一、水泵節(jié)能改造的必要性

中央空調(diào)是大樓用電大戶。空調(diào)的耗電量約占年度電費(fèi)的60%。因此，中央空調(diào)的節(jié)能改造尤為重要。

在設(shè)計中，中央空調(diào)系統(tǒng)必須根據(jù)最熱的天氣和最大負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計裕度為10-20%。然而，事實上，大多數(shù)時候空調(diào)系統(tǒng)不會滿負(fù)荷運(yùn)行，并且有很大的裕量。因此，節(jié)能潛力很大。主制冷機(jī)組可根據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行加載或卸載，而冷凍水泵和冷凍水泵不能根據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，造成很大浪費(fèi)。

水泵系統(tǒng)的流量和壓差由閥門和旁路調(diào)節(jié)。因此，不可避免地會有較大的封閉損失、較大的流量、較高的壓力和較低的溫差，這不僅浪費(fèi)了大量的電能，而且導(dǎo)致中央空調(diào)末端達(dá)不到合理的效果。為了解決這些問題，有必要使水泵隨著負(fù)載的變化調(diào)節(jié)水流并關(guān)閉旁路。

此外，由于水泵采用Y-△啟動方式，電機(jī)的啟動電流是其額定電流的3-4倍，90KW電機(jī)的啟動電流將達(dá)到500安。在如此大的電流沖擊下，接觸器和電機(jī)的使用壽命將大大縮短。同時，啟動過程中的機(jī)械沖擊和停泵過程中的水下垂現(xiàn)象很容易對機(jī)械零件、軸承、閥門、管道等造成損壞。，從而增加了維護(hù)工作量以及備件和備件的成本。

綜上所述，為了節(jié)約能源和成本，有必要對水泵系統(tǒng)進(jìn)行改造。通過市場調(diào)研和了解，采用成熟的變頻器實現(xiàn)節(jié)能，延長電機(jī)、接觸器、機(jī)械零件、軸承、閥門和管道的使用壽命。

這是因為變頻器可以根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵的負(fù)荷變化來調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而在滿足中央空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，冷凍水泵和冷卻水泵可以相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)泵電機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，電機(jī)從電網(wǎng)吸收的電能將大大減少。

降低的功耗△p=P0[1-(n1/n0)3](1)

減小的流量△q=q0[1-(n1/n0)](2)

其中N1是變化的轉(zhuǎn)速，N0是電機(jī)的原始轉(zhuǎn)速，P0是電機(jī)在原始轉(zhuǎn)速下消耗的功率，Q0是電機(jī)在原始轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的水泵流量。

從上述公式可以看出，流速的降低與轉(zhuǎn)速的一階降低成正比，但功耗的降低與轉(zhuǎn)速的三階降低成正比。

例如，假設(shè)原始流速為100單位，能量消耗為100單位，如果轉(zhuǎn)速降低10單位，流速從(2)公式△q=Q0[1-(n1/n0)]=100*[1-(90/100)]=10改變10單位，但是能量消耗從(1)公式△p=P0[1-(n1/n0)3]=100*[1-(90)降低27.1單位

此外，由于變頻器是軟啟動模式，在變頻器用于控制電機(jī)后，電機(jī)在啟動和運(yùn)行時沒有沖擊電流，沖擊電流是影響接觸器和電機(jī)使用壽命的最重要和最直接的因素。同時采用變頻器控制電機(jī)，避免水下垂，大大延長了電機(jī)、接觸器和機(jī)械零件、軸承、閥門和管道的使用壽命。

二、水泵節(jié)能改造方案

中央空調(diào)系統(tǒng)通常分為兩個系統(tǒng):冷凍(中)水和冷卻水(如下圖所示，左半部分是冷凍(中)水系統(tǒng)，右半部分是冷卻水系統(tǒng))。根據(jù)國內(nèi)外最新資料，研究了中央空調(diào)水泵系統(tǒng)閉環(huán)控制改造的許多成功實例，水泵系統(tǒng)的節(jié)能改造方案大多采用變頻器實現(xiàn)。

1.制冷(介質(zhì))水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制

(1)制冷模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制

在該方案中，在確保向終端設(shè)備供應(yīng)冷水流量的情況下，確定冷凍水泵變頻器的最小工作頻率，將其設(shè)置為下限頻率并鎖定。變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水總管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，然后通過溫度控制器設(shè)定的溫度控制變頻器的頻率增減。控制模式是:當(dāng)冷卻水溫度高于設(shè)定溫度時，頻率無限增加。

(2)冷凍水泵系統(tǒng)在制熱模式下的閉環(huán)控制

該模式是中央空調(diào)中熱泵運(yùn)行(即加熱)時冷凍水泵系統(tǒng)的控制方案。與制冷模式控制方案一樣，在確保向終端設(shè)備供應(yīng)冷凍水流量的情況下，冷凍水泵逆變器的最小工作頻率被確定，被設(shè)置為下限頻率并被鎖定。變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水總管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，然后通過溫度控制器設(shè)定的溫度控制變頻器的頻率增減。不同之處在于，當(dāng)冷卻水回流溫度低于設(shè)定溫度時，頻率不會增加。當(dāng)溫度傳感器檢測到冷卻水回水溫度較高時，變頻器的輸出頻率將較低。

空調(diào)變頻控制系統(tǒng)具有上述功能。安裝在冷凍水系統(tǒng)回水總管上的溫度傳感器檢測冷凍水的回水溫度，通過設(shè)置變頻器參數(shù)，可以將系統(tǒng)溫度直接控制在要求的范圍內(nèi)。

此外，鑒于先前改造方案首次運(yùn)行時溫度交換不足的缺陷，逆變器控制系統(tǒng)首次增加了全速啟動功能。通過設(shè)置逆變器參數(shù)，冷凍水系統(tǒng)可以在一段時間內(nèi)完全交換，然后可以根據(jù)冷凍回水溫度無限調(diào)節(jié)頻率。此外，逆變器輸出頻率通過檢測回水溫度信號和溫度設(shè)定值通過PID運(yùn)算獲得。

2.冷卻水系統(tǒng)的閉環(huán)控制

目前，最常見的冷卻水系統(tǒng)改造方案是節(jié)電。該方案還在一定量的冷卻水流出冷卻塔的情況下，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量，當(dāng)中央空調(diào)冷卻水出口溫度較低時，降低冷卻水流量；當(dāng)中央空調(diào)冷卻水出口溫度較高時，增加冷卻水流量，在保證中央空調(diào)機(jī)組正常運(yùn)行的前提下，達(dá)到節(jié)能增效的目的。

大多數(shù)現(xiàn)有的控制方法首先確定冷卻泵逆變器的最小工作頻率，并將其設(shè)置為

下限頻率被鎖定。通過取冷卻管進(jìn)出口溫差和出口溫度信號來調(diào)節(jié)變頻冷卻水泵的頻率。當(dāng)入口和出口溫差大于設(shè)定值時，頻率將無極點地向上調(diào)節(jié)。當(dāng)入口和出口溫差小于設(shè)定值時，頻率將無極點地向上調(diào)節(jié)。當(dāng)冷卻水出口溫度高于設(shè)定值時，將根據(jù)溫差變化調(diào)整頻率。入口和出口溫差越大，變頻器的輸出頻率越高。進(jìn)水和出水之間的溫差越小，變頻器的輸出頻率越低。

通過實際應(yīng)用和演示，冷卻水系統(tǒng)的系列閉環(huán)控制采用與制冷模式下冷凍水泵系統(tǒng)閉環(huán)控制相同的控制模式。

與其他制造商的控制方法相比，其優(yōu)點包括:

1.只需在中央空調(diào)冷卻管的出水端安裝一個溫度傳感器(如圖所示，安裝在冷卻水系統(tǒng)中央空調(diào)冷卻水出口主管的位置B)，簡單可靠。

2.當(dāng)冷卻水出口水溫高于上限設(shè)定值時，頻率將直接增加到上限頻率。

3.當(dāng)冷卻水出口溫度低于溫度下限的設(shè)定值時，頻率將直接降低到較低頻率。然而，通過調(diào)節(jié)冷卻管入口和出口之間的溫差很難達(dá)到這一點。

4.當(dāng)冷卻水出口溫度在下限設(shè)定值和上限設(shè)定值之間時，對冷卻水出口溫度和溫度上下限設(shè)定值進(jìn)行PID計算，實現(xiàn)頻率無級調(diào)速和快速準(zhǔn)確的閉環(huán)控制。

5.節(jié)能效果更加明顯。當(dāng)冷卻水出口溫度低于溫度上限設(shè)定值時，利用冷卻管進(jìn)出口溫差的調(diào)節(jié)方法在節(jié)能考慮范圍內(nèi)不包括出口溫度低的因素，只利用溫差對頻率進(jìn)行無級調(diào)速，利用溫度上限和溫度下限的調(diào)節(jié)方法充分考慮了這一因素，節(jié)能效果更加明顯。通過對多個用戶的市場調(diào)查，平均節(jié)電率提高了5%以上，節(jié)電率達(dá)到20%~40%。

6.它具有首次全速啟動的功能。通過設(shè)置逆變器參數(shù)中的值，水系統(tǒng)可以在一段時間內(nèi)完全交換，以防止系統(tǒng)水流量因開始運(yùn)行時熱交換不足而太小。