基于變頻技術(shù)的中央空調冷卻水循環(huán)系統改造設計

摘要：基于變頻技術(shù)，對中央空調的冷卻水循環(huán)系統實(shí)施改造。分析了中央空調系統的運行中出現的高能耗問(wèn)題，闡述了水泵的變頻節能控制原理，繼而給出了PID調節的溫差閉環(huán)控制設計方案，最后設計了變頻器和PLC的控制電路。本研究為設計或使用部門(mén)對中央空調的改造提供一定借鑒。
關(guān)鍵詞：中央空調；變頻技術(shù)；冷卻水循環(huán)系統；改造；設計

隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，中央空調越來(lái)越廣泛地應用在的民用和公共建筑中。中央空調為人們創(chuàng )造舒適環(huán)境的同時(shí)，其耗電量卻不能被忽視。據統計，中央空調的耗電量占各類(lèi)大型建筑總用電量的60％以上，其中僅水泵電機的耗電量約占到空調系統耗電量的20％～40％。而在傳統的設計中，中央空調的各電機都長(cháng)期工頻恒速運行，雖然可滿(mǎn)足最大的用戶(hù)負荷，但不能隨用戶(hù)負荷動(dòng)態(tài)調節，而在90％的時(shí)間都是低負荷運行，這樣就造成很大的能源浪費?？照{能耗不僅給城市能源、環(huán)境保護帶來(lái)巨大壓力，而且也給建筑的經(jīng)營(yíng)者帶來(lái)沉重的經(jīng)濟負擔。在低碳生活的呼聲越來(lái)越高的情形下，中央空調的巨大的耗水耗電量的現狀必須得到改變，因此采用變頻調速技術(shù)節約低負荷時(shí)主機系統和水泵、風(fēng)機系統的電能消耗，具有極其重要的經(jīng)濟和社會(huì )意義。

1 中央空調系統的結構與冷卻水循環(huán)系統
如圖1所示，中央空調一般由冷凍水循環(huán)系統、冷卻水循環(huán)系統及主機3部分組成。冷卻水循環(huán)系統由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔和冷凝器等組成。冷凍水循環(huán)系統進(jìn)行熱交換時(shí)，冷凍主機產(chǎn)生大量熱量，該熱量通過(guò)主機內的制冷劑傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水(出水)壓入冷卻水塔，由冷卻塔對其進(jìn)行自然冷卻或通過(guò)冷卻塔風(fēng)機對其進(jìn)行噴淋式強迫風(fēng)冷，使之與空氣進(jìn)行熱交換，待溫度降低后(回水)再送回冷凍主機的冷凝器。

2 水泵的變頻節能控制原理
水泵運行時(shí)，通常采用閥門(mén)調節來(lái)滿(mǎn)足工藝對流量的變化要求，即所謂節流調節。在節流調節過(guò)程中，水泵的固有機械特性不變，僅僅靠調節閥門(mén)的開(kāi)度，人為地增加管路的阻力來(lái)減小流量，因此增大了管路系統的損失。

圖2為閥門(mén)調節和變頻調速控的3種不同的工況下運行時(shí)的能量變化曲線(xiàn)。曲線(xiàn)(1)(2)分別為水泵在額定轉速n1和轉速n2運行時(shí)的特性曲線(xiàn)，曲線(xiàn)(3)(4)為水泵管路閥門(mén)全開(kāi)和部分開(kāi)時(shí)的管阻特性曲線(xiàn)。當不變速也不調節流量，工況點(diǎn)是曲線(xiàn)(1)、(3)的交點(diǎn)A點(diǎn)，此時(shí)水泵所需的功率正比AQ1OH1所圍成的面積。水泵全速運行用閥門(mén)控制時(shí)，即節流調節。當流量要求從Q1減小到Q2，必須關(guān)小閥門(mén)。這時(shí)閥門(mén)的磨擦阻力變大，管阻特性曲線(xiàn)從(3)移到(4)，揚程則從H1上升到H2，運行工況點(diǎn)從A點(diǎn)移到B點(diǎn)。這時(shí)水泵所需的功率正比于BQ2OH2所圍成的面積。當水泵采用變頻調速控制方式運行時(shí)，要求流量從Q1減小到Q2，由于管阻特性曲線(xiàn)(3)不變，泵的特性取決于轉速，則速度從n1降到n2，揚程從H1下降到H3，運行工況點(diǎn)則從A點(diǎn)移到C點(diǎn)。這時(shí)水泵所需的功率正比于CQ2OH3所圍成的面積。
由圖2可見(jiàn)，四邊形CQ2OH3的面積總是小于四邊形BQ2OH2的面積，功率的減少是非常明顯的，閥門(mén)控制流量時(shí)，有BH2H3C的功率被損耗浪費掉了，且隨著(zhù)閥門(mén)不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。而用轉速控制時(shí)，由于電動(dòng)機的所需功率按轉速的三次方下降。那么在運轉同樣流量的情況下，原來(lái)消耗在閥門(mén)的功率就可以全避免，取得良好的節能效果，這就是水泵變頻調速節能的基本原理。