中央空調(diào)變頻節(jié)能改造設計實施

1、<p>　　中央空調(diào)變頻節(jié)能改造設計實施</p><p>　　摘要:本文通過對中央空調(diào)系統(tǒng)的變頻節(jié)能改造的指標設計、方案實施以及實際運行效果分析,旨在使變頻器在工業(yè)領域中得到廣泛推廣和應用,以達到節(jié)能減排、降低能耗和生產(chǎn)成本的目的。具有一定的實用價值。 </p><p>　　關鍵詞:中央空調(diào);變頻節(jié)能;設計 </p><p><b>　　一、概述

2、 </b></p><p>　　在中央空調(diào)系統(tǒng)中,各種類型和不同功能的風機水泵的容量是根據(jù)建筑物最大設計冷熱負荷設計選定的,并留有一定的設計余量。由于四季的變化,陰晴雨雪及白天與黑夜時,外界溫度不同,使得中央空調(diào)的冷熱負荷在絕大部分時間時遠比設計負荷低。也就是說,中央空調(diào)實際大部分時間運行在低負荷狀態(tài)下。據(jù)有關資料統(tǒng)計,67%的工程設計熱負荷值為94～165/m2,而實際上83%的工程熱負荷只有58～

3、93W/m2,滿負荷運行時間非常少。各種風機水泵一年四季在工頻狀態(tài)下全速運行,采用節(jié)流或回流擋板等方式來調(diào)節(jié)流量和風量,產(chǎn)生大量的節(jié)流或回流損失,因此造成了能量的較大浪費。隨著科技的發(fā)展,變頻器已廣泛應用于各行各業(yè),其較高的性價比和成熟的技術,在中央空調(diào)的各種風機水泵等電機拖動系統(tǒng)中接入變頻系統(tǒng),利用變頻技術改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量和壓力以及溫度等參數(shù)的變化以取代閥門控制流量,將取得顯著的節(jié)能效果。 </p><p&g

4、t;<b>　　二、現(xiàn)場工作概況 </b></p><p>　　某生物藥品有限公司是一家新建生物藥品的生產(chǎn)廠家,新建的廠區(qū)已投入生產(chǎn),為進一步提高公司產(chǎn)品的競爭力、節(jié)能降耗、最大限度的降低生產(chǎn)和人員成本,準備對公司生產(chǎn)運行中的能源大戶進行節(jié)能改造,提高工藝設備的自動化程度,以滿足GMP生產(chǎn)車間工藝要求。目前,現(xiàn)場涉及到的中央空調(diào)系統(tǒng)設備都是人為控制,設備的啟動、停止、控制都是在人為干預的情況

5、下進行操作,各個風機、水泵開機運行就在額定狀態(tài)下運行,只是通過調(diào)整風道和管道上的各種閥門開度進行調(diào)節(jié),能耗非常大,造成生產(chǎn)成本增大。根據(jù)現(xiàn)場設備運行情況分析,將以上設備進行變頻自動化改造將有效地節(jié)約能源、提高設備的運行效率、并對設備和電網(wǎng)進行有效的保護,同時系統(tǒng)運行的自動化程度也得到了進一步提高。 </p><p>　　我們根據(jù)目前設備運行情況,初步準備對動力中心中央空調(diào)系統(tǒng)、采暖循環(huán)泵系統(tǒng)、凍干機系統(tǒng)、純水站循

6、環(huán)泵、動物房空調(diào)系統(tǒng)、豬瘟疫苗車間空調(diào)系統(tǒng)藍耳車間進行節(jié)能改造,其他需要改造的部分可以根據(jù)用戶要求進行增加。 </p><p>　　三、變頻運行節(jié)能原理 </p><p>　　(一)變頻節(jié)能。由流體力學可知,P(功率)=Q(流量)×H(壓力),流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比,壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比,功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比,如果水泵的效率一定,當要求調(diào)節(jié)流量下降時,轉(zhuǎn)速N可成

7、比例的下降,而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關系。例如:一臺水泵電機功率為55KW,當轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時,(運行頻率為40HZ,額定頻率為50HZ)其耗電量為28.16KW,省電48.8%,當轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時,其耗電量為6.875KW,省電87.5%。 </p><p>　　(二)功率因數(shù)補償節(jié)能。無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱,更主要的是功率因數(shù)的降

8、低導致電網(wǎng)有功功率的降低,大量的無功電能消耗在線路當中,設備使用效率低下,浪費嚴重,由公式P=S×COSФ,Q=S×SINФ,其中S-視在功率,P-有功功率,Q-無功功率,COSФ-功率因數(shù),COSФ越大,有功功率P越大,普通水泵電機的功率因數(shù)在0.6～0.7之間,使用變頻調(diào)速裝置后,由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用,COSФ≈1,從而減少了無功損耗,增加了電網(wǎng)的有功功率。 </p><p>　　

9、(三)軟啟動節(jié)能。由于電機為直接啟動或Y/D啟動,啟動電流等于4～7倍的額定電流,這樣會對機電設備和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊,而且還會對電網(wǎng)容量要求過高,啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大,對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后,利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始,最大值也不超過額定電流,減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求,延長了設備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設備維護費用。 </p>&l

10、t;p>　　綜上所述,對風機、水泵電機進行變頻改造,是提高系統(tǒng)自動化程度和節(jié)能的最好途徑。 </p><p><b>　　四、實施方案 </b></p><p>　　根據(jù)現(xiàn)場情況我們經(jīng)與甲方領導多次溝通并根據(jù)資金狀況和現(xiàn)場運行狀況分析,決定采用單機變頻節(jié)能改造,此方案一次投入資金相對較少,同樣可以達到系統(tǒng)節(jié)能的要求,但沒有完成整個系統(tǒng)自動化的集成,就系統(tǒng)節(jié)能測算

11、,該方案的投資可在3年內(nèi)收回。 </p><p>　　(一)設計說明。該方案主要針對用戶已經(jīng)安裝好的中央空調(diào)系統(tǒng)進行改造,特別針對廠區(qū)內(nèi)能耗大戶中央空調(diào)系統(tǒng)和凍干機系統(tǒng)進行單一變頻節(jié)能改造,不實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化集成,每一個各控制點需要現(xiàn)場采集測控信號,經(jīng)PID運算后直接傳送給現(xiàn)場變頻控制柜,以實現(xiàn)對該點該設備的閉環(huán)控制,通過對各點的改造,實現(xiàn)各控制點的最佳變頻運行狀態(tài),進而達到節(jié)能的目的。 </p>

12、<p>　　1、單機變頻控制柜的設計 </p><p>　　(1)動力中心的空調(diào)風機共13臺。其中新風機組兩臺,三臺高效排風機,冷熱水循環(huán)系統(tǒng)各一套,制冷系統(tǒng)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)(聯(lián)動冷卻塔風機)一套,以及凍干機系統(tǒng)中冷卻水循環(huán)系統(tǒng)(聯(lián)動冷卻塔風機)一臺,動物房空調(diào)風機三臺,豬瘟疫苗車間空調(diào)系統(tǒng)三臺,純水站循環(huán)水泵3臺,藍耳疫苗車間空調(diào)系統(tǒng)(2個控制點)共35個控制點;其他如補水系統(tǒng)、地下水系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)

13、以及自來水系統(tǒng)等涉及電機拖動的各系統(tǒng)不在此次改造范圍之內(nèi),但可以根據(jù)要求和需要進行整個改造和集成。 </p><p>　　(2)上述35個控制點中,26個空調(diào)風機控制點設計變頻控制柜23臺;3臺高效風機工頻運行,與需要產(chǎn)生負壓的空調(diào)風機聯(lián)動設計,保證三個負壓車間正常;水系統(tǒng)各控制點設計7臺變頻柜,其中冷卻水循環(huán)泵與冷卻塔風機聯(lián)動,三臺純水循環(huán)系統(tǒng)各設計一臺控制柜,根據(jù)安裝在現(xiàn)場傳感器采集的信號分別送入各自控制柜以

14、實現(xiàn)對單系統(tǒng)的閉環(huán)恒壓力或恒溫度運行。 </p><p>　　(3)各控制柜分別具有現(xiàn)場手動操作(手動工頻起停操作)、現(xiàn)場變頻操作(現(xiàn)場手動變頻器起停、頻率手動設定操作)和遠傳微機控制三種操作方式;以便系統(tǒng)操作和今后需要系統(tǒng)集成時備用。 </p><p>　　(4)控制柜設計微電腦定時裝置,可以對設備運行的不同時間段、運行時間進行全面自動控制;減少人為誤差。 </p><

15、;p>　　(5)本次設計沒有涉及到的其他部分可以根據(jù)甲方提出的要求進行增加,以達到整個工廠變頻節(jié)能改造和自動控制的目的。 </p><p><b>　　2、制冷系統(tǒng) </b></p><p>　　(1)冷卻水循環(huán)。冷卻水循環(huán)泵:45KW兩臺,一用一備,采用溫度傳感器對回水進行恒溫度控制;45KW變頻柜一臺,配供回水溫度傳感器和控制器單泵恒溫控制,具有定時切換功能

16、,防止備用水泵長時間不運行造成腐蝕。 </p><p>　　(2)冷凍水循環(huán)。冷凍水循環(huán)泵:18.5KW三臺,兩用一備,采用溫度傳感器對回水進行恒溫度控制;18.5KW變頻柜一臺,配回水溫度傳感器,具有循環(huán)軟啟動功能。 </p><p>　　(3)冷卻塔風機。冷卻塔風機7.5KW一臺,采用溫度變送器采集冷卻塔出水溫度進行控制,出水溫度低于30度時停止運行,高于35度工頻啟動運行,與冷卻水循

17、環(huán)泵變頻控制系統(tǒng)聯(lián)動運行。 </p><p><b>　　3、制熱系統(tǒng) </b></p><p>　　熱交換器后熱媒水循環(huán)泵11KW兩臺,采用溫度傳感器對回水進行溫度控制;11KW變頻柜一臺,配回水溫度傳感器恒溫度控制,具有備循環(huán)軟啟動功能。 </p><p><b>　　4、凍干機系統(tǒng) </b></p>&

18、lt;p>　　(1)冷卻水循環(huán)泵18.5KW兩臺,采用溫度變送器對回水進行恒溫差控制;18.5KW單泵變頻柜一臺,配回水溫度傳感器單泵恒溫控制,具有定時切換功能,防止備用水泵長時間不運行造成腐蝕。</p><p>　　(2)冷卻塔風機7.5KW一臺,采用溫度變送器采集冷卻塔出水溫度進行控制,出水溫度低于30度時停止運行,高于35度工頻啟動運行,與冷卻水循環(huán)泵變頻控制系統(tǒng)聯(lián)動運行。 </p>&

19、lt;p>　　5、組合式變風量空調(diào)機組 </p><p>　　(1)新風機組,兩臺套(K2A-X、K2B-X),功率:11KW,采用變頻定頻率運行,運行頻率根據(jù)現(xiàn)場情況設定,既保證新風量的補充,又保證風道系統(tǒng)的壓力和溫度的恒定,兩臺11KW變頻柜,具有手動和變頻運行功能。 </p><p>　　(2)空調(diào)風機正壓區(qū),十臺套,7.5KW風機六臺(JK2A-1、2、3、4、5和JK2B-

20、4),18.5KW風機三臺(JK2A-6、JK2B-1、JK2B-6),新增3KW風機一臺。采用靜壓傳感器采集回風口風道靜壓,經(jīng)控制器運算輸出控制變頻器閉環(huán)變頻運行,當頻率達到50HZ時輸出開關量信號,判定高效過濾器堵塞需要更換;采用7.5KW單泵變頻控制柜六臺、18.5KW單泵變頻控制柜三臺,變頻柜分別具有現(xiàn)場手動操作(手動工頻起停操作)、現(xiàn)場變頻操作(現(xiàn)場手動變頻器起停、頻率手動設定操作)、恒變量閉環(huán)自動運行以及遠傳微機控制四種操作

21、方式;以便系統(tǒng)操作和今后需要系統(tǒng)集成時備用。 </p><p>　　(3)空調(diào)風機負壓區(qū),三臺套,7.5KW風機三臺(JK2B-2、JK2B-3、JK2B-5)。由于負壓區(qū)循環(huán)風道上分別有三臺功率2.2KW高效排風風機,需要與送風機聯(lián)動配合,在保證車間負壓的前提下對送風風機進行變頻調(diào)速控制。 </p><p>　　(4)動物房間組合空調(diào)風機三臺,功率分別為7.5KW、2.2KW和4KW各一

22、臺,與上述空調(diào)風機正壓區(qū)控制一致;設三臺變頻控制柜,功率分別為7.5KW、2.2KW和4KW。 </p><p>　　(5)純水站循環(huán)水泵三臺套,功率為3KW,由于白天夜間用水量變化較大,擬采用壓力傳感器進行恒壓力控制,設計單泵變頻柜三臺,功率為3KW。 </p><p>　　(6)新增豬瘟疫苗車間空調(diào)系統(tǒng)三臺;功率分別為3KW、5.5KW和7.5KW各一臺,與上述空調(diào)風機正壓區(qū)控制一致;

23、設三臺變頻控制柜,功率分別為3KW、5.5KW和7.5KW。 </p><p>　　以上共涉及33個控制點,施工地點分別在動力中心風機15臺、水系統(tǒng)3臺、凍干機房1臺、動物房風機3臺,純水站3臺,豬瘟車間風機3臺,5個施工地點。 </p><p>　　(二)冷凍水、冷卻水變頻改造示意圖(如圖1所示)。 </p><p>　　(三)冷凍(媒)水、熱媒水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制

24、。 </p><p>　　1、制冷模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制 </p><p>　　該方案在保證最末端設備冷凍水流量供給的情況下,確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率,將其設定為下限頻率并鎖定,變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度,再經(jīng)由溫度控制器設定的溫度來控制變頻器的頻率增減,其控制方式為:冷凍回水溫度高于設定溫度時頻率無極上調(diào)最大達

25、到50HZ。反之頻率無極下調(diào)最低達到最低運行頻率。 </p><p>　　2、供熱模式下熱媒水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制 </p><p>　　該模式是在冬季采暖模式下熱媒水循環(huán)水泵系統(tǒng)的控制方案。熱源為廠區(qū)鍋爐熱交換產(chǎn)生;同制冷模式控制方案一樣,在保證最末端設備熱媒水流量供給的情況下,確定一個熱媒水泵變頻器工作的最小工作頻率,將其設定為下限頻率并鎖定,變頻熱媒水水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在熱水系統(tǒng)回

26、水主管上的溫度傳感器檢測回水溫度,再經(jīng)由溫度控制器設定的溫度來控制變頻器的頻率增減。同理,循環(huán)水回水溫度低于設定溫度時頻率無極上調(diào)最大達到50HZ。反之頻率無極下調(diào)最低達到最低運行頻率。 </p><p>　　(四)冷卻水系統(tǒng)的閉環(huán)控制。目前,在冷卻水系統(tǒng)進行改造的方案最為常見,節(jié)電效果也較為顯著。該方案同樣在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下,通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量,當中中央空調(diào)冷卻水出水溫

27、度低時,減少冷卻水流量;當中中央空調(diào)冷卻水出水溫度高時,加大冷卻水流量,從而達到在保證中中央空調(diào)機組正常工作的前提下達到節(jié)能增效的目的。 </p><p>　　現(xiàn)有的控制方式大都先確定一個冷卻泵變頻器工作的最小工作頻率,將其設定為下限頻率并鎖定,變頻冷卻水泵的頻率是取冷卻回水溫度信號來調(diào)節(jié),當回水溫度大于設定值時,頻率無極上調(diào),當回水溫度小于設定值時,頻率無極下調(diào),同時當冷卻水回水溫度高于設定值時,頻率優(yōu)先無極上

28、調(diào)最大至50HZ,當冷卻水回水溫度低于設定值時頻率優(yōu)先無極下調(diào)達到最低運行頻率。另外配合室外冷卻塔風機運行,當冷卻水回水溫度低于30℃時停止,大于35℃開啟;應與冷卻水循環(huán)水泵變頻控制柜一同設計。 </p><p>　　(五)變頻風機的靜壓PID控制方式。送風機的空氣處理裝置是采用冷熱水來調(diào)節(jié)空氣溫度的熱交換器。大型商場、人員較集中且面積較大的場所常使用此類裝置。圖2給出了一個空氣處理裝置中送風機的靜壓控制系統(tǒng)。

29、如果送風干管不只一條,則需設置用靜壓要求最低的傳感器控制風機。風管靜壓的設定值(主送風管道末端最后一個支管前的靜壓)一般取250～375Pa之間。若各通風口擋板開啟數(shù)增加,則靜壓值比給定值低,控制風機轉(zhuǎn)速增加,加大送風量;若各通風口擋板開啟數(shù)減少,靜壓值上升,控制風機轉(zhuǎn)速下降,送風量減少,靜壓又降低,從而形成了一個靜壓控制的PID閉環(huán)。 </p><p>　　(六)冷卻塔散熱風扇的改造。冷卻塔的散熱風扇主要是用來

30、加快冷卻水在噴淋過程中的散熱速度。對于風扇的控制可采用回水溫度控制的方式,當循環(huán)冷卻水泵運行在變頻控制狀態(tài),冷卻回水溫度大于35℃時,冷卻塔風機自動開啟運行,當冷卻回水溫度小于30℃時,冷卻塔風機自動停止運行,從而避免為滿足冷卻塔出水水溫≤32℃,必須使風機處在工頻狀態(tài)下運行,而造成水溫過低,形成不必要的能源浪費。 </p><p>　　(七)純水站3KW循環(huán)泵改造。涉及到3個3KW循環(huán)水泵的變頻改造,擬采用循環(huán)

31、水出水恒壓變頻控制,或采用分時段定頻率運行方式進行改造,控制柜設計3KW單泵控制柜各一臺,恒出水壓力控制。 </p><p>　　(八)動物房三臺變風量空調(diào)機組。按照靜壓傳感器恒壓力變頻運行以達到節(jié)能效果。 </p><p>　　(九)設備的選型,主要包括: </p><p><b>　　1、變頻器 </b></p><p&

32、gt;　　變頻器是此次節(jié)能改造的重要設備,設備的穩(wěn)定性和操作的靈活性簡便是該系統(tǒng)可靠、安全的根本,同時結(jié)合操作人員的掌握程度,我們選用了日本三墾、富士產(chǎn)品。 </p><p><b>　　2、低壓電器 </b></p><p>　　低壓電器的主要元器件我們選用了施耐德產(chǎn)品,以提高控制設備的可靠性,其他電器件選用國內(nèi)知名品牌。 </p><p>

33、　　(1)整個改造系統(tǒng)我們將保留原系統(tǒng)控制設備,以確保改造前后系統(tǒng)運行的可靠性和延續(xù)性。 </p><p>　　(2)根據(jù)對改造設備安裝現(xiàn)場的考察,我們采用了一個控制點一臺設備的設計方案,確保單一系統(tǒng)故障時不影響其他設備的正常運行操作。 </p><p>　　(3)傳感器選用了美國的KMC產(chǎn)品。 </p><p><b>　　五、結(jié)語 </b>

34、</p><p>　　該系統(tǒng)已于2007年10月正式投入使用,從運行效果看,完全能滿足設計需要,節(jié)能效果平均達到15%～20%;單從節(jié)能收益分析,三年內(nèi)即可收回全部投資,設備運行穩(wěn)定性和自動化程度明顯提高,延長了設備使用壽命,符合國家“十一五”規(guī)劃的節(jié)能減排、節(jié)能降耗的要求,有著廣泛的社會效益。目前中央空調(diào)系統(tǒng)大都采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng),雖然達到利用地熱恒溫水達到降耗目的,但由于自動化系統(tǒng)大都采用電動風閥、電動閥門

35、來調(diào)節(jié)溫度、濕度以及新風的補給量,風機和水泵一直運行在工頻狀態(tài),因此水系統(tǒng)和風系統(tǒng)具有廣泛的節(jié)能改造空間,通過變頻改造,以達到系統(tǒng)全部節(jié)能變頻運行的目的,最大限度使系統(tǒng)運行在最佳節(jié)能狀態(tài)。 </p><p><b>　　參考文獻: </b></p><p>　　1.李林,《智能大廈系統(tǒng)工程》,北京:電子工業(yè)出版社,1998 </p><p>