中央空調變頻節能改造方案
XX 大廈中央空調變頻節能改造方案
一、概況
XX 大廈有 3 臺中央空調。其中 2 臺開利螺桿式冷水機組，型號均為30HXC400B ，制冷劑為 R134a，制冷量為 1366KW(388.4USRT)，蒸發器流量235M3 /H，冷凝器的流量為 284M 3 /H，主機電機功率為 288KW ;配套 3 臺 45 KW冷凍泵，流量 315 M3 /H，揚程 32 米，采用 1 用 2 備的工作方式，冷凍水溫差一般 3℃;配套 3 臺 37KW 冷卻泵，流量 350 M3 /H，揚程 24 米, 采用 1 用 2備的工作方式，冷卻水溫差一般 3℃;另外 1 臺大金螺桿式冷水機組，型號為 CUW200D5Y,制冷量為 680KW(193.4USRT);蒸發器流量 117M3 /H，冷凝器的流量為 141.7M 3 /H，主機電機功率為 144KW;配套 2 臺 30 KW 冷凍泵，流量 200 M3 /H，揚程 32 米，采用 1用 1 備的工作方式;配套 2 臺 30KW 冷卻泵，流量 200 M3 /H，揚程 32 米, 采用 1 用 1 備的工作方式;空調系統全年開機 10 個月，大機組(開利機組)從早上 8：00～下午 6：00，小機組(大金機組)從下午 6：00～凌晨 3:00 ,每天這樣循環開機，每天運行 19 小時，每月 570 小時，空調系系統全年共計運行 5700 小時。從現場調查的數據可以看到，該空調的運行工況偏離最佳工況點運行，主機能耗、水泵能耗增大，對冷凍和冷卻水泵進行變頻節能改造，合理調節水系統流量，使主機運行在最佳工況，保證中央空調系統在制冷負荷變化時，自動跟隨、動態調節，可以有效實現系統和水泵的整體節能。
二、中央空調系統的設計依據
一般來說，中央空調系統的最大負載能力是按照天氣最熱，負荷最大的條件來設計的，存在著很大寬裕量，但實際上系統極少在這些極限條件下工作，根據有關資料統計，空調設備 97%的時間運行在 70%負荷以下波動，所以實際負荷總不能達到滿負荷，特別是冷氣需求量少的情況下，主機負荷量低，為了保證有較好的運行狀態和較高的運行效率，主機能在一定范圍根據負載的變化加載和卸載，但與之相配套的冷卻水泵和冷凍水泵卻仍在高負荷狀態下運行，(泵功率是按峰值冷負荷對應水流量的 1.2 倍選配)這樣會帶來
以下一系列問題：
1. 水流量過大使冷水系統進水和回水溫差降低，惡化了主機的工作條件、引起主機熱交換效率下降，造成額外的電能損失 。
2. 由于水泵壓力過大，通常都是通過調整管道上的閥門開度來調節冷卻水和冷凍水流量，因此閥門上存在著很大的能量損失。
3. 傳統的水泵和電機起停控制不能實現軟啟、軟停、在水泵起動和停止時，會出現水錘現象，對管網造成較大沖擊，增加管網閥門的跑冒滴漏現象。
4. 由于中央空調冷卻水、冷凍水系統運行效率低，能耗較大且屬長期運行，進行節能技術改造是完全必要的。
三.調節水泵轉速的節電原理
采用交流變頻技術控制水泵的運行，是目前中央空調系統節能改造的有效途經，圖一繪出了閥門調節和變頻調速控制兩種狀態比較的水泵功率消耗—流量關系。
圖一 空調水泵流量控制節能示意圖
從上圖中可見用變頻調速的方法來減少水泵流量的經濟效益是十分顯著的，當所需流量減少，如水泵轉速下降到額定轉速的 60%，此時變頻調速比閥門控制更加節能 60% 。當所需流量減少，水泵轉速降低時，其電動機的所需功率按轉速的三次方下降。如水泵轉速下降到額定轉速的 60%即頻率 F=30Hz 時，其電動機軸功率下降了 78.4%，即節電率為 78.4% 。
四、中央空調系統構成及變頻節能改造技術方案
圖二 中央空調系統構成及變頻節能改造示意圖
? 節能系統主要配置：E5-H 系列變頻器、人際界面、KC 智能模糊控制器、電度表計量系統等;
? 實現功能：采用智能模糊控制，根據冷凍、冷卻出回水的溫差和溫度進行自動變頻運行，在滿足冷氣量需求的同時，實現最大限度的節電率;采用RS485 通訊控制，能在人機界面上顯示電動機的實時電參數，如：電動機的功率、電流、電壓、運行頻率、節電率等等，使節能效果一目了然。
? 采用先進的三菱工控產品和智能模糊控制技術改造冷凍水泵和冷卻水泵。
? 冷凍泵、冷卻泵的變頻器采用 1 拖 5 的方式工作，大小機組的水泵均可以在變頻運行的條件下實現較大幅度的節能效果。
圖三 XX 大廈中央空調變頻節能改造系統框圖
圖四 XX 大廈冷凍泵主電路原理圖
圖五 XX 大廈冷卻泵主電路原理圖
采用圖三～圖五的配置，可以保持 1 臺冷凍水泵和 1 臺冷卻水泵可以同時在變頻狀態下運行;也可以切換到工頻狀態運行，在工頻和變頻混合開機時，最多可以同時運行 5 臺冷凍水泵和 5 臺冷卻水泵，這樣配置系統的可靠性大大提高;水泵系統中裝有 1 個電度表，可以實測冷凍和冷卻水泵，分別在變頻和工頻運行時的電能消耗，節電效果一目了然。
? 系統中還有以下功能：
具有水泵高速運行時間的設定和自動運算功能，自動根據當前的水溫和環境，經模糊運算后得出水泵最佳最短的高速運行時間，使其與主機的負荷和現場的制冷效果自動匹配，從而獲得最佳的節電效果。
1 )對冷凍泵進行變頻改造原理
控制原理說明如下：PLC 控制器通過溫度模塊及溫度傳感器將冷凍泵的回水溫度和出水溫度讀入內存，并計算出溫差值;然后根據冷凍泵的回水與出水的溫差值和溫度進行模糊運算，來控制變頻器的轉速，調節出水的流量，控制熱交換的速度;溫差大，說明室內溫度高，應提高冷凍泵的轉速，加快冷凍水的循環速度和流量，加快熱交換的速度;反之溫差小，則說明室內溫度低，可降低冷凍泵的轉速，減緩冷凍水的循環速度和流量，減緩熱交換的速度以節約電能;變頻器的啟動、停止、運行頻率的改變及監控顯示數據如變頻器輸出功率、變頻器輸出頻率、輸出電流，輸出電壓等都是由 PLC 控制器通過 485 通信協議實現的，并且系統能自動進行冷凍泵(冷卻泵)節電率計算。
2 )對冷卻泵進行變頻改造原理
由于冷凍機組進行熱交換時，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，進行降溫冷卻處理后，再送回冷凍機組。因此，對冷卻泵來說，以進水和回水間的溫差作為控制依據，實現進水和回水間的恒溫差控制是比較合理的。溫差大，說明冷凍機組產生的熱量大，應提高冷卻泵的轉速，加大冷卻水的循環速度;溫差小，說明冷凍機組產生的熱量小，可以降低冷卻泵的轉速，減緩冷卻泵的循環速度，以節約電能。
五、我公司配置的中央空調泵系統節能設備的特點
1) 變頻系統采用 ABB-ACS510 系列變頻器,對勵磁電流進行最佳的調整,使電動機的效率得到更大幅度的提高,更進一步實現高效節能;
2) 配備觸摸屏人機介面，操作控制簡捷，各種數據顯示直觀;
3) 配備可編程控制器、4CH 溫度 A/D 模塊、RS485 通信模塊等;
4) 采用先進的智能模糊控制技術，節電效果大幅提高;
5) 智能模糊控制系統不會出現超調現象，同時抗干擾能力很強;
6) 內置瞬時停電再啟動功能及再試啟動功能,在無人看管的情況下,完全自動化運行;
7) 具有寬廣的輸入電壓范圍;
8) 對水泵實現軟停和軟起，可完全消除網管水錘效應;
9) 可隨時調節管路中的壓差，保證在合適的范圍內;
10) 配置靈活，自動化程度高，各種功能(含保護功能)齊全，靈活可靠;
11) 占地面較小，投入少，效率高;
12) 運行合理，電機、水泵、聯軸器的使用壽命將大大提高;
13) 冷凍泵和冷卻泵的年平均節電率在 40 %以上。
六、觸摸屏人機介面的功能
觸摸屏作為圖形操作終端，已成為操作者與其所控制的機器之間的一種完整連接，使用觸摸屏可以增進人和機器之間的關系，從而可不斷提高機器性能，并增加許多新的功能;以其極高的性能價格比在業界得到了廣泛的應用。
圖六 觸摸屏畫面
? 由于采用了智能自動化工控系統，配合通信協議，各種監控數據直接從變頻器中讀出，數據顯示更加準確，且直觀明了，可在觸摸屏上顯示變頻器輸出功率、變頻器輸出頻率、輸出電流，輸出電壓等等(如圖六所示)。
? 具有畫面顯示功能，最多可顯示 500 幅制作畫面，可以全中文顯示和操作，操作者(使用者)按照中文提示可以方便地對設備或系統進行操作(見上圖);
? 具有監視功能，可用數值或條形圖監視并顯示可編程控制器字元件的設定值或現在值;
? 具有數據變更功能，可以變更正在監視的數值;
? 具有報警功能，可以對各種預先設定的條件進行報警。
七、節能改造后的冷水泵變頻節能效果分析
一、 主機制冷時，全年開機10 個月，全年共計運行 5700 小時：
1) 開1 臺45 KW 的冷凍泵和1 臺37 KW 冷卻泵，每天運行 10 小時，每月運行 300 小時，每年可運行 3000 小時，全年可以節約電能=(45 KW+37WK)×3000 小時/年×40 %(節電率)= 98400 KWH
2) 開1 臺30 KW 的冷凍泵和1 臺30 KW 冷卻泵，每天運行 9 小時，每月運行 270 小時，每年可運行 2700 小時，全年可以節約電能=(30 KW+30WK)×2700 小時/年×40 %(節電率)= 64800KWH
3) 系統每年可節約電能= 98400 KWH+64800KWH=163200 KWH
二、電費：1.00 元/ KWH
三、空調系統每年可節約電費=163200KWH×1.00 元/ KWH=163200 元
四、改造后的中央空調機組的實際節電率與天氣溫度等等因素有較大的關系，預計經過變頻改造后水泵平均能節能 40%以上，很快就可收回所有的投資
費用。
五、經過水泵的變頻改造后，由于水系統的運行進行了優化調整，空調主機也會實現 5%~10%的間接節能效果，主要體現在主機電流負載率的降低上。
八、節能設備投資及回收周期分析
1. 包含以上材料、節電系統設計費、安裝調試費、維護管理費、利潤、稅
金的節能設備改造投資為 X 元;
2. 水泵系統每年節約電費=163200 元;
3. 投資回報期=設備總投資費用 X÷每年節約電費 163200≈X 年;
4. 經過 X 個月的節能運行后，即可收回所有的投資費用，而改造后若節電率提高，回收周期將大大縮短。
九、技術改造后對系統設備帶來的好處
對水泵而言，由于大多數的時間都運行在額定轉速以下，使得設備機械部件的磨損如電機軸承的機械磨擦減少，機械部件的使用壽命大大延長，從而也使得中央空調機組設備的維護周期延長，設備的維護費用成倍減少，綜合經濟效益大幅提高。
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由于變頻器采用軟啟動方式，啟動電流得到了有效的抑制，避免了原來降壓啟動帶來的對設備的沖擊，特別是對變壓器的沖擊，為系統設備和變壓器的安全運行提供了有利的技術保障，同時也延長了系統設備的使用壽命。
采用變頻器運行后，提高了機組運行的工作效率，降低了電機的噪聲和溫升，也降低了電機的震動，提高了設備的自動化水平，電氣故障率大大降低，可靠性提高;全中文操作系統，人機界面友好，設備檔次大幅提高。
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十、售后服務承諾保證
1. 為用戶提供優質、快捷的售后服務，實現用戶滿意之工作目標和宗旨。
2. 若出現故障，承諾在 2 小時內響應并及時趕往現場處理，排除故障。
3. 售后服務主要包括以下幾個方面的內容：
1).技術培訓——工程安裝后，我方應組織用戶方有關技術人員進行相關的培訓，以方便用戶進行產品的維護及效益評估工作。
2).產品維護——依據產品生產商提供的相關政策，承諾貳年內免費維護保養(進水、火災、雷擊、人為因素等除外)，貳年后終身產品有償維修保證服務。
3).技術升級——當我公司研發出更新一代的控制系統軟件時，可優惠提供升級服務。
4).客戶回訪——我公司為每一用戶建立客戶檔案，并定期進行跟蹤回訪，了解產品質量狀況及節電效益，及時解決用戶在使用產品過程中存在的問題，同時搜集相關信息以改進服務質量，進一步服務與市場。
4. 保證節能系統設計創新，技術含量高。
5. 保證自動化控制設計系統的合理性及先進性。
6. 我公司保證經過節能改造后，不影響貴方的制冷效果，保證冷凍泵和冷卻泵的年平均節電率在 40 %以上。
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