深圳商務中央空調節能改造原理

一、工程介紹

        深圳中央商務廣場中央空調系統由rt1-rt3及rt4系統組成，rt1-rt3系統由三臺離心主機，4臺55kw冷凍水泵組成，4臺冷凍水泵和4臺冷卻水泵以三用一備的方式運行，其為工頻運行。Rt4系統由一臺里干主機2臺30kw冷卻水泵組成，2臺冷凍水泵和2臺冷卻水泵以一用一備的方式運行，其為工頻運行。由于季節、氣候和用戶的變化，冷氣的用量也不停地變化，工頻運行的冷凍水泵和冷卻水泵卻無法根著冷氣的用量調節冷凍水和冷卻水量，造成電能的極大浪費，因此需對冷凍水泵和冷卻水泵進行節能改造。

二、空調系統構成及工作原理

如圖所示，中央空調系統主要由以下幾個部分組成：

1．冷凍機組：這是中央空調的“致冷源”，通往各個房間的循環水由冷凍機組進行“內部熱交換”，降溫為“冷凍水”。

2．冷卻水塔：用于為冷凍機機組提供“冷卻水”。

3．“外部熱交換”系統：由兩個循環系統組成：

A．冷東水循環系統：由冷凍泵及冷凍水管組成。從冷凍機組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在各個房間內的熱量，使房間內的溫度下降。從冷凍機組流出，進入房間的冷凍水簡稱為“出水”；流經所有的房間后回到冷凍機組的冷凍水筒稱為“回水”

B．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冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進行交換，然后再將降了溫的冷卻水，送回到冷凍機組。如此不斷循環，帶走了冷卻機組釋的熱量.

        可以看出,中央空調系統的工作過程是一個不斷進行熱交換的能量轉換過程.。在這里,冷凍水和冷卻水循環系統是能量的主要傳遞者。因此，對冷凍水和冷卻水循環系統的控制便是中央空調系統的重要組成部分。

        深圳中央商務廣場中央空調的外部熱交換由兩個循環水系統來完成。循環水系統的回水與進（出）水溫度之差，反映了需要進行熱交換的熱量。因此，根據回水與進（出）水溫度之差來控制循環水的流動速度，從而控制了進行熱交換的速度，是比較合理的控制方法。

三、變頻節能的原理

        根據風機（水泵）原理，我們知道風機（水泵）的流量與轉速一次方成正比，壓力與轉速二次方成正比，軸功率與轉速三次方成正比，即

Q2/Q1=n2/n1                      (1)

H2/H1=(n2/n1)²                    (2)

P2/P1=(n2/n1)³                      (3)

      如上圖所示，曲線①為風機（水泵）阻力特性，曲線②為工頻速度下的流量與壓力關系曲線，此時風機水泵工作在A點時，軸功率P1與Q1、H1乘積，即與圖中面積AQ10H1A成正比。若要將流量從Q1降到Q2時，如用風門（擋板），則工作點由A移到C，流量下降，壓力上升，軸功率減少不多；若采用變頻調速，則工作點由A移到B，在滿足同樣流量Q2的情況下，壓力也下降，軸功率大大降低。

        由于設計必須考慮最大用量，裕量普遍大20％以上，假設電機的運行頻率由工頻下調到40Hz，即水流量降為最大用量時的80％，則

P(40)/P(50)=（40/50）³=51.2%

節電率=1-51.2%=48.8%

即使電機的運行頻率由工頻下調到45Hz,即水流量降為最大用量時的90％，節電率=1-P(45)/P(50)=1-73%=27%

四、變頻節能分析

        深圳中央商務廣場中央空調系統中，RT1-RT3系統，4臺55KW冷凍水泵和4臺55KW冷卻水泵均以三用一備的方式運行。設以工頻運行的水泵（工頻泵）提供流量為Qn，則：

4.1一臺水泵變頻運行節能情況

4.1.1當所需流量1.5Qn時

        此時1臺泵工頻運行，提供流量為Qn，變頻泵只需提供50％Qn的流量，則變頻泵的功耗為;55X0.5³=6.875KW

總功耗為：55＋6.875=61.875（KW）----比不變頻時節約功耗48.125KW，節電率43.75％。

4.1.2當所需流量為2.5Qn時

        此時2臺泵工頻運行，提供流量為2Qn，變頻泵只需提供50％Qn的流量，則變頻泵的功耗為：55X0.5³=6.875KW

總功耗為:55+55+6.875=116.875(KW)----比不變頻時節約功耗48.125KW，節電率29.17％。

4.2二臺水泵變頻運行節能情況

4.2.1當所需流量為1.5Qn時

        此時2臺泵都變頻運行，每臺泵只需提供75％Qn的流量，變頻泵的功耗為：55x0.75³=23.2(KW)

總功耗為：23.2x2=46.4(KW)---比一臺泵的功耗都低，比不變頻時（2臺工頻泵）節約功耗63.6KW，節電率57.82％。

4.2.2當所需流量為2.5Qn時

        此時1臺泵工頻運行，提供流量為1Qn，2臺泵變頻運行，每臺變頻泵只需提供75％Qn的流量，變頻泵的功耗為：55x0.75³=23.2（KW）

總功耗為;55+23.2x2=101.4(KW)----比不變頻時節約功耗63.6KW，節電率38.55％。

4.3三臺水泵變頻運行節能情況

4.3.1當所需流量為1.5Qn時

        此時3臺泵都變頻運行，每臺泵只需提供50％Qn的流量，變頻泵的功耗為：55x0.5³=6.875(KW)

總功耗為;6.875x3=20.625(KW)----比一臺泵的功耗都低，比不變頻時（2臺工頻泵）節約功耗89.375KW，節電率81.25％。

4.3.2當所需流量為2.5Qn時

        此時3臺泵都變頻運行，每臺變頻泵只需提供83.33％Qn的流量，變頻泵的功耗為：55x0.8333³=31.83(KW)

總功耗為：31.83x3=95.49（KW）----比不變頻時節約功耗69.51KW，節電率42.13％

4.4變頻節能一覽表

        根據以上計算，可得不同流量下變頻節能改造的節電率（％）如下:

流量 一臺泵變頻    二臺泵變頻      三臺泵變頻        基準

節電率 運行方式 節電率 運行方式 節電率 運行方式

0.7Qn 65.70 1變頻 65.70 1變頻 65.70 1變頻 1工頻

0.8Qn 48.80 1變頻 48.80 1變頻 48.80 1變頻 1工頻

0.9Qn 27.10 1變頻 27.10 1變頻 27.10 1變頻 1工頻

1.0Qn 1工頻 75.00 2變頻 75.00 2變頻 2工頻

1.1Qn 2工頻 83.36 2變頻 83.36 2變頻 2工頻

1.2Qn 2工頻 78.40 2變頻 78.40 2變頻 2工頻

1.3Qn 2工頻 72.54 2變頻 72.54 2變頻 2工頻

1.4Qn 2工頻 65.70 2變頻 65.70 2變頻 2工頻

1.5Qn 43.75 1工頻1變頻 57.82 2變頻 81.25 3變頻 2工頻

1.6Qn 39.20 1工頻1變頻 48.80 2變頻 77.24 3變頻 2工頻

1.7Qn 32.85 1工頻1變頻 38.59 2變頻 72.71 3變頻 2工頻

1.8Qn 24.40 1工頻1變頻 27.10 2變頻 67.60 3變頻 2工頻

1.9Qn 13.55 1工頻1變頻 14.26 2變頻 61.89 3變頻 2工頻

流量 一臺泵變頻 二臺泵變頻 三臺泵變頻 基準

節電率 運行方式 節電率 運行方式 節電率 運行方式

2.0Qn 2工頻 37.5 1工頻2變頻 55.56 3變頻 2工頻

2.1Qn 3工頻 55.575 1工頻2變頻 65.70 3變頻 3工頻

2.2Qn 3工頻 52.27 1工頻2變頻 60.56 3變頻 3工頻

2.3Qn 3工頻 48.36 1工頻2變頻 54.49 3變頻 3工頻

2.4Qn 3工頻 43.80 1工頻2變頻 48.80 3變頻 3工頻

2.5Qn 29.17 2工頻1變頻 38.54 1工頻2變頻 42.13 3變頻 3工頻

2.6Qn 26.13 2工頻1變頻 32.53 1工頻2變頻 34.90 3變頻 3工頻

2.7Qn 21.90 2工頻1變頻 25.725 1工頻2變頻 27.10 3變頻 3工頻

注：實際中，每臺泵都有空載損耗，每臺泵的下限工作頻率一般不低于25Hz，相當于0.5Qn。

五、變頻節能的優點

采用變頻器進行風機水泵的節能改造，優點如下;

1．節省大量的電能。

2．變頻器可軟啟動電機，大大減小沖擊電流，降低電機軸承磨損，延長軸承壽命。

3．調節水泵風機的流量和壓力，可以直接通過更改變頻器的運行頻率來完成，可減少或取消擋板、閥門，大大地提高控制的精度和性能。

4．如采用空調自控系統，實現閉環控制，電機轉速隨季節、氣候和用戶的變化自動調節，最大限度的實現節能控制，節能效率更高。同時，由于實現設備的自動控制和管理，可縮減人員維護，節約人員開支，提高綜合管理水平，減少突發事故的發生和設備損壞，從而帶來潛在效益。