中央空調水系統變頻節能改造分析與實踐

徐鳳平 嚴良文 李 文 倪 軍

(上海大學機電工程與自動化學院1，上海 200072;江陰盛輝科技有限公司2，江蘇 江陰 214400)

0 引言

中央空調系統通常由制冷主機、循環水系統和風機盤管三大部分組成。在公用和民用建筑物中，其能耗巨大，約占建筑總能耗的55%。大型中央空調系統中，循環水系統的耗電量占整個系統耗電量的18%左右。因此，如何降低循環水系統的能耗便成了空調系統節能降耗的關鍵。在假定空調水系統流量不變的情況下，空調系統根據空調最大負荷加以設計。而空調系統在絕大部分時間內以部分負荷狀態運行，據有關資料調查表明，空調系統在一天中高負荷運行的時間約為4～5 h，其他時間在中、低負荷下運行。近年來，隨著對中央空調系統節能的研究，出現了多種節能控制方法。水系統變頻節能是運用較多的一種。為此，本文詳細介紹了空調水系統變頻的節能要點，并結合實際改造項目，對其節能效果進行分析。

1 空調水系統變頻節能原理

中央空調水系統變頻是指對冷卻水泵和冷凍水泵進行改造。通過對水泵變頻，將水系統改造為變流量運行，使空調系統的負荷與實際相匹配。

通常冷水機組是在定流量設計下運行的，冷水機組要保持定流量的主要原因是：①蒸發器(或冷凝器)內水流速的改變會改變水側放熱系數，影響傳熱;②管內流速太低，若水中含有機物或鹽，在流速小于1 m/s時，會造成管壁腐蝕;③避免由于冷水流量突然減小，引起蒸發器的凍結[1－2]。實際空調系統水泵變頻改造工程表明，對空調水系統水泵進行變頻節能改造，對冷水機組的功率幾乎沒有影響[3]。因此，合理利用變頻節能控制方法，對整個中央空調控制系統會起到更好的保護作用。

空調系統變頻節能的依據是空調系統在部分負荷的運行狀態下，通過減小水流量來維持空調系統冷負荷的不變，從而節省循環水系統中水泵的能耗。根據水泵的工作原理可知，水泵的流量、揚程、轉速與功率之間的關系為：

式中：Q1、Q2為水泵的流量，m3/h;n1、n2為水泵的轉速，r/s;H1、H2為水泵的揚程，m;P1、P2為水泵的功率，kW。

由式(1)可知，水泵的流量與轉速成正比關系，而水泵的輸入功率與轉速的立方成正比關系。由該關系可知，當水泵的轉速降低后，流量按照某比例減小，相應泵的功率按照該比例的三次方下降[5]。

一次泵水系統是實現空調水系統節能的最佳配置。傳統的空調水系統在末端設置電動兩通閥或電動三通閥，通過閥門開度來調節水流量。這種方法雖然能減小空調系統的流量，但卻大大增加了系統的壓力，即增加系統的管路阻力，使大部分的能量消耗在閥門上[6]。

隨著變頻器價格的下降，變頻泵在空調水系統中的應用也越來越多。當泵的轉速由n1變為n2時，相應的流量也從Q1變為Q2，實現了流量調節，與普通的循環泵相比，節約了水泵的能耗。另外，變頻泵可以使管網的流量連續變化，實現無級調節，有利于更好地降低水泵的能耗。設置旁通閥調節水量原理如圖1所示。

圖1 設置旁通閥調節水量原理圖Fig.1 Principle of regulating water volume by setting up the by-pass valve

工頻和變頻運行效果比較如表1所示[4]。

表1 工頻和變頻運行效果比較Tab.1 Effect comparison of the operations under power frequency and variable frequency

2 變頻節能控制原理

空調水系統包括冷卻水和冷凍水系統兩部分。冷卻水部分包括冷卻水泵、冷卻塔和冷卻水管道。冷凍水部分包括冷凍水泵和冷凍水管道。在冷凍水部分出口和冷卻水部分進出口都安裝有二線制的溫度變送器，對冷卻水部分的進出口溫度送至變頻器作溫差控制，而冷凍水的出口溫度作恒溫控制。系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構示意圖Fig.2 Schematic of the systematic structure

圖2中，溫度變送器傳送三個溫度模擬量(冷卻水進口溫度、冷卻水出口溫度和冷凍水出口溫度)至變頻器，三個模擬量作為變頻器控制判定根據。變頻器再將啟動泵信號傳至PLC，通過PLC啟動相應水泵，實現水泵間的切換。變頻器輸出信號控制著電機轉速的大小，最終實現水泵內水的流量控制[7]。變頻器將設置最低限和最高限來保護制冷主機和電機，根據實際需要，冷卻水進出口溫差變大時，則變頻器增大頻率，加快電機轉速，加大水的流量;反之，溫差變小，則減小頻率，減慢電機轉速，減小水的流量。

水系統變頻節能改造系統控制原理如圖3所示。

圖3 系統控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of control principle of the system

3 工程改造及節能效果

由于空調系統的不同，采用變頻節能改造的節能效益也不相同。本文以改造的某工程為例，分析其改造和節能效果。

改造工程為一政府辦公樓，采用H2蒸汽雙效型溴化鋰吸收式制冷主機，配備兩臺冷卻水泵和兩臺冷凍水泵。空調水系統的主要設備如表2所示。

表2 空調水系統主要設備Tab.2 Major equipment of the water system

改造前，系統工頻運行，即冷凍水和冷卻水系統均按工頻運行。運行過程中出現電機電流遠超過電機的額定電流，電機外殼發熱嚴重，甚至出現啟動電流過大直接導致系統不能啟動的情況。按照文中的控制原理和方法對現場系統進行改造，分析對比了系統改造前后的能耗狀況。改造前，水系統每天的能耗基本相等;改造后，每天水系統的能耗會根據當天天氣情況導致空調房間制冷量的變化。系統改造前后水系統單月的耗電量如表3所示。

表3 耗電量Tab.3 Power consumption

其中，E前冷卻水為改造前冷卻水系統所消耗的總能量;E前冷凍水為改造前冷凍水系統所消耗的總能量;E后冷卻水為改造后冷卻水系統所消耗的總能量;E后冷凍水為改造后冷凍水系統所消耗的總能量。

該工程冷卻水部分節省電能計算式為：

冷凍水部分節能電能為：

冷卻水部分節電率為：

冷凍水部分節電率為：

綜上所述，該工程水系統部分變頻節能改造的節電率約為33%。

4 結束語

依據空調水系統變頻技術和控制原理，對現場空調系統進行改造，使現場運行系統的穩定性得到提高，系統設備的使用壽命延長。結合具體改造工程的的耗電量及節電率的分析計算，可以得出中央空調水系統變頻改造的節能優越性。因此，應用中央空調系統水系統變頻節能改造技術，系統運行穩定可靠，室內溫濕度滿足要求。在現代制冷技術的不斷完善和成熟下，變頻改造水系統將成為中央空調節能的重要方法之一。

[1]高養田.空調變流量水系統設計技術發展[J].暖通空調，1996，26(3)：20 －26.

[2]王凡，徐玉黨.中央空調水系統變流量分析及其改進[J].建筑熱能通風空調，2006，25(1)：49 －52.

[3]張謀雄.冷水機組變流量的性能[J].暖通空調，2000，30(6)：56 －58.

[4]李玉云，高春雪，翁維安.中央空調水系統的節能改造技術與實踐[J].節能，2008，27(10)：34 －36.

[5]蔡增基，龍天渝.流體力學泵與風機[M].4版.北京：中國建筑工業出版社，1999.

[6]馬最良.建筑物暖通系統水力平衡及其應用——空調水系統的節能要點[J].中國建設信息：供熱制冷，2008，10：12 －15.

[7]李財均.大溫差空調水系統方案分析[J].廣東建材，2008(7)：225－227.