变频器在中央空调水泵系统中的应用-专业论文

变频器在中央空调系统中应用

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变频器在中央空调水泵系统中的应用
作者：陈浩出处：阅读：1353发布时间：2006-6-6 9:14:00供稿：深圳市鲲勤科技有限公司

　一、 前言
　　能源是人类生存和社会发展的物质基础，随着生产力的进步和工业现代化的发展，世界能源消耗的速度越来越快，而煤、石油、天然气都是“非再生能源”，世界能源的储备量只能再用二、三十年，能源短缺的问题已经到了非常严峻的地步，节约能源是一个十分紧迫的问题。

　　中央空调是现代建筑不可缺少的重要设备之一，它能改善和提高建筑内部的环境质量，营造一个舒适宜人的工作和生活环境，提高建筑的档次和服务水平。但中央空调运行时间长，耗电量大。据有关调查统计，目前不少中央空调的耗电量几乎占了整个建筑用电量的一半，甚至更高。空调能耗不仅给城市能源、环境保护带来巨大压力，也给经营者带来沉重的经济负担，如何既保障建筑内部的舒运环境，又能降低空调的能源消耗，是目前一个迫切需要解决的课题。

二、 传统中央空调的设计及控制方法
中央空调系统通常由空调主机、空调水及其管网系统、空调
末端装置组成。
　　中央空调系统的设计通常按建筑物所在地的极端气候条件来计算其最大冷负荷的，并由此确定空调主机的装机容量以及配备相应容量的水泵电机。然而，实际上出现最大冷负荷的时间极少，根据相关资料统计，空调设备97%的时间运行在70%负荷以下波动，因而出现“大马拉小车”的现象，这无疑

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造成了大量的能源白白浪费。而且，空调水泵长期处在工频额定状态下高速运行，机械磨损严重，设备故障增加，使用寿命缩短。

传统的中央空调控制方法
　　目前，国内的中央空调系统基本上采用传统的定流量控制方法，定流量控制方式的特征是系统的循环水量保持定值不变，当负荷变化时，通过改变供水和回水温度来匹配，定流量供水方式的优点是系统简单，不需要复杂的自控设备，但这种控制方式存在以下几个问题：

1、无论末端负荷大小如何变化，空调水泵系统均在设计的额定状态下运行（水泵功率是按峰值冷负荷对应水流量的1.2倍选配），能源浪费很大，实际上由于受多种因素的影响，如季节交替、气候变幻、昼夜轮回、使用变化、人流量增减等，中央空调系统的负荷是一个始终变化的量，空调负荷的这种不恒定性，决定了系统对空调冷量需求也是一个随机变化的量。若不论空调负荷大小如何变化，系统都在设计的
额定状态下运行，势必造成大量的能源浪费。

2、中央空调系统是一个多参量、非线形、时变性的复杂系统，由于空调负荷的频繁波动，必然造成水循环系统的运行参量偏离空调主机的最佳工作状态，导致主机热转换效率（COP值）降低，系统长期在低效率状态下运行，也会增加系统的能源消耗。

3 、在工频状态下启停大功率的水泵电机，冲击电流大，不利于电网的安全运行。同时，在管网上会产生“水锤”现象，增加管网的跑冒滴漏现象。

三、变频调速的节电原理
　　采用变频技术控制水泵的运行，是目前中央空调系统节能改造的最有效途径之一，图一和图二绘出阀门调节和变频调速控制两种状态的压力-流量（H-Q）关系及功率-流量（P-Q）关系。




　　图一、曲线1是水泵在额定转速下的H-Q曲线，曲线2是水泵在某一较低速度下的H-Q曲线，曲线3是阀门开度最大时的管路H-Q曲线，曲线4是某一较小阀门开度下的管路H-Q曲线，可以看出，当实际工况流量由Q1下降到Q2，如果在水泵以额定转速运行的条件下调节阀门开度，则工况点沿曲线1由A到B；如果在阀门开度最大的　条件下采用变频调节水泵转速，则工况点曲线3由A点移动C点，显然B点与C点的流量相同，但B点的压力
比C点的压力要高很多。
　　图二、中曲线５为变频控制水泵调速运转方式下的P-Q曲线，曲线６为阀门调节方式下的P-Q曲线，曲线６为阀门调节方式下的P-Q曲线，可以看出在相同流量下，变频控制方式比阀门调节方式能耗小，根据离心泵的特性曲线公式
　　　　　P=QHr/102η 式　（４）

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　式中：P－　泵使用工况轴功率（KW）
Q－　工况点的水压或流量（m³/S）
H－　工况点的扬程
R－　输出介质单位体积重量（Kg/ m³）
η－　泵功率
根据公式（４）可知运行在B点泵的轴功率为：PB＝Q2H2r/102η
C点泵的轴功率为：Pc＝Q2H3r/102η
两者之差为η：ΔP=PB-PC=Q2(H2-H3)r/102η
　　也就是说，用阀门控制流量时，有ΔP功率被浪费掉了，并且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加，而且转速控制时，由流体力学可知，流量与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比、功率P与转速的立方成正比。即
Q/Qe=N/Ne H/He=(N/Ne)² P/Pe=(N/Ne)³ 　　式（５）
式中：Qe-额定流量
　　　He-额定压力
　　　Pe-额定功率
　　　Ne-额定转速
　　由上面的公式可知，如果泵类负载的效率一定，当要求调节流量下降时，转速可成正比例下降，此时水泵的轴功率与之成立方倍关系下降。

四、通常采用的闭环控制：PID调节方式
a、 由于系统中的许多环节，特别是温度、水泵、冷水管道、都存在着非线性，故变频节能系统的调节方式一般采用的PID调节方式；
b、 从PID控制的原理可知，带有积分（I）调节器的系统，具有很高的稳定精度，再由于水系统中的瞬间扰动不大，实际中可采用PI调节方式；
c、
冷冻和冷却水系统温度有变化时，PID闭环会对出现的偏差进行不断的修正，使变频器根据PI调节器或内置PID运算不断地进行调节（加速或减速），使水泵工作在最佳工作状态；




d、 当系统有干扰信号时，PID调节会很快地作（见上图）。

五、采用模数闭环控制的中央空调水泵节能系统的特点




　　近年来，随着模糊控制理论的不断发展，其控制算法也不断地应用到实际中。它不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式，对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制；模糊智能控制不会出现超调现象（见上图），故系统的节电率会有所提高；当系统有干扰信号时，能快速响应外部扰动（见上图），因此模糊系统抗干扰能力很强；中央空调的水泵变频运行采用模糊数字控制后，其智能化程度会进一步提高、系统的抗干扰能力会得到加强
、节能效果也会有所提高。随着微电脑技术的不断发展，模糊控制会在更广泛的领域得到应用。

六、系统硬件设计框图




七、应用实例
　　某宾馆中央空调系统共有2套开利225冷吨的主机采用一用一备的方式运行。平均每年运行7000多个小时（约9.7月）大厦中有写字楼和宾馆。

变频器在中央空调系统中应用

在每年平均9.7月的运行时间中，除宾馆部分必须每天24小时运行外，写字楼部分只需白天上班时间供冷气，每天供冷时间不足10小时，在夜间，写字楼不使用空调时热负荷变小，水泵电机仍以高负荷恒转速运转，造成压差旁通阀动作，短接部分流量，这样造成较大能量浪费。

以下是某宾馆2002年全年中央空调水泵电耗抄表数据



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