變頻pid中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍冷卻泵可行性分析

1、 變頻器pid控制中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍冷卻泵 可行性分析目錄一、引言2二、 中央空調(diào)系統(tǒng)的工作原理與組成結(jié)構(gòu)3三、中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能原理7四、 中央空調(diào)系統(tǒng)改造方案構(gòu)造11五、中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造控制系統(tǒng)的方案構(gòu)造12六、結(jié)束語14一、引言隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域，在賓館、酒店、寫字樓、商場、住院部大樓、工業(yè)廠房的中央空調(diào)系統(tǒng)，其制冷壓縮機組、冷媒循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風機系統(tǒng)、盤管風機系統(tǒng)等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制熱負荷或新風交換量需求選定的，且留有充足余量。在沒有使用具備負載隨動調(diào)節(jié)特性的控制系統(tǒng)中，無

2、論季節(jié)、晝夜和用戶負荷的怎樣變化，各電機都長期固定在工頻狀態(tài)下全速運行，盡管有的系統(tǒng)采用了閘閥檔板節(jié)流方式，但其能量的浪費仍是顯而易見的。近年來由于電價的不斷上漲，造成中央空調(diào)系統(tǒng)運行費用急劇上升，致使它在整個大廈營運電費成本中占據(jù)越來越大的比例，因此，電能費用的控制顯然已經(jīng)成為經(jīng)營管理者所關(guān)注的問題所在。據(jù)統(tǒng)計，中央空調(diào)的用電量占各類大廈總用電量的60%以上，其中，中央空調(diào)水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的2040%，故節(jié)約低負荷時主壓縮機系統(tǒng)和水泵系統(tǒng)的電能消耗，具有極其重要的經(jīng)濟意義。所以，隨著負荷變化而自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的變頻中央空調(diào)水泵系統(tǒng)營運而生。通過對中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的分析，利用

3、變頻器和pid技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)變頻恒溫循環(huán)水。提高冷卻、冷凍水泵運行效率，變頻恒溫循環(huán)水系統(tǒng)實現(xiàn)了智能化、科學化、節(jié)能化。變頻恒溫循環(huán)水系統(tǒng)主要特點是節(jié)能，可實現(xiàn)節(jié)電20-40；占地面積小，投入少，效率高；具有通用的外部接口端子，可同計算機、plc聯(lián)機，便于實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點；由于是軟啟動和軟停止，不但可以消除水錘效應(yīng)，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減少，減少了維修量和維護費用，并且提高了水泵使用壽命；維護簡便；可以實現(xiàn)無人值守，節(jié)約了人力物力。變頻pid循環(huán)水設(shè)備的主要應(yīng)用場合是冷凍、冷卻水循環(huán)，熱力網(wǎng)水循環(huán)，以及各種流體恒溫控制系統(tǒng)等。恒溫循環(huán)水技術(shù)的實現(xiàn)是通過安裝在管網(wǎng)上的溫度傳感器，把水溫

4、轉(zhuǎn)換成4-20ma的模擬信號，通過變頻器和pid控制，來改變水泵轉(zhuǎn)速。當循環(huán)水量增大時，管網(wǎng)溫度高于設(shè)定值時，變頻器輸出頻率將增大，水泵轉(zhuǎn)速提高，供水量加大，當達到設(shè)定溫度時，水泵的轉(zhuǎn)速恒定，使管網(wǎng)溫度保持在設(shè)定溫度上；反之亦然。系統(tǒng)的控制目的是中央空調(diào)系統(tǒng)管網(wǎng)的溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度值上。二、 中央空調(diào)系統(tǒng)的工作原理與組成結(jié)構(gòu)中央空調(diào)技術(shù)實際上是人工制冷技術(shù)的一種典型系統(tǒng)性應(yīng)用，當前，人工制冷技術(shù)按其補償過程的不同可主要分為蒸汽壓縮式、吸收式、蒸汽噴射式、吸附式四種方法，其中，被廣泛應(yīng)用在中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷方法主要有兩種：（1）蒸汽壓縮式制冷循環(huán) 通過對制冷劑的壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)、吸收等過程

5、來利用制冷劑的液相與氣相之間的相變所產(chǎn)生的熱交換實現(xiàn)制冷目的。（2）吸收式制冷循環(huán) 通過使用兩種沸騰點差距較大的物質(zhì)組成的二元溶液（也稱工質(zhì)對，其低沸騰點組份為制冷劑，高沸騰點組份為吸收劑），利用溶液在一定條件下能析出低沸點組份的蒸汽，而在另一條件下又能吸收低沸點組份的蒸汽這一特性由制冷機系統(tǒng)采用熱能驅(qū)動，通過發(fā)生、冷凝、蒸發(fā)、吸收4個過程來完成制冷循環(huán)吸收式制冷機組。 目前，在中央空調(diào)系統(tǒng)中的制冷壓縮機以速度型的離心式壓縮機和以容積型的螺桿式或活塞式壓縮機的應(yīng)用最為普遍。以蒸汽壓縮式制冷循環(huán)為例，撇開其具體形式上的區(qū)分，中央空調(diào)的制冷系統(tǒng)其制冷循環(huán)過程如圖1所示。圖1 制冷循環(huán)過程原理圖 圖

6、1a中，制冷壓縮機將來自蒸發(fā)器中的低溫、低壓的制冷劑氣體(一般為36)壓縮成高溫、高壓氣體(一般為3540)排入冷凝器中。這些高溫、高壓氣體在冷凝器中通過與冷卻循環(huán)水進行熱交換（冷卻循環(huán)水帶走介質(zhì)排放的熱量）變?yōu)楦邷?、高壓液體(一般為2532)流向節(jié)流膨脹閥，再通過膨脹閥的節(jié)流、降壓來實現(xiàn)高溫、高壓液體向低溫、低壓液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變，由于壓力突然降低，有一部分制冷劑瞬間蒸發(fā)為氣體，即用膨脹閥的節(jié)流作用來實現(xiàn)類絕熱膨脹過程，低溫、低壓液體在蒸發(fā)器中通過與冷凍循環(huán)水的充分熱交換（吸收冷凍循環(huán)水的熱量）后達到蒸發(fā)汽化目的，此時制冷劑又回到低溫、低壓氣體狀態(tài)為制冷劑的再循環(huán)過程做準備。同時也應(yīng)看到當壓縮機抽

7、取制冷劑氣體的同時,也降低了蒸發(fā)器的壓力,使蒸發(fā)器內(nèi)其余的制冷劑在相當?shù)偷臏囟认麓罅空舭l(fā)汽化。在圖1b中，a-b-c-d分別表示了無溫差傳熱的逆卡諾循環(huán)的絕熱壓縮、等溫壓縮、絕熱膨脹、等溫膨脹四個理想過程，而實際上制冷壓縮循環(huán)是如圖1c所示的具有溫差傳熱現(xiàn)象的逆卡諾循環(huán)，圖中的陰影部分表示與環(huán)境介質(zhì)（如冷卻水、冷凍水等）進行熱交換時所存在的溫差效應(yīng)現(xiàn)象。我們知道在三種熱傳遞方式：傳導、對流和輻射中，無論壓縮機采用哪種形式的制冷循環(huán)技術(shù)，其所有冷熱流體之間的熱傳遞方式均主要是通過金屬管壁與流體之間對流換熱及壁的導熱來完成傳熱過程的。根據(jù)換熱量計算方程：q=kam (1 ) 其中：q為換熱量（w）

8、，k為換熱系數(shù)（w/m2.k），a為換熱體面積（m2），m為冷熱流體間的相對流向密切相關(guān)的平均換熱溫差（）。由公式（1）可知，對于特定的中央空調(diào)系統(tǒng)而言，其中的參數(shù)k和a是固定的，我們在不改變其物理結(jié)構(gòu)狀態(tài)和特征的情況下，可通過有效地控制冷熱流體間的換熱溫差來達到獲取最大換熱量的目的，即按需求變化供應(yīng)環(huán)境介質(zhì)量，而不是過分地滿足，這也就是我們對系統(tǒng)進行變頻控制的基本可行性依據(jù)條件之一。 以蒸汽壓縮式制冷循環(huán)機組為例，中央空調(diào)系統(tǒng)其組成結(jié)構(gòu)一般主要由制冷主壓縮機系統(tǒng)、冷媒（冷凍和冷熱）循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、盤管風機系統(tǒng)、冷卻塔風機系統(tǒng)等部分組成，其工藝流程組成結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2 中央空

9、調(diào)系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)流程圖 在冬季需要制熱時，中央空調(diào)系統(tǒng)僅需要通過冷熱水泵（在夏季稱為冷凍水泵）將常溫水泵入蒸汽熱交換器的盤管，通過與蒸汽的充分熱交換后再將熱水送到各樓層的風機盤管中，即可實現(xiàn)向用戶提供供暖熱風。熱水泵向各個房間供給的熱水總流量是根據(jù)安裝熱水供水總管于回水總管上的溫度差來決定的。正確理解中央空調(diào)系統(tǒng)各個部分的作用與工藝流程結(jié)構(gòu)，對于實現(xiàn)變頻節(jié)能改造至關(guān)重要。當制冷主壓縮機系統(tǒng)的實際需求負荷發(fā)生變化時，對冷媒循環(huán)水、冷卻循環(huán)水的需求量也發(fā)生相應(yīng)的變化，正因如此，我們才有實現(xiàn)節(jié)能改造目標的可能和必要的依據(jù)條件，才能從真正意義上實現(xiàn)動態(tài)的“按需分配”控制目標的可能。三、中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)

10、節(jié)能原理對于變轉(zhuǎn)矩負載類型，我們知道水泵、風機類變轉(zhuǎn)矩負載特性滿足流體動力學關(guān)系理論，即以下數(shù)學關(guān)系成立： n1/n2q1/q2 h1/h2(n1/n2)2 p1/p2(n1/n2)3 ( 3 )其中，n、h、q、p分別表示轉(zhuǎn)速、揚程、流量、軸功率，它們之間的關(guān)系曲線如圖3所示。 由公式3可知，由于變轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)速（或流量）與軸功率存在3次方關(guān)系，所以，通常對于負荷經(jīng)常變化的場合可以獲得理想的節(jié)能效果。圖3 流量、揚程、功率三者間的關(guān)系曲線圖 在圖3a中，曲線a1表示工頻定速運行時的h-q關(guān)系，曲線ax表示低于額定速度下的變頻運行時的h-q關(guān)系，從圖3a中可以看出，管網(wǎng)的阻尼隨揚程的降低而減小

11、。曲線r1和r2表示在不同流量下管網(wǎng)呈現(xiàn)的阻力特性，它符合以下公式：h=rq2 （4） 其中h為管網(wǎng)阻力;r為管網(wǎng)流水阻尼系數(shù)。公式(4)表明隨著供給水量的減少管網(wǎng)阻力的損失也呈2次方下降趨勢，從而也降低了系統(tǒng)功率消耗。在圖3b中給出了在不同流量需求下，出口閥檔板節(jié)流方式與變頻調(diào)速方式所消耗的功率變化曲線關(guān)系。它表明了變頻調(diào)速優(yōu)于檔板節(jié)流方式。 依據(jù)公式(3)進行估算，若轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的70%，那么，揚程將下降到額定值的50%。同時，軸輸出功率下降到額定值的35%。在滿足系統(tǒng)基本揚程需求的情形下，若系統(tǒng)的流量需求減少到額定流量的50%時，在變頻控制方式下，其揚程將下降到額定值的25%，其對

12、應(yīng)輸出功率僅約為額定功率的13%。公式3為實施變頻節(jié)能技術(shù)改造提供了理論上的可行性保障空間。那么，如何去判斷系統(tǒng)是否具有節(jié)能潛力就顯得十分重要。判斷的依據(jù)應(yīng)來自兩個方面：首先是泵本身的額定流量與揚程指標和運行時實際輸出表現(xiàn)，其次是系統(tǒng)對實際供水需求量的表現(xiàn)出的溫度差或壓力與機組標準指標之間的偏差程度。因此，應(yīng)實時采集各個測量點數(shù)據(jù)，結(jié)合泵的能力決定對泵所實施的調(diào)節(jié)方向與調(diào)節(jié)幅度。若系統(tǒng)當前實際溫差小于標準允許運行溫差時，就可以判定系統(tǒng)存在流量過剩現(xiàn)象，就可以減少泵的出口流量，但必須注意此時泵的出口揚程也將呈現(xiàn)2次方特性下降，為保障水流暢通，避免出現(xiàn)“悶泵”或“斷流”現(xiàn)象，泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)限定在一定值

13、以上，這個下限轉(zhuǎn)速（對應(yīng)最低供給流量）可以通過對以下兩個方面的綜合判斷來決定。 (1)揚程的富裕度判定 泵的出口揚程等于泵的入口揚程與泵的泵生揚程之和，即： h出=h靜+h動 （5）其中,h靜為泵的入口靜壓;在系統(tǒng)中表現(xiàn)為管網(wǎng)垂直落差高度形成的壓力;h動為泵的凈升揚程，是泵的動能轉(zhuǎn)化為水的勢能的形式，在額定轉(zhuǎn)速下h動就是泵的標稱額定揚程。 對于冷凍循環(huán)水系統(tǒng)，h靜是相對固定值，h動的作用就是要保證冷凍循環(huán)水在管網(wǎng)中能夠水流循環(huán)就可以了，為此，它主要是去消除水在管網(wǎng)中流動時所產(chǎn)生的阻力損失。假定泵的額定揚程為32m，在額定流量下管網(wǎng)的阻力為0.15kg，那么，該泵的揚程富裕度高達50%，若采用變

14、頻調(diào)速驅(qū)動，根據(jù)公式(3)可知，泵只需要70%的額定轉(zhuǎn)速即可滿足此時揚程需求，而此時泵的功率消耗僅約為額定值的35%。 (2)流量的富裕度判定 通常流量的富裕度的判斷是依據(jù)進出水溫差作出的，假定對于冷凝器其標準進出水允許溫差為5時，若實際進出水溫差為3，那么，可以說單從溫差現(xiàn)象角度上看，冷凍循環(huán)水的實際需求量僅為供給量的3/5=60%，在使用變頻調(diào)速時，泵的實際轉(zhuǎn)速只要達到額定轉(zhuǎn)速的60%即可滿足需求，此時泵的能耗僅約為額定能耗的22%。多余的供水量不僅浪費能源，而且也由于熱交換的不充分原因而嚴重地削弱了系統(tǒng)的制冷效果。 通過以上的判定，若兩者對泵的下限轉(zhuǎn)速的計算結(jié)果不一致，為保障系統(tǒng)對流量和

15、揚程最低需求的同時滿足，泵的變頻速度控制依據(jù)應(yīng)選擇對應(yīng)頻率較大值作為此時的控制調(diào)節(jié)運行頻率下限。四、 中央空調(diào)系統(tǒng)改造方案構(gòu)造在現(xiàn)代中央空調(diào)系統(tǒng)中，一般其各項額定指標為：冷凍循環(huán)水的標準進出口水溫度為：12/7，盤管風機最大送風溫差為：1015（一般空氣進出口溫差取8），冷卻循環(huán)水進出水溫度差為：48，冷卻塔標準進出水溫差為：35，用于采暖的熱水進出水溫度為：50/60。由于系統(tǒng)設(shè)備容量選型、不同季節(jié)、不同時間負荷變化等因素的影響，在實際投入運行的中央空調(diào)系統(tǒng)基本上沒有與標準指標相一致的情況，大多數(shù)系統(tǒng)都不同程度存在著溫差偏小、揚程過高、流量過大等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的存在再次為我們實施節(jié)能技術(shù)改造

16、提供了節(jié)能空間保障。(1) 冷凍循環(huán)水系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析一般空調(diào)系統(tǒng)冷凍泵為3臺，2用一備。改造為經(jīng)常運行的2臺加變頻pid閉環(huán)控制，改造分為2種情況：1 當溫度a時一臺水泵低速運行，當溫度大于a時開一臺水泵隨著溫度的升高而逐漸高速運行，當溫度大于b時自動開起兩臺水泵隨著溫度的變化而自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速（其中ba）；2 當溫度a時一臺水泵低速運行，當溫度大于a時開一臺水泵隨著溫度的升高而逐漸高速運行，當溫度大于b時手動開起兩臺水泵隨著溫度的變化而自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速（其中ba）。（2）冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析（同上冷凍循環(huán)水系統(tǒng)）五、中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造控制系統(tǒng)的方案構(gòu)造在對中央空調(diào)系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)總體方案設(shè)

17、計時，我們可以依據(jù)用戶的要求對系統(tǒng)中的各個部分做一個集中式集成化全自動無人監(jiān)守控制設(shè)計。為最大限度地獲得節(jié)能效果，對水泵的控制均采用了“一控一”的變頻控制方式。 (1) 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成 控制系統(tǒng)設(shè)計本著安全可靠、充分滿足用戶使用習慣和維護方便性前提下，實現(xiàn)自動節(jié)能運行?？刂葡到y(tǒng)硬件主要由上位機、plc、變頻器、低壓電器、壓力變送器、溫度變送器、pid儀表等設(shè)備組成。各主要部件功能為：plc部件它主要由電源模塊、cpu模塊、通訊模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、主機架、擴展機架、連接電纜等組成。它是系統(tǒng)的核心部分，負責控制系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的命令動作的執(zhí)行與監(jiān)視、數(shù)值處理與計算

18、、邏輯組合與判斷、通訊處理等功能；低壓電器主要由接觸器、斷路器、熱繼電器、中間繼電器等設(shè)備組成。完成電氣主回路和控制回路的硬連接的功能，實現(xiàn)硬接線線路的可靠、正確連接；變頻器接受來自plc的控制命令和運行頻率指令，實現(xiàn)變頻變壓輸出，達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的；壓力/溫度變送器對現(xiàn)場的循環(huán)水進行壓力、溫度檢測，將這些工藝數(shù)值，變換為標準dc420ma標準的信號送到plc模擬量輸入模塊進行相應(yīng)的數(shù)值處理與計算；人機界面hmi上位機由pc機和組態(tài)軟件構(gòu)成，它完成系統(tǒng)各工藝參數(shù)的設(shè)定、控制命令的發(fā)送、狀態(tài)監(jiān)視、過程數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)記錄、報警與故障報警、報表生成等功能。圖4 閉環(huán)調(diào)節(jié)控制原理圖在圖4a中,以基準壓力需求作為雙閉環(huán)的內(nèi)環(huán)來限定流量輸出調(diào)節(jié)的下限依據(jù)，以實際進出水溫度差與標準允許溫差的偏差值作為外環(huán)來決定每次流量調(diào)節(jié)幅度的大小和單位時間內(nèi)流量調(diào)節(jié)頻度的依據(jù)。圖4b