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项目类论文
摘要：
中央空调系统在设计上是根据最大冷负荷来设计的，因而在绝大多数时间，实际冷负荷都小于设计容量，所以空调系统绝大部分时间是在部分负荷的情况下工作。
原先的循环水控制系统都是用阀门控制的，其效率低、能耗大。
如果采用变频调速方式控制，则在相同情况下，系统能大量节能。
关键字：
中央空调系统变频器节能冷冻水循环系统冷却水循环系统
一、概述
随着社会发展及科学技术的进步，人们的物质牛活水平不断提高，对生活、工作场所的环境温度要求也越来越高。
中央空调在大型商场、超市、写字楼、宾馆饭店、医院、工厂有着非常广泛的应用。
然而我们地球上的温度每年四季、每天24小时都在变化着，中央空调冷负荷，始终处于动态变化之中。
为了在一年四季中都能获得舒适或合适的生活工作场所，中央空调的系统设计往往是以最大冷负荷作为最大设计容量的依据，因此，大部份系统一年中，只有几个月时间，需要处于最大负荷运行。
环境及人文实时影响着中央空调的冷负荷。
从美国制冷协会标准880-56数据可见，平均年负荷在60％左右。
现在中央空调主机都能在恒转矩的条件下调节控制电压，限制电流，使电机负载处于最适当的运行状态；主机常常可以根据负载变化自动加载和卸载，而水泵的流量却不能随主机匹配调节，存在很大浪费；在中央空调系统中，冷冻水泵和冷却水泵的容量是根据建筑物最大设计热负荷选定的，且留有一定的设计余量。
在没有使用调速的系统中，水泵夏季在工频状态下全速运行，而在实际运行中，所需的流量往往比设计的流量小很多，如果所用的水泵电机不能调速，通常只能通过调节阀门来控制流量，其结果在阀门上会造成很大的能量损耗。
水泵电机在工频下全速运行，造成了电能的很大浪费。
如果不用阀门调节，而是让电机调速运行，那么，当需要的流量减小时，电机的转速降低，消耗的能量就会明显减小。
变频器调速技术是现代电力传动技术的一个主要发展方向，变频装置具有优异的调速性能和显著的节电效果。
二、中央空调系统的一般结构与工作原理
中央空调系统一般主要由制冷压缩机系统、冷媒（冷冻和冷热）循环水系统、冷却循环水系统、盘管风机系统、冷却塔风机系统等组成。
其工艺结构流程图如图1所示，在图1中制冷压缩机组通过压缩机将制冷剂（冷媒介质如r134a、r22等）压缩成液态后送蒸发器中，冷冻循环水系统通过冷冻水泵将常温水泵入蒸发器盘管中与冷媒进行间接热交换，这样原来的常温水就变成了低温冷冻水，冷冻水被送到各风机风口的冷却盘管中吸收盘管周围的空气热量，产生的低温空气由盘管风机吹送到各个房间，从而达到降温的目的。
冷媒在蒸发器中被充分压缩并伴随热量吸收过程完成后，再被送到冷凝器中去恢复常压状态，以便冷媒在冷凝器中释放热量，其释放的热量正是通过循环冷却水系统的冷却水带走。
冷却循环水系统将常温水通过冷却水泵泵入冷凝器热交换盘管后，再将这已变热的冷却水送到冷却塔上，由冷却塔对其进行自然冷却或通过冷却塔风机对其进行喷淋式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水变回常温，以便再循环使用。
在冬季需要制热时，中央空调系统仅需要通过冷热水泵（在夏季称为冷冻水泵）将常温水泵入蒸汽热交换器的盘管，通过与蒸汽的充分热交换后再将热水送到各楼层的风机盘管中，即可实现向用户提供供暖热风。
图1中央空调系统工艺结构流程图
三、中央空调系统的节能原理
中央空调系统按负载类型可分为两大类，①变转矩负载:
如冷却水系统、冷冻水系统、冷却塔风机系统等风机、水泵类负载;②恒转矩负载:
如主制冷压缩机系统。
不同的转矩类型具有完全不同的转矩功率关系特性，我们知道风机、水泵类变转矩负载特性满足流体动力学关系理论
1）关系成立：
n1/n2∝q1/q2h1/h2∝（n1/n2）2p1/p2∝（n1/n2）3
其中，n、h、q、p分别表示转速、流量、扬程、轴功率。
它们之间的关系曲线
2）如图2所示
图2流量、扬程、功率三者间的关系曲线图
由式1可知，若转速下降到额定转速的70%，那么，扬程将下降到额定值的50%，同时，轴输出功率下降到额定值的35%。
从图2中可以看出，管网的阻尼随扬程的降低而减小。
在满足系统基本扬程需求的情形下，若系统的流量需求减少到额定流量的50%时，在变频控制方式下，其对应输出功率仅约为额定功率的13%。
这就为实施变频节能技术改造提供了数学理论上的可行性保障空间。
四、中医院中央空调系统的改造前工况
医院空调系统是集门诊和病区一体的大型中央空调系统，中央空调机房核心是两台双良公司的大型溴化锂冷冻机组，六台冷却水泵（三用三备），三台冷冻水泵（两用一备），三台热水泵（两用一备）组成，主机制冷量均为300万大卡，它们共同为全院门诊和各病区提供舒适的就医环境。
改造前我院设备是通过调节阀门的开启角度的机械调节方法来满足不同的水流量，这种操作方式的缺点是:
（1）电机及风机的转速高，负荷强度重，电能浪费严重；
（2）电气控制直接起动，启动时电流对电网冲击大，需要的电源（电网）容量大，功率因素较低；（3）起动时机械冲击大,设备使用寿命低；（4）电气保护特性差，当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备等。
采用变频器可实现大的电动机的软停、软起，避免了启动时的电压冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。
五、变频改造方案
A、变频节能系统设计的技术要求
我们对变频节能系统进行设计时，遵循了以下原则：
（1）保持温差稳定；
（2）出回水温差的控制精度为1％；
（3）电动机的转速范围应在200～l460r／min；
（4）根据泵的工作挣陛，系统设计应按恒转矩原则进行；
（5）节能降耗；
（6）系统设计采用工频和变频双切换，保证生产的连续性和可靠性，可以互为备用。
B、变频节能系统设计的具体方案
一般冷冻水设计温差为5—7℃，冷却水的设计温差为4—6℃，而如果系统在流量固定的情况下运行，全年绝大部分运行时间温差仅为1—3度，增加了管路系统的能量损失，浪费了水泵运行的输送能量，一般空调水泵的耗电量占空调系统耗电的20一30％。
因此，节约水泵在低负载时系统供水输出能量具有很重要的意义，所以随负荷而改变水流量的空调水泵系统就显示出巨大的优越性，而得到越来越广泛的重视。
采用变频器调节泵的转速可以很方便地调节水的流量，其节能率通常可达水泵机组的35％一50％左右。
C、冷却水系统控制（冷却循环泵6台，单台110kW）
对于冷却水系统，取冷凝器两侧冷却水的温度作为控制参数，采用温度传感器、PIE和变频器及冷却水泵组成闭环控制系统，冷却水温差控制在5℃，使冷却水泵的转速跟随于热负载的变化而变化，而冷却水的温差保持在设定值不变，使系统在满足系统冷却需要的前提下，达到节电的目的。
温差大说明主机产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大循环速度，加速冷却水的降温；温差小，说明主机产生的热量小，可降低冷却泵的循环速度，以节约电能。
采用变频器驱动两台冷却泵，互为备用，可编程控制器（PIE）根据传感器检测到的温差信号，同设定温差比较后控制变频器驱动电机运转。
PLC先控制变频器软启动电动机M1，当M1到达额定转速时，检测值仍大于设定温差值时，PIE控制Ml切换到工频电网运行，然后再启动M2，经变频器变频调节电机M2运转，从而控制冷却水的循环速度；当电机M2工作在下限转速值时，如果检测值小于设定值，PIc控制电机M1停机，同时变频器变频调节电机M2转速，从而达到设定要求（如图）。
不同的内部热交换程度要求冷却水循环的流量不同，采用变频控制循环水的速度即可控制热交换的速度。
冷却水循环系统的控制原理图
D、冷冻水系统控制（冷冻循环泵3台，单台55kW）
在冷冻循环系统中，对于冷冻水系统，由于低温冷冻水温度取决于蒸发器的运行参数（设定值），只需控制高温冷冻水（回水）的温度，即可控制温差，现采用温度传感器、PIE和变频器组成闭环控制系统，使冷冻水泵的转速跟随于热负载的变化而变化。
即不同的季节、不同的空调负荷要求循环水的流量和压力不同，夏天或控温面积较多时要求流量与压力较高，而春秋或控温面积较少时要求流量与压力较低，因此设计变频控制系统使供水系统满足最佳流量与压力，达到节能的目的。
在蒸发器的出水管上安装检测温度的变送器，PIE和变频器组成PID闭环控制系统，PIE根据回水温度进行控制，回水温度高，说明房间温度高，应提高冷冻泵转速，加快冷冻水的循环；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，中央空调冷冻水出的温度与冷冻水的回水温度设计最大温差为50C（一般出水为10℃，回水为15。
C）。
通过对冷冻水温差的控制，使冷冻水泵机组的转速相应于热负载的变化而变化（如图4），当第一台电机已达到工频时，还达不到要求时就可起动第二台电机，工频运行，然后变频控制第一台电机。
这样不断调整控制，使其达到最佳的效果，以节约能源。
冷冻水循环系统的控制原理图
E、冷却塔风机变频控制实施方案
使用冷却风扇的目的是使进入冷却塔的冷却水在滴下时与空气充分接触，将热量通过气流传导到周围的大气中，将水温降下来。
所以，冷却风扇以冷却塔出水温度作为控制对象，实现出水温度的PID控制，当出水温度高时加快风扇的速度，使冷却水加快冷却速度；而出水温度低时，则降低风扇速度，以降低能耗。
五、变频控制柜型号
设备名称
型号
数量
备注
变频器
CDI9000-G220T4
4
断路器
CDM-630A
4
接触器
CJ20-630A
12
转换开关
LW5-16D/2
8
按钮
LAY7GN
8
指示灯
LD11-22380V
20
电流表
42L6-500/5
4
电压表
42L6-450V
4
互感器
BHD.66-/5
4
柜体
1600*600*500
4
附件
线材，辅材，铜牌
4
六、变频控制柜电气控制图
七、结论
本系统设计实际应用运行一个夏季后，得出与上个季度循环水泵电能消耗数据及故障次数如表2所示。
数据显示，系统改造后节能达30％以上，并且在春，秋、冬季节空调冷冻水循环泵的节能效果会更加明显，并且故障发生次数大幅F降。
因此采用调速调节流量的方式，可以大幅度降低截流能量的损耗，具有显著的节能效果，并能延长水泵的寿命，提高系统运行的稳定性，降低生产成本，提高生产效率。
改造前
改造后
节能效果
设备冷冻水循环泵
720kW／天
472kW／天
34．4％
窄调冷冻水循环泵
l776kW／天
l220kW／天
31．3％
总故障次数
5次
0
——
降低了能耗，大大减少了操作人员的工作量及工作强度，对系统设备的使用寿命也得到延长。
八、结束语
通过以上的分析和实例说明我们可知，中央空调的冷负荷是随室外气象和室内环境和条件的变化而变化的，但空调系统的设计和设备选型是按最不利工况进行的。
因此，根据空调负荷变化情况对冷冻水和冷却水循环系统以及冷却塔系统风机、甚至送风系统风机进行变频控制，对于中央空调系统节能具有十分重要的意义。
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