论文部分内容阅读
摘 要:首先从能源的角度分析了冷却水系统、冷冻水系统高能耗的主要原因,接着介绍了中央空调中变频调速技术的节能原理,且对变频调速系统的工作效率做了简要的分析。
关键词:水系统变频技术水泵
中图分类号:TM921.51 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(c)-0091-01
引言
当前中央空调的高能耗问题普遍存在于各种建筑当中,每年中央空调的耗电量接近450多亿KWh,几乎占到了所有供电部门总电量的45%左右,在高能耗设施中占据重要角色。同时,在设计空调系统时均以最大负载作为要求,但在空调实际的运行时,负载受多种因素影响,平均还达不到设计要求负载的30%,能源存在极大地浪费现象。目前我国在中央空调水系统能耗设计方面与重视节能的欧美国家,差距甚大。冷源系统的能耗的高低受冷却循环水泵、冷水机电耗及冷冻循环水泵、冷却塔风机电耗影响。所以,要节约能耗就需要依靠适当的降低冷冻水循环泵、调节冷水机运行状态,冷却水循环泵及冷却塔风机耗电量来获取。
1 中央空调变频系统的设计依据
我国华北地区,空调使用的周期大概在6～8个月。在这种情况下,冷冻水系统和冷却水系统基本上都工作在大流量下。同时,由于用户负载的变化、昼夜和季节等因素的影响,中央空调的负载实际在很大一部分时间内远低于设计时的负载。根据对建筑物实测获得的热负载变化率,便可以决定水泵压力和流量的最大负载设计。如此相比,负载率一年当中在50%以下的时间占到全部时间的60%左右,冷冻水一般的温差设计为6～8°C,冷却水一般温差设计为5～7°C,在固定流量的状况下,整年很大部分运行时间温差仅仅为1～2℃。由此可知,工作在流量大,温差低的情况下,会使管路系统的能量损耗增加,同时也会造成水泵输送能量的浪费。中央空调的水泵的耗电量一般占整个空调系统的25%～35%。所以当水泵在低负载时,节约供水输出能量对空调系统的能耗起到重要作用。因此,可变流量的空调水泵系统的优势就越发明显,从而得到高度的重视和广泛的应用。
2 水系统控制原理和方法
水系统有两种控制方式[1],一种是定流量控制,另一种是变流量控制。这两种控制方式有各自的特点。(1)定流量控制特点:当室内的负载发生变化时,通过室内温度传感器控制安装在空调回水管上的电动三通阀开启度,调节通过中央空调末端的水流量,而系统的水流量不变,空调末端的分机风量不改变。(2)变流量控制特点:当室内的负载发生变化时,通过室内温度传感器控制安装在空调回水管上的电动二通阀开启度,调节通过空调负载侧的水流量,在冷热侧的分集水器之间设压力旁通阀,保持通过冷水机组的水流量不变,空调末端的风机风量不该改变。由于二通阀在空调末端调节方面优于三通阀,它具备等百分比调节的特性,即它的开启度以等比例地线性动作,满足非线性流量下所要求的热出力的需求,从而达到制冷盘管的静热的特性;并且电动三通阀的成本比较高,因而变流量控制方案目前应用较多。水系统控制原理[2][3]:在夏季,当室内温度比预设值低,则阀门(电动二位控制阀)自动关闭,当室内温度比预设值高时,阀门自动开启;冬季流程相反。在冷热侧的分集水器之间设计一只压差控制器和一只PID电动旁通调节阀。当负载侧的水流量出现变化时,空调系统的水流量同样要出现变化,分集水之间的压差将出现变化,压差控制器将采集到的压差信号传送到控制中心与预设值比较,如果即时压差大于预设值,表明流水量超标了,则由控制中心发出控制命令控制PID电动二通调节阀的开启度,将负载侧超标的流量通过分水器旁通到集水器当中,此时回水的温度下降,则冷冻机依据回水温度的变化自动卸载。当一台主机的额定流量小于旁通流量时,一台冷冻机和相应的设备则自动停止工作,依此类推。相反当负载侧流量不够时,则控制过程相反。
2.1 水系统节能技术
(1)对水系统设计的重视:设计人员对水系统各个环路进行精心的设计和计算,并且采用有力的手段确保各个环路水力达到平衡。认真计算和核对空调水系统输送参数,达到节能设计标准的标准值,选则合适功率大小的水泵。(2)水系統运用大温差小流量运行:在国内夏季冷冻水系统供回水温差较好的为3°C,较差的只有1～1.5°C,造成实际水流量比设计水量大1.5倍以上,使水泵电耗大大增加。国外绝大多数系统采用的设计温差为7～8°C,有的甚至为10°C(如日本)。空调水系统运用大温差小流量的模式运行,虽然在一定程度上会增加主机的能耗,但可以在很大程度上减少水泵的功率配置,最终降低中央空调的能耗,全年的节能效果明显。(3)水泵的变频调速技术:在中央空调循环系统中引入变频技术,该技术通过调节电机的输入频率来改变电机转速,最终改变水泵的压力、扬程和流量来调节温度,且整个空调系统处于平稳的调节状态,稳定性非常好,节能效果异常突出。图1为转速是n0、n1、n2所对应水泵运行特性曲线、管路阻力特性曲线及水泵效率曲线图。根据水泵的工作原理,水泵的流量q与其转速n成正比q=k1n;水泵的压力p与其转速的平方n2成正比p=k2n2;水泵轴功率P等于流量q与压力p的乘积Q=q*p;所以P=k1k2*n3,故水泵轴功率与其转速的三次方成正比。又感应交流电机的转速在级数不变的情况下与电源频率成正比n=k3*f,所以P=k1k2k3*f3,式中k1、k2、k3为常系数。通过改变水泵的旋转速度,使水流量符合能量负载变化的需求,水泵功率下降,节能效果明显。另外,变频器还能依据冷冻水泵负载的变化改变水泵电机的旋转速度,在中央空调系统正常运转的情况下,使冷冻水泵做出调节,达到节能的目的。水泵电机的旋转速度下降,所需要的电能自然也价低了。
减少的功耗△P=P0[1-(n1/n2)3]
减少的流量△Q=Q0[1-(n1/n2)3]
3 结论
适当配备中央空调系统的装机容量,可使系统在绝大多数时间里全负载工作,这样可以减少额外的能耗。变频技术的应用,除了节能效果不错以外,水泵在变频技术的控制下切换平稳,大大减少了设备无效的运行时间。对水泵应用变频技术进行调速可以明显的降低系统的额外能耗。
参考文献
[1] 聂玉强,李安桂.中央空调系统高效节能技术分析与应用[J].重庆建筑大学学报,2007(1).
[2] 苏明哲,张存泉.变频节能技术在中央空调水系统的应用[J].中国建设信息供热制冷,2004(6)．
[3] 朱顺兵.建筑自动化系统空调节能优化控制策略分析[J].南京工业大学学报:自然科学版,2006(2).
[4] 张德孝,胡庆.基于PLC控制的船舶水源热泵空调系统[J].辽宁师专学报:自然科学版,2007(4).
关键词:水系统变频技术水泵
中图分类号:TM921.51 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(c)-0091-01
引言
当前中央空调的高能耗问题普遍存在于各种建筑当中,每年中央空调的耗电量接近450多亿KWh,几乎占到了所有供电部门总电量的45%左右,在高能耗设施中占据重要角色。同时,在设计空调系统时均以最大负载作为要求,但在空调实际的运行时,负载受多种因素影响,平均还达不到设计要求负载的30%,能源存在极大地浪费现象。目前我国在中央空调水系统能耗设计方面与重视节能的欧美国家,差距甚大。冷源系统的能耗的高低受冷却循环水泵、冷水机电耗及冷冻循环水泵、冷却塔风机电耗影响。所以,要节约能耗就需要依靠适当的降低冷冻水循环泵、调节冷水机运行状态,冷却水循环泵及冷却塔风机耗电量来获取。
1 中央空调变频系统的设计依据
我国华北地区,空调使用的周期大概在6～8个月。在这种情况下,冷冻水系统和冷却水系统基本上都工作在大流量下。同时,由于用户负载的变化、昼夜和季节等因素的影响,中央空调的负载实际在很大一部分时间内远低于设计时的负载。根据对建筑物实测获得的热负载变化率,便可以决定水泵压力和流量的最大负载设计。如此相比,负载率一年当中在50%以下的时间占到全部时间的60%左右,冷冻水一般的温差设计为6～8°C,冷却水一般温差设计为5～7°C,在固定流量的状况下,整年很大部分运行时间温差仅仅为1～2℃。由此可知,工作在流量大,温差低的情况下,会使管路系统的能量损耗增加,同时也会造成水泵输送能量的浪费。中央空调的水泵的耗电量一般占整个空调系统的25%～35%。所以当水泵在低负载时,节约供水输出能量对空调系统的能耗起到重要作用。因此,可变流量的空调水泵系统的优势就越发明显,从而得到高度的重视和广泛的应用。
2 水系统控制原理和方法
水系统有两种控制方式[1],一种是定流量控制,另一种是变流量控制。这两种控制方式有各自的特点。(1)定流量控制特点:当室内的负载发生变化时,通过室内温度传感器控制安装在空调回水管上的电动三通阀开启度,调节通过中央空调末端的水流量,而系统的水流量不变,空调末端的分机风量不改变。(2)变流量控制特点:当室内的负载发生变化时,通过室内温度传感器控制安装在空调回水管上的电动二通阀开启度,调节通过空调负载侧的水流量,在冷热侧的分集水器之间设压力旁通阀,保持通过冷水机组的水流量不变,空调末端的风机风量不该改变。由于二通阀在空调末端调节方面优于三通阀,它具备等百分比调节的特性,即它的开启度以等比例地线性动作,满足非线性流量下所要求的热出力的需求,从而达到制冷盘管的静热的特性;并且电动三通阀的成本比较高,因而变流量控制方案目前应用较多。水系统控制原理[2][3]:在夏季,当室内温度比预设值低,则阀门(电动二位控制阀)自动关闭,当室内温度比预设值高时,阀门自动开启;冬季流程相反。在冷热侧的分集水器之间设计一只压差控制器和一只PID电动旁通调节阀。当负载侧的水流量出现变化时,空调系统的水流量同样要出现变化,分集水之间的压差将出现变化,压差控制器将采集到的压差信号传送到控制中心与预设值比较,如果即时压差大于预设值,表明流水量超标了,则由控制中心发出控制命令控制PID电动二通调节阀的开启度,将负载侧超标的流量通过分水器旁通到集水器当中,此时回水的温度下降,则冷冻机依据回水温度的变化自动卸载。当一台主机的额定流量小于旁通流量时,一台冷冻机和相应的设备则自动停止工作,依此类推。相反当负载侧流量不够时,则控制过程相反。
2.1 水系统节能技术
(1)对水系统设计的重视:设计人员对水系统各个环路进行精心的设计和计算,并且采用有力的手段确保各个环路水力达到平衡。认真计算和核对空调水系统输送参数,达到节能设计标准的标准值,选则合适功率大小的水泵。(2)水系統运用大温差小流量运行:在国内夏季冷冻水系统供回水温差较好的为3°C,较差的只有1～1.5°C,造成实际水流量比设计水量大1.5倍以上,使水泵电耗大大增加。国外绝大多数系统采用的设计温差为7～8°C,有的甚至为10°C(如日本)。空调水系统运用大温差小流量的模式运行,虽然在一定程度上会增加主机的能耗,但可以在很大程度上减少水泵的功率配置,最终降低中央空调的能耗,全年的节能效果明显。(3)水泵的变频调速技术:在中央空调循环系统中引入变频技术,该技术通过调节电机的输入频率来改变电机转速,最终改变水泵的压力、扬程和流量来调节温度,且整个空调系统处于平稳的调节状态,稳定性非常好,节能效果异常突出。图1为转速是n0、n1、n2所对应水泵运行特性曲线、管路阻力特性曲线及水泵效率曲线图。根据水泵的工作原理,水泵的流量q与其转速n成正比q=k1n;水泵的压力p与其转速的平方n2成正比p=k2n2;水泵轴功率P等于流量q与压力p的乘积Q=q*p;所以P=k1k2*n3,故水泵轴功率与其转速的三次方成正比。又感应交流电机的转速在级数不变的情况下与电源频率成正比n=k3*f,所以P=k1k2k3*f3,式中k1、k2、k3为常系数。通过改变水泵的旋转速度,使水流量符合能量负载变化的需求,水泵功率下降,节能效果明显。另外,变频器还能依据冷冻水泵负载的变化改变水泵电机的旋转速度,在中央空调系统正常运转的情况下,使冷冻水泵做出调节,达到节能的目的。水泵电机的旋转速度下降,所需要的电能自然也价低了。
减少的功耗△P=P0[1-(n1/n2)3]
减少的流量△Q=Q0[1-(n1/n2)3]
3 结论
适当配备中央空调系统的装机容量,可使系统在绝大多数时间里全负载工作,这样可以减少额外的能耗。变频技术的应用,除了节能效果不错以外,水泵在变频技术的控制下切换平稳,大大减少了设备无效的运行时间。对水泵应用变频技术进行调速可以明显的降低系统的额外能耗。
参考文献
[1] 聂玉强,李安桂.中央空调系统高效节能技术分析与应用[J].重庆建筑大学学报,2007(1).
[2] 苏明哲,张存泉.变频节能技术在中央空调水系统的应用[J].中国建设信息供热制冷,2004(6)．
[3] 朱顺兵.建筑自动化系统空调节能优化控制策略分析[J].南京工业大学学报:自然科学版,2006(2).
[4] 张德孝,胡庆.基于PLC控制的船舶水源热泵空调系统[J].辽宁师专学报:自然科学版,2007(4).