一、調水泵節能介紹

1．中央空調運行控制方法分析

中央空調系統設計首先是氣象參數和室內空調設計參數計算冷負荷，按分區結構特點，根據產品樣本選擇相應的設備，組合成一個系統。但空調系統絕大部分時間是在部分負荷的情況下工作。在部分負荷工作的控制方式不合理，系統能效比會大大降低。

從美國制冷協會標準880-56數據可見，平均年負荷在60%左右。

表1 空調負荷的全年分布（%）

現在空調系統在運行調節方式上，風水系統主要是閥門（手動、自動閥門調節），主機利用卸荷方式，而這些方式是犧牲了阻力能耗來適應末端負荷要求，造成運行成本居高不下。

若采用變頻控制，能量的傳遞和運輸環節控制為變水量（VWV）和變風量（VAV），使傳遞和運輸耦合并達到最佳溫差置換，其動力僅為其它控制系統的30~60%，而且節能是雙效的，因為對制冷主機的需求能耗同時下降。

主機采用變頻節能控制，保持設計工況下的制冷劑運動的物理量（如溫差、壓力等）變化，節能較其它調荷方式明顯，如約克（YORK）的YT型離心式冷水機組，配置變頻機組在部分負荷下能效比可降至0.2kw/冷噸，可見變頻控制方式在空調系統中應用前景十分廣闊。

過去在中央空調系統中應用變頻技術為什么推廣難呢？可能是價格太高的原因吧？在變頻技術、計算機自動化控制技術非常成熟的今天，用此技術與暖通空調專業技術相結合，它并不是一門高價的技術，在小功率空調中其經濟性都可承受，在中央空調系統中更不應該成問題：（1）中央空調運行時間更長，節能問題更突出；（2）變頻控制在整個系統中所占的造價比例不高；（3）變頻控制器的容量越大，每千瓦功率單價越低。

中央空調系統采用變頻器是可行的，其投資回收一般在3～12個月，以變頻控制器使用壽命10年計，其凈收益在10倍投資額以上。

2．中央空調調速節能原理

中央空調系統中大部分設備是風機和水泵，是將機械能轉變成流體的壓力能或動能的設備，若流體為液體工質稱其為泵；若流體為氣體工質稱其為風機�？照{系統中的風機、水泵一般在結構上為透平式類。

表2 泵和風機的分類表（按工作原理分）

風機和水泵的理論壓力方程式表示為：

        Hth=1/g(u2cu2－u1cu1)

    對于軸流式

        Hth=1/g(cu2－cu1) (∵u1=u2=u)

    式中，Hth--理論揚程，m；

        cu1、cu2--分別為葉輪進出口處絕對速度的周向分量，m/s。

但由于空氣和水密度相差800多倍，所以升壓也相差800多倍。

在現場，常根據用戶需要改變風機和水泵的流量和壓力，即改變工況點位置，這種以變應變的人工干預稱為調節，因用戶需求的“變化”是絕對的、經常的，而不變化卻是相對的、暫時的，因此調節是一個至關重要的技術。

根據相似定律可知：

注：“o”為變化前參數，H對于風機稱有頭，第四項又稱比例律。

表3 風機、水泵相似工況下參數變化

從管網特性曲線可以看出，一般情況下，風機轉速變化相似工況點連線過原點，由于水泵有靜揚程存在，當轉速變化時，相似共況點連線不通過坐標原點，轉速變化前后工況點亦不再保持相似，所以效率也隨之不再保持不變，也就是說，此時不滿足比例律，如圖2 a、b所示：

在圖2（a）中，no為原轉速，A為原工況點，轉速降低到n1或提升到n2時的工況點分別為B和C。A、B、C均為相似工況點，其連線過坐標原點O，恰好與管網特性線R重合，Hst=0。

在圖2（b）中，Hst>0，轉速變化前后的特性線與管網特性線交于B和C點。

A、B、C是工況點，但不是相似工況點，因此效率也不是相似工況點，實際流量（減少時）的轉速要比按一次方計算轉速高，實際功率比按轉速比二次方計算功率大。

從實際水系統的裝置特性來看，不管是冷卻水系統還是冷凍水（熱水）系統，其進水勢能與出水勢能相差不大。

裝置揚程H=Hz+[(p"-p′)/r]+KQ2,m

式中，Hz-----壓出池液面與吸入液面高度差；

p"、p′----分別為密閉吸入池和壓出池液面處壓力，若是開口池（容器），均為大氣壓力；

K-------與吸入管路、壓出管路等有關的阻力系數；

Q-------體積流量。

在圖3中，分析偏離O點的差值

¤H2高度差在冷凍水密閉管路中接近零，在冷卻水中差距很��；

¤P″、Pˊ在系統中差值小，所以，在空調水系統中作水泵節能分析時，可按相似律作粗略分析，即 H2+（P″-Pˊ）/r趨近零。

所以，在以下分析中，分機水泵的節能均按相似定律計算。

根據相似定律，可作出恒速調節和變速調節的能耗關系。

當風機或水泵穩定工作在工況點A1（Q1，P1）上，當需要減少流量到Q2時，（1）關小閥門開度，使管網曲線R2。值得注意的是：Q2的實現是靠人為節流引起的損失ΔP的代價換來的。（2）采用變速調節，將速度降到n2時，既可滿足流量的要求，其功率降低顯著。

因此，變轉速調節是風機、泵經濟運行的首選方式。

采用變頻調速方式，對普通系列三相異步電動機拖動進行控制，是當前無級調速的主流。它的基本原理如下，當電動機極對數P選定后，運行時改變供電電源F1，就可改變其步轉速n1。當同步轉速n1改變了，電動機轉軸轉速n則隨之而變。采用變頻調速有以下特點：

（1） 從基頻往下調速，為恒轉矩調速方式；

（2） 調速范圍大；

（3） 電動機轉速穩定性能好；

（4） 運行時，電動機轉速接近其同步轉速，運行效率高；

（5） 頻率F1可以連續調節，因此為無級調速方式；

（6） 基本上做到負載需要多少功率，就從電源輸入多少功率。

二、中央空調水泵系統變頻改造模型介紹

因為中央空調系統是由主機、冷凍水、冷卻水等若干個子系統組成的一個較為復雜的系統，所以對每個子系統進行改造時，都要考慮器對整個系統的影響。因此我們在中央空調系統變頻改造時采用了神經元網絡和模糊控制的方法，保證整個系統的最優化運行。

1．冷卻水系統（包括一次及二次系統）：

冷卻水的進出口溫度差為5℃時，空調主機的熱交換率最高，同時為了保證正常供水，還要保證冷卻水的壓力和流量。因此將進口溫度、出口溫度、管網壓力、管網流量等信號輸入控制柜的中央控制器中，由中央控制器根據當前的具體數據計算出所需流量值，確定冷卻水泵投入的臺數及工作頻率，保證能耗最低且系統最優工作方式。

2．冷凍水系統：

為了使空調主機效率最高，應保證冷凍水進出主機溫度差為5℃，同時為了保證供水需求，必須保證冷凍水的壓力和流量，而且必須保證冷凍水的溫度不能過低，避免主機結冰。因此將進口溫度、出口溫度、管網壓力、管網流量等信號輸入控制柜的中央控制器中，由中央控制器根據當前的具體數據計算出所 需流量值，確定冷凍水泵投入的臺數及工作頻率，保證能耗最低且系統最優工作方式。

三、中央空調末端節能改造介紹

1．原中央空調末端簡介

中央空調原末端采用比例閥進行機械式調溫，調節冷凍水入水口閥門的開度，即控制進入熱交換器中冷凍水的流量，風機推動熱交換熱源一方（即空氣），在熱交換器中進行熱交換，從而達到調節冷風溫度的目的，其調節對象為冷源介質�？刂坪唸D如下：

其過程如下：風機盤管出風口處安裝一個溫度傳感器，采樣冷風的實際溫度，并將該信號送給比例閥控制器，比例閥根據實際檢測的溫度與設定的溫度進行比較，自動調節調節熱交換器進水口閥門的開度。實際溫度比設定溫度高則增加閥門開度，實際溫度比設定溫度低則減少閥門開度，以達到調溫的目的。實際上有些末端并不采用自動調節，而是采用人工調節。感覺冷風不夠則增加閥門開度，而且往往不是采用比例調節，而是以檔位方式進行調節。

2．中央空調末端分析

首先，中央空調末端由比例閥控制器調節熱交換器進水口閥門開度的過程中，是以增加進水的阻力來減少流體（冷凍水）在熱交換器中的流動速度，這樣就以浪費一大部分冷凍水的動能來達到調溫，然而浪費的這一部分動能恰恰是中央空調的冷凍泵所給予，冷凍泵電機是要消耗電能，也就是采用比例閥調溫浪費了一部分的電能。

其次，盤管風機是以電機來驅動的，然而電機長期是以滿速運行（即以工頻運行），這樣風機的機械轉動部分易產生磨損，機械磨損之后增加了風機電機的負載，甚至引起電機故障，減少了電機的使用壽命。

最后，有些中央空調末端采用的是開環檔位控制，憑感覺調溫。感覺溫度過高則增加閥門開度，感覺溫度過低則減少閥門開度，該調節方式是人工調節而不是自動恒溫調節。另外比例閥性能不穩定也造成調溫效果不理想。

3．中央空調末端改造

我們現主要針對以上幾個問題對中央空調末端進行如下改造：

將原有的中央空調末端采用比例閥進行機械式調溫改造為變頻器進行電氣調溫。將進水閥門的開度固定，動態調節風機轉速，來達到恒溫調節目的，調節的對象為熱源。其過程如下：風機盤管出風口處安裝一個溫度傳感器，采樣冷風的實際溫度，該信號經溫度變送器轉換為標準的電流信號，送給變頻器，變頻器將實際檢測的溫度與上位機給定的溫度進行PI運算，運算結果給出控制信號，自動控制風機轉速。實際溫度比設定溫度高則增加風機轉速，實際溫度比設定溫度低則減少風機轉速，以達到調溫的目的�？刂葡到y簡圖如下：

中央空調末端經過改造之后，中央空調末端不是通過調節熱交換器進水口閥門開度來調溫而是通過電子方式來調溫，這樣節省了一大部分的電能，而且風機電機不是以滿速運行，盤管風機電機是根據室內的負荷變化有效地調節風機電機的轉速，來調節風量達到調溫目的，這樣既節省了電能，又大大地減少風機的機械轉動部分磨損，增加了電機的使用壽命；同時還消除了各個熱交換器進水口閥門之間的影響。還有在改造之后，風機電機采用交流變頻調速技術后，實現了零電流、零電壓的軟啟動，消除了電機啟動時對電網的沖擊，而且還大大地降低電機運行時的噪音。

4．改造前后比較

改造前

（1）機械調溫效果不明顯。

（2）比例閥性能不穩定。

（3）風機長期處于滿速運行，風機用久易產生機噪音及電能的浪費。

（4）無法實現溫度閉環自動控制

改造后

（1）用電氣調溫，調溫精度高。

（2）響應速度快，調溫動態性能好。

（3）風機經常不處于滿轉速運行，機械損耗小，風機的噪音可降低，風機的用電量可下降。

（4）實現全自動遠程監控及溫度閉環控制。

（5）實現了軟啟動、軟停止，消除了電機啟動時對電網的沖擊，而且還大大地降低電機運行時的噪音。