的电动机其起动电流将达到500A，在如此大的电流冲击下，接触器、电机的使用寿命大大下降，同时，起动时的机械冲击和停泵时水垂现象，容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、备件费用。综上，为了节约能源和费用，需对水泵系统进行改造，经市场调查与了解采用成熟的变频器来实现，以便达到节能和延

4、长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。 这是因为变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整水泵电机的转速，在满足中央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵和冷却水泵作出相应调节，以达到节能目的。水泵电机转速下降，电机从电网吸收的电能就会大大减少。其减少的功耗 P=P01-(N1/N0)3 （1）式减少的流量 Q=Q01-(N1/N0) （2）式 其中N1为改变后的转速，N0为电机原来的转速，P0为原电机转速下的电机消耗功率，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的减少与转速减少的一次方成正比，但功耗的减少却与转速减少的三次方成正比。如：假设原流量为100个单位

5、，耗能也为100个单位，如果转速降低10个单位，由（2）式Q=Q01-(N1/N0)=100 x1-(90/100)=10可得出流量改变了10个单位，但功耗由（1）式P=P01-(N1/N0)3=100 x1-(90/100)3=27.1可以得出，功率将减少27.1个单位，即比原来减少27.1%。再因变频器是软启动方式，采用变频器控制电机后，电机在起动时及运转过程中均无冲击电流，而冲击电流是影响接触器、电机使用寿命最主要、最直接的因素，同时采用变频器控制电机后还可避免水垂现象，因此可大大延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。中央空调采用变频器后有如下优点： 变频器可软启动电机

6、，大大减小冲击电流，降低电机轴承磨损，延长轴承寿命。 调节水泵风机流量、压力可直接通过更改变频器的运行频率来完成，可减少或取消挡板、阀门。 系统耗电大大下降，噪声减小。 若采用温度闭环控制方式，系统可通过检测环境温度，自动调节风量，随天气、热负荷的变化自动调节，温度变化小，调节迅速。 系统可通过现场总线与中央控制室联网，实现集中远程监控。三、中央空调系统的构成及工作原理    制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻水泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中，由风机吹送冷风达到降温的目的。经蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量

7、，与冷却循环水进行热交换，由冷却水泵将带有热量的冷却水送到散热水塔上由水塔风扇对其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气中去，如下图所示：    冷冻水循环系统：由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。同时，房间内的热量被冷冻水吸收，使冷冻水的温度升高。温度升高了的循环水经冷冻主机后又成为冷冻水，如此循环不已。从冷冻主机流出，进入房间的冷冻水简称为“出水”，流经所有房间后回到冷冻主机的冷冻水简称为“回水”。无疑回水的温度将高于出水的温度形成温差。 &

8、#160;  冷却水循环系统 ：由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻主机在进行热交换、使水温冷却的同时，必将释放大量的热量。该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降温了的冷却水，送回到冷冻机组。如此不断循环，带走了冷冻主机释放的热量。流进冷冻主机的冷却水简称为“进水”，从冷冻主机流回冷却塔的冷却水简称为“回水”。同样，回水的温度将高于进水的温度形成温差。四、 中央空调节能改造的方案根据国内外最新资料介绍，并多处通过对在中央空调水泵系统进行闭环控制改造的成功范例进行考察，现在水泵系统节能改造的方案大都采用变频器

9、来实现。 改造的节能原理原系统水循环的流量和压差是通过调节阀门开度和旁通调节完成的。这不可避免的存在较大截流损失和大流量，高压力，低温差现象，既浪费大量电能，又导致中央空调末端达不到理想的制冷效果。要解决该问题最好方案就是使水泵随负载的变化自动调节水流量而不是靠改变阀门的开度。 从上图中我们可以清楚的看出冷却水循环系统和冷冻水循环系统，其中冷却水循环系统是用来冷却冷冻机组的，该系统包括以下结构： 冷冻压缩机组，冷却泵，冷却水管道，冷却塔。冷却水将压缩机组工作时产生的热量带走通过冷却水泵加压通过管道带到冷却塔，在冷却塔的冷风的作用下降温冷却再流入压缩机组，这样可以保证压缩机组在正常的温

10、度下工作。冷冻水系统： 冷冻压缩机组。冷冻泵，冷冻水管路，冷冻水流出压缩机组后经冷冻泵加压后进入冷冻水管路进入房间进行热交换，带走热量，降低房间温度。冷却风机：房间内冷却风机：安装于房间内，将经冷却降温的冷空气吹进室内，加大室内的热交换室外冷却塔风机：降低冷却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。从以上可以看出，中央空调系统的工作过程就是一个循环的热交换过程，2条水循环系统便成为这个过程传递者。因此实现对水循环系统的控制便成为重中之重。原系统的温度控制方式：采用热电阻的方式： 图中Rt1,Rt2,Rt3 为3处感温部位冷冻压缩机组冷却水循环系统冷冻水循环系统冷风机拖动系统原系统该

11、部分均不能实现调速，能耗大，实现温度精确控制困难。变频调速的原理分析该系统的热交换由两个水循环系统来完成。水循环系统的回水与进（出）水温度之差，反映了需要进行热交换的热量。根据回水与进水（出）水温度差来控制循环水的流速从而控制热交换的速度，应该是合理的控制方法。（1）冷冻水循环系统的控制通过回水温度实现变频控制由于冷冻水的回水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，是比较稳定的，我们根据回水温度的高低可以判断出房间内的温度。可以根据回水温度实现变频控制：回水温度高，说明房间温度高，应该提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度；反之，回水温度低，说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，达到

12、节约能源的目的。（2）冷却水循环系统的控制通过检测进水和回水的温差实现变频控制。冷却塔的水温是随环境温度变化而变化的，因此单侧水温度不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据，实现恒温差控制是可行的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以实现节能的目的。1、 冷冻（媒）水泵系统的控制1、制冷模式下冷冻水泵系统的闭环控制该方案在保证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并锁定，变频冷冻

13、水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减，控制方式是：冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。2、制热模式下冷冻水泵系统的闭环控制该模式是在中中央空调中热泵运行（即制热）时冷冻水泵系统的控制方案。同制冷模式控制方案一样，在保证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并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减。不同的是：冷冻回水温度小于设定温度时频率无极上调，当

14、温度传感检测到的冷冻水回水温越高，变频器的输出频率越低。变频器都具有以上功能，通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器（安装在冷冻水系统回水主管上）来检测冷冻水的回水温度，并可直接通过设定变频器参数使系统温度调控在需要的范围内。另外，针对已往改造的方案中首次运行时温度交换不充分的缺陷，首次起动全速运行功能，通过设定变频器参数可使冷冻水系统充分交换一段时间，然后再根据冷冻回水温度对频率进行无极调速，并且变频器输出频率是通过检测回水温度信号及温度设定值经运算而得出的。2、 冷却水系统的控制目前，在冷却水系统进行改造的方案最为常见，节电效果也较为显著。该方案同样在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况

15、下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量，当中中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，从而达到在保证中中央空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的。现有的控制方式大都先确定一个冷却泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷却水泵的频率是取冷却管进、出水温度差和出水温度信号来调节，当进、出水温差大于设定值时，频率无极上调，当进、出水温差小于设定值时，频率无极下调，同时当冷却水出水温度高于设定值时，频率优先无极上调，当冷却水出水温度低于设定值时，按温差变化来调节频率，进、出水温差越大，变频器的输出频率越高；进、出水温差越小

16、，变频器的输出频率越低。与其他厂家的控制方式相比，其优点有：1、 只需在中中央空调冷却管出水端安装一个温度传感器（安装在冷却水系统中中央空调冷却水出水主管上），简单可靠。2、 当冷却水出水温度高于温度上限设定值时，频率直接优先上调至上限频率。3、 当冷却水出水温度低于温度下限设定值时，频率直接优先下调至下限频率。而采用冷却管进、出水温度差来调节很难达到这点。4、 当冷却水出水温度介于温度下限设定值与温度上限设定值时，通过对冷却水出水温度及温度上、下限设定值进行计算，从而达到对频率进行无极调速，闭环控制迅速准确。5、 节能效果更为明显。当冷却水出水温度低于温度上限设定值时，采用冷却管进、出水温度

17、差来调节方式没有将出水温度低这一因素加入节能考虑范围，而仅仅由温度差来对频率进行无极调速，而采用上、下限温度来调节方式充分考虑这一因素，因而节能效果更为明显，通过对多家用户市场调查，平均节电率要提高5以上，节电率达到2040。6、 具有首次起动全速运行功能。通过设定变频器参数中的数值可使水系统充分交换一段时间，避免由于刚起动运行时热交换不充分而引起的系统水流量过小。3、冷却塔风机控制在中央空调水冷式机组中，使用循环冷却水是最常用的方法之一。为了使机组中加热了的水再降温冷却，重新循环使用，常使用冷却塔。风机为机械通风冷却塔的关键部件，通常都采用户外立式冷却塔专用电机。水在冷却塔滴下时，冷却风机使

18、之与空气较充分的接触，将热量传递给周围空气，将水温降下来。由于冷却塔的设备容量是根据在夏天最大热负载的条件下选定的，也就是考虑到最恶劣的条件，然而在实际设备运行中，由于季节、气候、工作负载的等效热负载等诸多因素都决定了机组设备经常是处于在较低热负载的情况下运行，所以机组的耗电常常是不必要的和浪费的。因此，使用变频调速控制冷却风机的转速，在夜间或在气温较低的季节气候条件下，通过调节冷却风机的转速和冷却风机的开启台数，节能效果就非常显著。冷却水系统能耗是空调系统总能耗的重要组成部分之一。采用截止阀对冷却水流量进行调节将导致能量无谓的浪费，在部分负荷时固定冷却水流量以及不对冷却塔风机电机进行控制也将

19、浪费大量电能。如采用微机控制技术和变频调速技术对冷却水系统进行控制节能效果约为30%，具有显著的节能效益。特别对于宾馆、饭店、商场等工作期较长的集中空调系统以及南方地区空调运行期长的其他建筑物空调系统，采用空调冷却水系统的节能运行系统的投资回收期一般在12年，具有非常显著的经济效益。在典型的冷却塔风机控制系统中，变频器可以利用内置PID功能，可以组成以温度为控制对象的闭环控制。图六所示为典型的冷却塔变频控制原理，冷却塔风机的作用是将出水温度降到一定的值，其降温的效果可以通过变频器的速度调整来进行。被控量（出水温度）与设定值的差值经过变频器内置的PID控制器后，送出速度命令并控制PWM输出，最终

20、调节冷却塔风机的转速。对冷却塔风机采用变频调速控制，还应注意以下几点：（1）         由于冷却塔风机拖动部分的转动惯量GD2一般都较大，所以给定加减速时间要长一些，如3050S。（2）         在实际运转中经常出现由于外界风力作用下，冷却风机会自转，此时如果起动变频器，电动机会进入再生状态，就会出现故障跳，对于变频器应该将启动方式设为转速跟踪再启动。这样一来，变频器在启动前，通过检测电机的转速和方向，实施对旋转中电机的平

21、滑无冲击启动。（3）         由于采用普通电机，因此应该设置最低运转频率，以保持电机合适的温升，一般为频率下限为20Hz。（4）         为防止冷却风机在较宽的运转频率范围内（一般20Hz50Hz）出现特定转速下的机械共振现象，应该在试运转中分析这种情况，并采取修改参数的方法件系统的固有频率列为跳跃频率。4、中央空调变频风机控制目前的中央空调系统中，变频风机正在在被广泛使用，其有如下突出的优点：节能潜力大，控制灵活，可避

22、免冷冻水、冷凝水上顶棚的麻烦等。然而变频风机系统需要精心设计，精心施工，精心调试和精心管理，否则有可能产生诸如新风不足、气流组织不好、房间负压或正压过大、噪声偏大、系统运行不稳定、节能效果不明显等一系列问题。中央空调中变频风机的控制方式主要有以下几种：1、变频风机的静压PID控制方式送风机的空气处理装置是采用冷热水来调节空气温度的热交换器，冷、热水是通过冷、热源装置对水进行加温或冷却而得到的。大型商场、人员较集中且面积较大的场所常使用此类装置。图一所示给出了一个空气处理装置中送风机的静压控制系统。在第一个空气末端装置的75%到100%处设置静压传感器，通过改变送风机入口的导叶或风机转速的办法来

23、控制系统静压。如果送风干管不只一条，则需设置多个静压传感器，通过比较，用静压要求最低的传感器控制风机。风管静压的设定值（主送风管道末端最后一个支管前的静压）一般取250-375Pa之间。若各通风口挡板开启数增加，则静压值比给定值低，控制风机转速增加，加大送风量；若各通风口挡板开启数减少，静压值上升，控制风机转速下降，送风量减少，静压又降低，从而形成了一个静压控制的PID闭环。在静压PID控制算法中，通常采用两种方式，即定静压控制法和变静压控制法。定静压控制法是系统控制器根据设于主风道2/3处的静压传感器检测值与设定值的偏差,变频调节送风机转速,以维持风道内静压一定。变静压控制法即利用DDC数据

24、通讯技术，系统控制器综合各末端的阀位信号，来判断系统送风量盈亏，并变频调节送风机转速，满足末端送风量需要。由于变静压控制法在部分负荷下风机输出静压低，末端风阀开度大、噪声低，风机节能效果好，同时又能充分保证每个末端的风量需要。控制管道静压的好处是有利于系统稳定运行并排除各末端装置在调节过程中的相互影响。此种静压PID控制方式特别适合于上下楼或被隔开的各个房间内用一台空气处理装置和公用管道进行空气调节的场合，如商务大厦的标准办公层都得到了广泛的应用。2、变频风机的恒温PID控制方式在室内空调要求有诸如舒适性等要求较高而空间又不是太过于大的空调区域内，可以使用恒温控制。恒温控制中必须注意以下几个方

25、面：（1）         温控系统的热容量比较大，控制指令发出后，不是瞬间响应，响应速度慢；（2）         外界条件如气温、日照等对温控系统的影响很大；（3）         因为控制对象为气体，温度检测传感器的安装位置非常重要。本控制方式也是利用了变频器内置的PID算法进行温度控制，当通过传感器采集的被测温度偏离所希望的给定值时，PID程序可根据

26、测量信号与给定值的偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，从而输出某个适当的控制信号给执行机构（即变频器），提高或降低转速，促使测量值室温恢复到给定值，达到自动控制的效果。恒温控制中必须要注意PID的正作用和反作用，也就是说在夏季（使用冷气）和冬季（使用暖气）是不一样的。在使用冷气中，如果检测到的温度高于设定温度时，变频器就必须加快输出频率；而在使用暖气中，如果检测到温度高于设定温度时，变频器就必须降低输出频率。因此，必须在控制系统增设夏季/冬季切换开关以保证控制的准确性。3、变频风机的多段速变风量控制方式在大型的空调大楼中，由于所需要的空气量是随着楼内人数及昼夜大气温度的变化而不同，

27、所以相应地对风量进行调节可以减少输入风扇的电能并调整主机的热负载。人少时，如周末、星期日、节假日，空气需求量少。所以考虑这些具体情况来改变吸气扇转速，控制进风量，可减少吸气扇电机的能耗，同时还可以减轻输入暖气时锅炉的热负载和输入冷气时制冷机的热负载。下图所示为某大楼在不同的工作时段内（平时、周六、周日或节假日）的风量需求量，该风量必须根据二氧化碳浓度等环境标准来确定最少必需量。由于通常在设计中都留有一定的余量，因此可以按高速时86%、中速时67%、低速时57%的进风量来进行多段速控制。该控制方式是基于对风量需求进行经验估算的基础上进行的程序控制，在变频器进行控制时可以选择通过端子功能切换多段速

28、来实现。五：系统改造后的节能计算：（1）关掉旁路阀们，采用变频器控制，在满足使用要求的前提下达到了最大限度的节能（20%）。    下图绘出了阀门控制调节和变频调速控制两种状态的水泵和风机功率消耗流量关系曲线。    上图显示了变频器控制和阀门控制水泵和风机所消耗的不同功率，从上图总我们可以清楚的看出在水泵和风机流量为额定的60时，变频器控制与阀门控制相比，功率下降了60；所以水泵和风机仅仅依靠阀门控制是远远不够的，进行变频器控制的节能改造是十分必要的。    对于水泵和风机来说，流量Q与转速N成正比，扬

29、程H与转速N的二次方成正比，而轴功率与P与转速N的三次方成正比，下表列出了它们之间的关系变化：  水泵和风机转速N%运行频率F(Hz)水泵和风机扬程H%轴功率P节电率10050100100090458172.927.180406451.248.870354934.365.760303621.678.4    从上表中可见用变频调速的方法来减少水泵和风机流量进行节能改造的经济效益是十分显著的，当所需流量减少，水泵和风机转速降低时，其电动机的所需功率按转速的三次方下降；    当水泵和风机转速下降到额定转速的10%即F=45Hz时，其电动机轴功率下降了2