空調(diào)系統(tǒng)變負(fù)荷節(jié)能問題探討

【摘要】在暖通空調(diào)工程中，泵和風(fēng)機(jī)消耗的能源占很大部分：供暖運(yùn)行時能耗的15%^-25%為水泵電耗；空調(diào)運(yùn)行時能耗的35%^-45%為風(fēng)機(jī)、水泵能耗。在這部分風(fēng)機(jī)、水泵能耗中，又有40%以上被各種調(diào)節(jié)閥門所消耗，如果能夠?qū)⒄{(diào)節(jié)閥所消耗能量中的一部分節(jié)省下來，將具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】暖通空調(diào)；調(diào)節(jié)閥；工程設(shè)計

1.影響泵和風(fēng)機(jī)能耗的主要因素

閥門的作用是增加系統(tǒng)阻力來消耗多余部分的壓頭來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。在暖通空調(diào)工程中，選擇風(fēng)機(jī)或水泵時，揚(yáng)程必須按照最不利支路選擇，由最遠(yuǎn)支路或用戶要求的資用壓頭來確定。這一支路的流量可能僅為系統(tǒng)總流量的很小一部分，為了這一小部分流量選用大的揚(yáng)程，其他流量也只好通過風(fēng)機(jī)或水泵來達(dá)到同樣的揚(yáng)程，再由閥門消耗，造成浪費(fèi)。

工程設(shè)計中還要考慮富裕量來保證實(shí)際情況發(fā)生各種變化時系統(tǒng)仍能夠達(dá)到設(shè)計參數(shù)，一般為了保證在天氣溫度最高的情況下能滿足要求，按最大負(fù)荷的15%取富裕量，為了消除富裕量也要靠截流閥和旁通閥調(diào)節(jié)，不可避免的產(chǎn)生較大的截流損失，同樣造成浪費(fèi)。外界環(huán)境的變化和不同的實(shí)際需求也會造成系統(tǒng)負(fù)荷的顯著變化，使得整個系統(tǒng)在更多時間處于部分負(fù)荷狀態(tài)，不僅浪費(fèi)大量電能，而且可能造成空調(diào)冷暖不適，對設(shè)備帶來不利影響。

2.幾種調(diào)速方法的比較

調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速的方法主要有液力耦合器法、變極調(diào)速法、降壓調(diào)速法和變頻調(diào)速法。

2.1液力耦合器

空調(diào)風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可以通過電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)或傳動機(jī)構(gòu)傳動比調(diào)節(jié)兩種途徑來實(shí)現(xiàn)，其中傳動比調(diào)節(jié)方案中主要使用液力耦合器，一般液粘調(diào)速離合器主要應(yīng)用于大功率風(fēng)機(jī)和水泵調(diào)速節(jié)電的場合以及某些軍工產(chǎn)品等對成本控制要求相對較低的場合之中。

2.2變極調(diào)速

工業(yè)中常用的異步電機(jī)調(diào)速方法有變極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、定子串電阻或串電抗調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級調(diào)速、雙饋調(diào)速、變頻調(diào)速等。其中鼠籠式異步電機(jī)主要采用變極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、定子串電阻和變頻調(diào)速技術(shù)。

變極調(diào)速是通過改變異步機(jī)的同步轉(zhuǎn)速來獲得兩個或多個轉(zhuǎn)速，但這些轉(zhuǎn)速是不連續(xù)的，即無法實(shí)現(xiàn)所謂的“無級變速”，而且電機(jī)要求定子繞組可以提供兩種以上的極數(shù)，要改變定子繞組的內(nèi)部接線，電機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。這種調(diào)速方式在空調(diào)風(fēng)量調(diào)節(jié)中也得到了應(yīng)用，由于轉(zhuǎn)速不連續(xù)，所以系統(tǒng)性能和節(jié)能指標(biāo)會打折扣。

2.3降壓調(diào)速

一般來講，定子降壓或串電阻都使得電機(jī)的機(jī)械特性變軟，而且過載能力隨調(diào)速范圍的增大而明顯下降，同時由于理想空載轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速，致使負(fù)載較輕時調(diào)速范圍大幅度減小，因此在電機(jī)拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的場合，鼠籠式異步機(jī)的降壓調(diào)速和定子串電阻電抗調(diào)速的性能是較差的，使用范圍有限。

但是在空調(diào)風(fēng)機(jī)的應(yīng)用上，情況是比較特殊的，它使得鼠籠式異步機(jī)的降壓調(diào)速能夠得到良好的應(yīng)用，該特點(diǎn)就在于風(fēng)機(jī)流量、壓差以及功率與轉(zhuǎn)速之間的特定關(guān)系，在轉(zhuǎn)速降低時，轉(zhuǎn)矩和功率下降得更快。

2.4變頻調(diào)速

變頻調(diào)速通常由變頻器和變頻電機(jī)構(gòu)成，是最新的異步電機(jī)的調(diào)速方式，這種調(diào)速方式效率高、系統(tǒng)運(yùn)行性能好、節(jié)能效果最好，可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。

對于空調(diào)風(fēng)機(jī)而言，其調(diào)速性能要求相對較低，因此可以采用不帶速度反饋的變頻調(diào)速系統(tǒng)，同時考慮到流量、壓差以及功率與轉(zhuǎn)速之間的線性、平方和立方關(guān)系，對壓頻比（變頻器的輸出電壓和輸出頻率的比值）恒定的開環(huán)控制方式進(jìn)行修正。將壓頻曲線配置在恒定壓頻比直線之下，保證在低速運(yùn)行時電機(jī)的氣隙磁通低于額定值，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩低于額定氣隙磁通時的轉(zhuǎn)矩，于是鐵損耗較小，在部分負(fù)載時可以提供更高的效率。

連續(xù)改變供電電源的頻率，即可連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方法稱為變頻調(diào)速，變頻調(diào)速具有良好的調(diào)速特性。應(yīng)用變頻調(diào)速，可以大大提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，使電機(jī)在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。以風(fēng)機(jī)、水泵為例，根據(jù)流體力學(xué)原理，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)所需風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。因此，精確調(diào)速的節(jié)電效果非常可觀。在實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行的時間所占比例卻非常高。采用變頻調(diào)速，可大大提高輕載運(yùn)行時的工作效率。因而變頻調(diào)節(jié)是理想的調(diào)速方式。

3.風(fēng)系統(tǒng)變負(fù)荷調(diào)節(jié)

一個空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量的調(diào)節(jié)包括兩個方面：各個空調(diào)分區(qū)的風(fēng)量調(diào)節(jié)和整個空調(diào)系統(tǒng)的總風(fēng)量調(diào)節(jié)。從控制方法上來說就是：各個空調(diào)分區(qū)根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)自己的送風(fēng)量；整個系統(tǒng)根據(jù)所有空調(diào)分區(qū)的總風(fēng)量調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來改變總送風(fēng)量。

3.1常用的風(fēng)量控制方法

3.1.1定靜壓控制法

所謂定靜壓控制就是通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)來保持風(fēng)道上某一個點(diǎn)的靜壓值恒定不變。定靜壓控制的基本運(yùn)行方式是，設(shè)定一個比較合適的靜壓值并在運(yùn)行過程中不再改變該設(shè)定值。從理論上說，只要調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速就能始終保持改點(diǎn)靜壓值不變，各個末端就能通過調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)各個空調(diào)區(qū)對流量的不同需求。

3.1.2變靜壓控制法

變靜壓控制是在定靜壓控制運(yùn)行的基礎(chǔ)上階段性的改變靜壓設(shè)定值，以更好地適應(yīng)當(dāng)前流量的需求，盡量使靜壓保持允許的最低值，以節(jié)省風(fēng)機(jī)能耗。

3.1.3總風(fēng)量控制法

實(shí)際運(yùn)行中各個末端的設(shè)定風(fēng)量反映了該末端目前要求的送風(fēng)量，所有末端設(shè)定風(fēng)量之和則是系統(tǒng)當(dāng)前要求的總風(fēng)量，而系統(tǒng)總風(fēng)量和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是一個近似正比的關(guān)系。該控制法與靜壓控制的主要區(qū)別在于：定靜壓或變靜壓控制法均要設(shè)定一個靜壓點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速而保持該靜壓點(diǎn)的壓力值維持在一定范圍，而總風(fēng)量控制法則舍棄了靜壓點(diǎn)，不再監(jiān)測調(diào)控靜壓點(diǎn)的壓力值，而是直接統(tǒng)計各末端所要求送風(fēng)量之和，根據(jù)總風(fēng)量調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

定靜壓控制簡單，但風(fēng)機(jī)能耗較高，末端閥位多處于偏小狀態(tài)，相應(yīng)帶來噪聲問題；變靜壓能夠最大限度的節(jié)省風(fēng)機(jī)能耗，但控制方法過于復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來比較困難；而總風(fēng)量控制法由于舍棄了靜壓點(diǎn)的監(jiān)測，減少了風(fēng)機(jī)的壓力控制環(huán)節(jié)，使得控制形式簡化，系統(tǒng)可靠性提高，總風(fēng)量控制法在風(fēng)機(jī)節(jié)能上介于定靜壓控制和變靜壓控制之間，更接近于變靜壓控制，但由于其控制方法更為簡單，不會引起系統(tǒng)壓力震蕩，在更多的場合取代了靜壓控制。

3.2聯(lián)動風(fēng)閥設(shè)計

在“風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)器加獨(dú)立新風(fēng)機(jī)組”的中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，由于采用獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)一般是集中處理后通過風(fēng)管分送到各個空調(diào)區(qū)域空調(diào)器的出風(fēng)處，在那里同風(fēng)機(jī)盤管出風(fēng)混合后送出；或分送到各個空調(diào)區(qū)域空調(diào)器的回風(fēng)處，在那里同空調(diào)器回風(fēng)混合，再經(jīng)空調(diào)器處理后送出。各空調(diào)區(qū)域新風(fēng)量一般依據(jù)衛(wèi)生要求或規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，按人均最低新風(fēng)量來送風(fēng)。

在實(shí)際運(yùn)行中，空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷不斷變化，每時每刻所需的新風(fēng)量也是一個變量，如果送風(fēng)量按照一定值設(shè)定就會造成能量的浪費(fèi)。例如，某時刻某個空調(diào)區(qū)域會議室將停止使用，空調(diào)器冷凍水路被切斷，但新風(fēng)仍然向空調(diào)房間輸送，使得新風(fēng)機(jī)組的能耗并沒有因為該空調(diào)區(qū)域停止使用而下降，造成能源的浪費(fèi)。由于采用了聯(lián)動風(fēng)閥，使得各空調(diào)區(qū)在無人或不使用的條件下，切斷送入該空調(diào)區(qū)的新風(fēng)，進(jìn)而減少了系統(tǒng)的總新風(fēng)量，減少了新風(fēng)負(fù)荷。利用總風(fēng)量控制法計算出各個空調(diào)區(qū)末端的系統(tǒng)總送風(fēng)量，并計算出合適的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，采用變頻技術(shù)就能夠最大限度的實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

【參考文獻(xiàn)】

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