中央空調系統水泵變頻改造技術

隨著變頻技術和自動控制技術的發展和普及，在空調系統中應用變頻調速技術已經相當普遍。如何選擇變頻控制思路是一個值得探討的問題，如果選擇不合理可能會起不到應有的效果甚至會影響到空調系統的正常使用。

變頻技術的日益成熟，利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結合，構成溫差閉環自動控制系統，自動調節水泵的輸出流量；采用變頻調速技術不僅能使商場室溫維持在所期望的狀態，讓人感到舒適滿意，可使整個系統工作狀態平緩穩定，更重要的是其節能效果高達30%以上，能帶來很好的經濟效益。

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節能改造的必要性
中央空調是大廈里的耗電大戶，每年的電費中空調耗電占60% 左右，因此中央空調的節能改造顯得尤為重要。
      由于設計時，中央空調系統必須按天氣最熱、負荷最大時設計，并且留10-20%
設計余量，然而實際上絕大部分時間空調是不會運行在滿負荷狀態下，存在較大的富余，所以節能的潛力就較大，其中，冷凍主機可以根據負載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負載變化作出相應調節，存在很大的浪費。
      水泵系統的流量與壓差是靠閥門和旁通調節來完成，因此，不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現象，不僅大量浪費電能，而且還造成中央空調最末端達不到合理效果的情況。為了解決這些問題需使水泵隨著負載的變化調節水流量并關閉旁通。
      再因水泵采用的是Y- △起動方式，電機的起動電流均為其額定電流的3 ～ 4倍，一臺90KW的電動機其起動電流將達到500A
，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機的使用壽命大大下降，同時，起動時的機械沖擊和停泵時水垂現象，容易對機械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞，從而增加維修工作量和備品、備件費用。
采用變頻器控制能根據冷凍水泵和冷卻水泵負載變化隨之調整水泵電機的轉速，在滿足中央空調系統正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵作出相應調節，以達到節能目的。水泵電機轉速下降，電機從電網吸收的電能就會大大減少。
其減少的功耗 △ P=P0 〔 1-(N1/N0)3 〕 （1）式
減少的流量 △ Q=Q0 〔 1-(N1/N0) 〕 （ 2 ）式
      其中N1為改變后的轉速， N0為電機原來的轉速， P0為原電機轉速下的電機消耗功率， Q0為原電機轉速下所產生的水泵流量。由上式可以看出流量的減少與轉速減少的一次方成正比，但功耗的減少卻與轉速減少的三次方成正比。如：假設原流量為100個單位，耗能也為100個單位，如果轉速降低10個單位，由（
2 ）式△ Q=Q0 〔 1-(N1/N0) 〕 =100 ＊〔 1-(90/100) 〕 =10可得出流量改變了10個單位，但功耗由（ 1 ）式△
P=P0[1-(N1/N0)3]=100 ＊〔 1-(90/100)3 〕 =27.1可以得出，功率將減少27.1個單位，即比原來減少27.1% 。
      再因變頻器是軟啟動方式，采用變頻器控制電機后，電機在起動時及運轉過程中均無沖擊電流，而沖擊電流是影響接觸器、電機使用壽命最主要、最直接的因素，同時采用變頻器控制電機后還可避免水垂現象，因此可大大延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。
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中央空調系統構成及工作原理

1、冷凍機組：通往各個房間的循環水由冷凍機組進行“內部熱交換”作用，使冷凍水降溫為5~7℃。并通過循環水系統向各個空調點提供外部熱交換源。內部熱交換產生的熱量，通過冷卻水系統在冷卻塔中向空氣中排放。內部熱交換系統是中央空調的“制冷源”。
2、冷凍水塔：用于為冷凍機組提供“冷卻水”。
3、“外部熱交換”系統：由兩個循環水系統組成：
⑴、冷凍水循環系統由冷凍泵及冷凍管道組成。從冷凍機組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在各個房間內進行熱交換，帶走房間內的熱量，使房間內的溫度下降。
⑵、冷卻水循環系統由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍機組進行熱交換，使水溫冷卻的同時，必將釋放大量的熱量，該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升高，冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入水塔，使之在冷卻塔中與大氣進行熱交換，然后再將降了溫的冷卻水，送回到冷凍機組，如此不斷循環，帶走冷凍機組成釋放的熱量。
4、冷卻風機
⑴、室內風機：安裝于所有需要降溫的房間內，用于將由冷凍水冷卻了的冷空氣吹入房間，加速房間內的熱交換；
⑵、冷卻塔風機用于降低冷卻塔中的水溫，加速將“回水”帶回的熱量散發到大氣中去。
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水泵變頻技術探討
1、中央空調系統，裝機功率分布

2、輔機改造尤其是水泵的節能改造被很多從事節能企業看好
　　2.1.中央空調系統水泵部分確實有改造空間。
　　2.2.國家有關部門對變頻改造的政策支持力度加大。
　　2.3.高昂的運行費用給用戶的壓力，也促使企業有了改造的動力。
　　2.4.存在的問題是：有些節能企業并不了解中央空調水系統的特點，一味夸大變頻改造的效果。
3、揚程富余是目前中央空調水系統的普遍現象
　　3.1.開式系統和閉式系統水泵揚程的作用是不一樣的。
　　3.2.設計者一般對水系統要求的流量會進行比較仔細的計算，對揚程的要求按照水泵現成資料來取的為多。
　　3.3.老的水泵選型資料對大流量的水泵揚程一般都比較高。
　　3.4.有些暖通空調設計者對自己的設計的不自信。

4、中央空調系統水泵楊程的計算
　　4.1.冷水機組阻力：由機組制造廠提供，一般為60~100kPa。（采用板式換熱器的設備在120kPa左右）
　　4.2.管路阻力：包括磨擦阻力、局部阻力。
　　4.3.空調未端裝置阻力。
　　4.4.冷卻塔部分的阻力。不管系統的大小，其實中央空調循環系統的水阻相差不大，一般在0.15Mpa—0.25Mpa之間。
　　在現實設計中，揚程普遍偏大，主要原因有：
　　a.過大估計了水系統沿途的各種配件的阻力。
　　b.相互套用設計參數。
　　c.對自己設計不自信，總認為大點保險。
　　揚程設計偏大，在使用中水泵電機功率因數很低，水泵電機電流比額定電流偏小。為水泵變頻改造提供了空間。

5、水泵變頻的基本原理
　　5.1.P(功率)=Q(流量)╳H(壓力)
　　5.2.流量Q與轉速N的一次方成正比
　　5.3.壓力H與轉速N的平方成正比
　　5.4.功率P與轉速N的立方成正比
　　5.5.變頻的主要目的是通過改變水泵的頻率，降低水泵轉速，提高水泵的功率因數以達到節能的目的。

6、水泵的變頻會損失大量流量
　　1.由于設計揚程偏大，水泵的功率因數會很低（50%-60%）
　　2.變頻器是按照監控水泵功率因數來決定變頻的比例。
　　3.自動運行變頻器的時候，基本變頻的比例都在30%
　　4.同時損失的30%流量就對系統的使用帶來了問題。

 

7、中央空調系統水泵改造的出路
　　1.既然原設計揚程偏大，那就調換一個水泵。
　　2.調換沒有現成的規格時，進行水泵泵體的改造。

8、水泵泵體改造的辦法
　　決定水泵送水流量的關鍵是水泵葉輪的泵水槽寬度。
　　決定水泵揚程的關鍵是水泵葉輪的外徑和泵殼的間距。

9、水泵節能改造的辦法
　　通過對水泵也輪本身的改造或者從配達到需要的流量和揚程。
　　無需改變水泵原有安裝管道，在確定達到流量和揚程要求后根據電機的實際運行電流選配新的電機。
　　一般情況下，電機改小的比例30%。

10、中央空調系統節能改造的方向
　　1.大型離心機組的變頻改造。
　　2.水泵的節能改造。
　　3.冷卻塔風機的節能改造。
　　4.中央空調運行智能化改造。
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中央空調系統進行變頻改造的優點
變頻節能改造后除了可以節省大量的電能外還具有以下優點：

1 、只需在中中央空調冷卻管出水端安裝一個溫度傳感器（如圖，安裝在冷卻水系統中中央空調冷卻水出水主管上的B處），簡單可靠。

2 、當冷卻水出水溫度高于溫度上限設定值時，頻率直接優先上調至上限頻率。

3 、當冷卻水出水溫度低于溫度下限設定值時，頻率直接優先下調至下限頻率。而采用冷卻管進、出水溫度差來調節很難達到這點。

4 、當冷卻水出水溫度介于溫度下限設定值與溫度上限設定值時，通過對冷卻水出水溫度及溫度上、下限設定值進行PID計算，從而達到對頻率進行無極調速，閉環控制迅速準確。

5 、節能效果更為明顯。當冷卻水出水溫度低于溫度上限設定值時，采用冷卻管進、出水溫度差來調節方式沒有將出水溫度低這一因素加入節能考慮范圍，而僅僅由溫度差來對頻率進行無極調速，而采用上、下限溫度來調節方式充分考慮這一因素，因而節能效果更為明顯，通過對多家用戶市場調查，平均節電率要提高5
％以上，節電率達到20 ％以上。
 

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