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中央空调节能改造
& & &&一、节能改造背景&
中央空调是现代大厦物业、宾馆、商场和工厂不可缺少的设施，它能带给人们四季如春，温馨舒适的每一天，但由于中央空调功率大，耗能大，加上设计上存在&大马拉小车&的现象，支付中央空调所用电费是用户一项巨大的开支。对中央空调加节能装置是降成本增效益的一条捷径。
作为建筑内部重点耗能设备，中央空调系统的耗电一般要占整座建筑电耗的40%以上。而中央空调机组是以满足使用场所的最大冷热量来进行设计的，而在实际应用中绝大多数用户在使用时，冷热负荷是变化的，一般与最大设计供冷热量存在着很大的差异，系统各部分90%以上运行在非满载额定状态。传统的中央空调水、风系统均采用调节阀门或风门开度的方式来调节水量和风量，这种调节方式的缺点不仅是消耗大量能量，而且调节品质难以达到理想状态而导致空调的舒适度不良。
中央空调变频节能控制器投资价值极高，用户用于该产品的全部投资，可在很短的时间内通过减少能耗支出予以回收。投资收益率根据日运行时间不同，在25~40%之间。 应用交流变频技术通过对中央空调的末端空调风机箱、冷却塔风机、冷冻水/冷却水水泵、甚至主机驱动电机转速等进行控制调节，从而使空调各子系统风量、水流量等负荷工况参数按负荷情况得到适时调节，不但能改善系统的调节品质，达到阀门、风门节/回流调节、变极调速等落后调节方式所不能相比的调节性能，改善空调的舒适性；更能达到节约大量电能，降低设备运行噪声，延长设备使用寿命、减轻设备维护工作量及费用的理想运行效果。
通过变频控制调节，中央空调系统的水、风系统耗电水平可降低30%~60%，主机系统可节电10%以上，总体系统节电可达40%左右。用户可在设备投运后几个运行期后，即可从节省的电费支出中收回投资。因此中央空调用户应用变频节能控制系统不仅有着良好的直接经济收益，还能达到节约能源消耗、有利于环境保护的社会效益。
&二、中央空调节能改造原理
由流体力学理论可知，离心式流体传输设备的输出流量Q与其转速n成正比；输出压力P（扬程）与其转速n的平方成正比；输出功率N与其转速n的三次方成正比，根据数学公式可知，降低水泵的转速，水泵的输出功率就可以下降更多。如将电机的供电频率由50Hz降为40Hz，则理论上，低频40Hz与高频50Hz的输出功率之比为(40/50)3 =0.512。
显然，当电机转速下降时，流量按线性关系变化，而电功率按立方关系方式变化，例如，电机功率为15KW，当其转速为原来的4/5时，耗电功率为7.68KW，即耗电为原来的51.2%，节电48.8%，从而大大节约电能。
通常在设计中，空调冷冻、冷却水泵设计扬程和流量比实际需要的扬程和流量高出很多，空调风机的设计供风量也比实际需要的风量大，导致电能的严重浪费，而且用户也无计可施，但利用我司节能装置可适当降低水泵电机运行频率，从而降低转速，使循环水流量恰到好处地与制冷量实时匹配，从而轻而易举地将部分电能节约下来。特别是对长年运行在日夜变化，季节变化，使用面积的变化而引起制冷量需求变化的系统，节能效果更为明显。节电率可达40% 以上。
建筑物的中央空调系统通常均按极端环境条件去计算空调负荷，即以其最大冷（热）负荷的1.1~1.5倍去确定空调主机及外围设备的额定容量。然而由于气候条件、环境温度、使用时间、空调室内人数等因数的变化，实际出现最大冷（热）负荷的时间，每年不超过10h~20h。
因此，中央空调系统的负荷，在大多数时间里都是远远小于额定容量的，只要启动中央空调主机，水泵和风机都在50HZ电源频率下运行，也就是满负荷状态下工作，从而造成整个系统的能源利用效率低，浪费大量的能源，而且各泵长期处于高速运转状态，机械磨损大，维护费用高，使用寿命缩短。
&三、系统控制原理
中央空调节能设备的基本原理：当空调负荷发生变化时，通过采集一组数值，经模糊运算及时调节空调主机、各泵组和风机的运行工作参数，从而改变空调主机工作状态、冷冻（热）水和冷却水流量，改变冷却塔风机的风量，确保空调主机始终工作在效率最佳状态，使供回水和进出水温度趋于设定值。
中央空调节能设备的核心是变流量控制量。在控制器中建立了知识库、模糊控制模型和模糊运算规则，形成智能模糊制。通过采集影响空调系统的各种参数，经模糊运算，得出相应的控制参数，这些参数被送至空调主机、冷冻（热）水控制水系统、冷却水控制子系统、冷却塔控制子系统。这些子系统根据控制参数的变化，利用现代变频控制技术，改变空调系统循环流体的流量和温度，以保证整个系统各种法度和条件下，均处于最佳工作状态，从而最终达到综合节能的目的。
&四、中央空调节能控制系统
我公司在多年中央空调节能控制领域探索、研究、试验和实践的基础上，运用系统工程的方法，将现代计算机技术、模糊控制技术、系统集成技术与变频调速技术相结合，成功研制出了具有智能模糊控制功能的先进的ZWCC-2013系列中央空调节能控制系统，可依据环境与负荷的变化，实现空调系统运行参数的优化和冷媒流量根据负荷需要动态调节，保障空调系统冷源设备在任何负荷条件下，都能保持高效率（COP）运行，从而最大限度地降低空调系统能耗，可实现系统综合节能20% 左右，为我国中央空调系统的节能控制提供了一种先进的技术装备，对降低中央空调能耗具有重要的作用。
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&&中央空调节能改造
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节能省电降低成本
中央空调系统的负荷是随天气状况逐渐变化的，在中央空调系统运行的大部分时间内都是工作在部分负荷状态下，但相对于变化的负荷，空调系统中水泵、风机的选型都是根据系统的最大负荷来选择的，同时水泵、风机配用电机的功率往往大于其所需要实际功率。当空调系统处于部分负荷时，水泵、风机还一直运行在工频满负荷状态，这样就造成了电能浪费。中央空调主机系统是一个多参量、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。因此，改善水泵运行工况，使之与使用要求合理统一，提高系统运行效率，具有非常重要意义，而且通常具有比较好的节电条件。最有效的节能措施之一就是采用变频调速技术来调节流量。
中央空调系统
图1所示为一典型中央空调机组系统图，主要由冷冻水循环系统、冷却水循环系统及主机三部分组成：
冷冻水循环系统
该部分由冷冻泵、室内风机及冷冻水管道等组成。从主机蒸发器流出的低温冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道（出水），进入室内进行热交换，带走房间内的热量，最后回到主机蒸发器（回水）。室内风机用于将空气吹过冷冻水管道，降低空气温度，加速室内热交换。
冷却水循环部分
该部分由冷却泵、冷却水管道、冷却水塔及冷凝器等组成。冷冻水循环系统进行室内热交换的同时，必将带走室内大量的热能。该热能通过主机内的冷媒传递给冷却水，使冷却水温度升高。冷却泵将升温后的冷却水压入冷却水塔（出水），使之与大气进行热交换，降低温度后再送回主机冷凝器（回水）。
主机部分由压缩机、蒸发器、冷凝器及冷媒（制冷剂）等组成，其工作循环过程如下：
首先低压气态冷媒被压缩机加压进入冷凝器并逐渐冷凝成高压液体。在冷凝过程中冷媒会释放出大量热能，这部分热能被冷凝器中的冷却水吸收并送到室外的冷却塔上，最终释放到大气中去。随后冷凝器中的高压液态冷媒在流经蒸发器前的节流降压装置时，因为压力的突变而气化，形成气液混合物进入蒸发器。冷媒在蒸发器中不断气化，同时会吸收冷冻水中的热量使其达到较低温度。最后，蒸发器中气化后的冷媒又变成了低压气体，重新进入了压缩机，如此循环往复。
中央空调节能改造前的工况
在中央空调系统设计时，冷冻泵、冷却泵的电机功率是根据最大设计热负荷选定的，并超出10%左右。但由于四季气候及昼夜温差变化和使用量的变化，因而要求中央空调的热负荷也是不断变化的。在日常生活中，中央空调一年中负荷率在50%以下的时间超过了全部运行时间的50%。通常冷却水管路的设计温差可达为5～6℃，而实际应用表明大部分时间里冷却水管路的温差仅为2～4℃，这也就说明在实际中，并不需要这么大流量的水参与循环，就可以满足其热交换，这样无疑就形成了中央空调低温差、低负荷、大工作流量的工况。在没有使用节能系统前，工频供电下的水泵始终全速运行，管道中的供水流量只能通过阀门或回流方式调节，这必会产生大量的节流及回流损失，同时也增加了电机的负荷，白白消耗了许多电能。而中央空调水泵电机的耗电量约占中央空调系统总耗电量的30-40%，故对其进行节能改造具有很明显的节能效果。
节能理论根据
由流体力学理论可知，离心式流体传输设备的输出流量Q与其转速n成正比；输出压力P（扬程）与其转速n的平方成正比；输出功率N与其转速n的三次方成正比，根据数学公式可知，降低水泵的转速，水泵的输出功率就可以下降更多。如将电机的供电频率由50Hz降为40Hz，则理论上，低频40Hz与高频50Hz的输出功率之比为(40/50)3 =0.512。
实践证明，在中央空调系统中接入变频节能系统，利用变频技术改变水泵转速来调节管道中的流量，以取代阀门调节及回流方式，能取得明显的节能效果，一般节电率都在50%左右。同时变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对中央空调的平稳调节，并可延长机组及管组的使用寿命。
节能方案分析
中央空调各循环水系统的回水与出水温度之差，反映了整个系统需要进行的热交换量。因此，根据回水与出水的温度差来控制循环水的流量，从而控制热交换的速度，是首选的节能控制方法。
冷冻水循环系统
冷冻水的出水温度是由主机的制冷效果决定的，通常比较稳定，因此冷冻回水温度可以准确的反映室内的热负荷情况。由此，对于冷冻水循环系统的节能改造，可以取回水温度作为控制目标，通过变频器对冷冻泵流量的自动调节来实现对室内温度的控制。
冷却水循环系统
冷却水循环系统同时受室外环境温度及室内热负荷两方面影响，循环水管道单侧的水温不能准确反映该系统的热交换量，因此以出水与回水之间的温差作为控制室内温度的依据是合理的节能方式。在外界环境温度不变的情况下，温差大，说明室内热负荷较大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水循环的速度；相应的，温差小则减小冷却泵转速。
分别在主机蒸发器回水处、冷凝器出水及回水处安装温度传感器，实时检测管网的温度，以模拟信号（0~10V或者4~20mA）反馈给变频器，通过变频器和PID运算输出相应的频率指令后自动调节水泵转速，从而调节各循环水的热交换速度，最终实现对室内恒温度的控制。
节能空间：根据大量的实践证明，单就中央空调的循环水系统而言，可节能50-60%，而中央空调水循环系统占整个能耗的30-40%；而且循环水系统优化后，中央空调的主机加载率也相应有所下降，因此，经我公司改造后的中央空调节能率在20%以上，这也是我们的承诺。
深圳市宝安区民治民康路东明大厦
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中央空调节能改造方案
作者：kemron
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1.中央空调工作原理
中央空调系统主要由制冷机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、盘管系统和散热水塔组成，其系统结构如:(图1所示)
制冷机通过将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻将冷冻水送到各风机风中的冷却盘管中，由风机吹送冷风达到降温的目的。经蒸发后制冷剂在冷凝器中释放出热量，与冷却循环水进行热交换，由冷却水泵将带来热量的冷却水泵到散热水塔上由水塔风扇对其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气中去。
2.中央空调应用背景
中央空调系统是一个庞大的设备群体，大量的统计结果表明，空调系统所消耗的电能，约占楼宇电耗的40～60%。就任何建筑物来说，选用空调系统都是按当地最热天气时所需的最大制冷量来选取择机型的，且留有 10%～15%的余量，各配套系统按最大负载量配置，这种选择不是最合理的。在组成空调系统的各种设备中，水泵所消耗的电能约占整个空调系统的四分之一左右。早期空调的水泵普遍采用定流量工作，能源浪费非常严重。而实际运行时，中央空调的冷负荷总是在不断变化的，冷负荷变化时所需的冷媒水、冷却水的流量也不同，冷负荷大时所需的冷媒水、冷却水的流量也大，反之亦然。
我们根据中央空调机组运行状态的数据分析，中央空调机组90%的运行时间处于非满负荷运行状态。而冷冻水泵、冷却水泵以及风机在此90%的时间内仍处于100%的满负荷运行状态。这样就导致了“大流量小温差”的现象，使大量的电能白白浪费。 3. 中央空调节能原理
我们知道中央空调的水循环系统主要由冷却水泵和冷冻水泵组成。从水泵的工作原理可知：水泵流量与水泵（电机）转速的一次方成正比，水泵扬程与水泵（电机）转速的两次方成正比，水泵轴功率与水泵转速的三次方成正比（既水泵的轴功率与供电频率的三次方成正比）。根据上述原理可知只要改变水泵的转速就可改变水泵的功率。例如：将供电频率由50Hz降为45Hz，功率只有原来的72.9%。当系统频率在40Hz的时候，功率只有原来的51.2%。
科姆龙公司用于中央空调专用型变频器，通过温度专用接口，直接用来对冷媒水、冷却水的进出口水温进行检测（见图3）并根据实际的温差值控制变频器调整冷冻泵、冷却泵的工作状态（主要是转速），使系统冷媒流量跟随负荷的变化而同步变化，从而在确保中央空调系统能够满足人体对舒适度的要求的前提下，保证空调系统的能效率总是处在最优化的节能运行状态，以此大幅度的降低系统能源消耗。 综上所述，若能采用变频调速技术，当中央空调系统的冷却水泵和冷冻水泵的温差小时，就可降低电动机的转速，从而较大幅度减小电动机的运行功率，便可以实现节能的目的。
4.中央空调节能改造的优点
1)实现了低频低压的软启动，软停车，使运行更加平衡；
2)启动及加速过程冲击电流小，加速过程中最大启动电流不超过1.5倍额定电流，大大减小了对电网的冲击；
3)节能效果显著，据实测，在低速段节能明显，一般可达30%左右，降低运行成本；
4)延长水泵的使用寿命；
5)由于变频器属于高科技产品，因此保护功能强大，而且灵敏，对出现各种故障及时的保护，受更大的损失。
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