第2章中央空调变流量节能原理与实1.docx
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第2章中央空调变流量节能原理与实1
第2章中央空调变流量节能原理与实现方法
2.1变流虽节能原理与应用
2.1.1变流量节能原理
2.1.1.1变流量节能的基本概念
变流量的含义是流体（液体/气体）在特定管道或风道流通时，其流量是按照某种特定的规律变化的。
采用变流量输送流体的目的是在满足终端负荷需要的前提下，实现输送系统的节能。
一般情况下，液体在管道内流通，输送到预定的负载终端，或者气体在风道内流通，传送到使用的目的地，为了传输的流量满足使用者的要求，必须采用电动机为动力，带动水泵或风机，传输一定流量的液体或气体。
驱动电动机的能源是电能。
当前，我国电力供给都采用三相，50HZ,380V的交流电能驱动电动机，拖动风机和水泵运行，因此，输送的风量和水量都是恒定的，消耗的能源就是电动机所消耗的电能，其数值也是恒定的，这种传输系统通称为定流量系统，因此，这种系统虽然很简便，但是不可能实现节能的。
在许多场合下，由于使用者要求的流体流量不是恒定的，而是在不同时段有不同流量的要求。
为了满足这种要求，可以采用一定的技术手段，使流体的流量按照使用的要求，在不同时段供给不同的流量，这种传输系统就是变流量系统。
变流量和变流量节能的概念已经使用了相当长时期，并不是新的概念，只有采取的技术手段是在不断地进步的。
人们最简单的方法是采用手动调节去实现变流量的，例如在中央空调系统中，新风机组运行采用高速、中速、低速三档，由手动调节新风机组的电动机转速，控制补充的新风量；并联运行的水泵，采用手动调节水泵运行的台数，控制水系统的水流量；并联运行的风机，采用手动控制方法，控制风机运行的数量，也就是控制了风机的风量，这种简单的方法也是可以达到变流量节能。
由于科学技术的进步和科技工作者的辛勤劳动，我国的中央空调系统正普遍地采用变
流量控制技术，实现中央空调系统节能，包括：
中央空调一次泵系统对冷温水泵、冷却水泵和冷却塔风机的变流量控制；中央空调系统中新风系统、变风量系统、一次回风系统、二次回风系统等变流量控制。
这些变流量控制系统普遍采用自动控制技术和变频调速技术，通过控制流量达到节能的目的。
2.1.1.2变流量节能的基本原理
（1）中央空调监控技术的变流量节能原理
在现代建筑的楼宇设备监控系统中，中央空调监控技术占了很大的分量，对中央空调系统进行集中监视、控制和管理。
1）空调设备的监控
空调设备的监控范围是：
空调主机、空气处理机、热源站、送排风系统和变风量末端
设备等。
空调主机的控制主要根据需冷量的要求，控制空调主机运行的台数和启/停的时间。
控制空调主机的同时，也控制了冷温水泵、冷却水泵、冷却塔风机运行的台数和启/停时
间，实现不同时间冷温水量、冷却水量、冷却塔风机风量不相同，也就是步进式的变流量运行，达到节能目的。
2）一次泵冷冻/温水系统的监控
中央空调系统传统设计是一次泵冷冻/温水系统的空调主机侧保持定流量运行，当空
调负荷较轻时，调节旁通阀开度，使负荷侧变流量运行，空调主机侧定流量运行。
这种做法是冷冻水出口的流量允许改变，否则容易损坏空调主机，采用监测冷冻/温水供回水压
差方法来满足使用要求。
由于一部分供水直接流回空调主机，造成冷温水回水温度大幅度波动，不利于主机的运行。
3）二次泵冷冻/温水系统
二次泵冷冻/温水系统中安装了平衡管，空调主机侧是定流量运行的初级泵系统，空调负荷侧是变流量运行的次级泵系统。
次级泵是根据空调负荷的需要采用控制投入运行的
次级泵台数，到达变流量节能运行。
4）冷却塔风机的监控
冷却塔风机一般是采用与空调主机联动控制方法实现变流量运行，按照中央空调主机
的典型配置，投入一台空调主机就投入相对应的一座冷却塔运行。
随着控制空调主机运行台数的不同，投入运行的冷却塔风机数量也不同，从而实现节能运行。
5）新风机组的运行
通过监测新风温度和空调区域内CO浓度，控制风阀的开度，排出等量的空调室内不
卫生的空气。
通过控制排风量的数量来达到节能的目的。
6）排风机的运行
在新风机组向空调区域补充新风的同时，也通过控制排风机风阀的开度，排出等量的空调室内不卫生的空气。
通过控制排风量的数量来达到节能的目的。
7）回风机组的运行
在回风系统中，通过控制新风阀的开度、回风阀的开度和排风阀的开度，达到空调室内卫生标准要求，充分利用回风的能量。
这种控制方式是检测CO浓度为标准，同时控制
各风阀的开度，实现变流量流行，达到节能的目的。
8）变风量空调系统的监控
变风量空调系统通过监测系统送风主干管末端的风道静压，调节风机转速，使系统末端有足够的风量。
当空调区域需要风量增加（减少）时，管道静压降低（升高），传感器
测出静压变化，送给DDC经PI运算后输出控制信号至变频器，变频器按此信号调速，当风量逐步与所需负荷平衡时，静压恢复到原来状态，系统工作在新的平衡点。
这是按照负荷需要供给风量的变流量节能系统。
9）变风量末端装置的调节
变风量末端装置由空气阀、送风口及电动执行器等构成，它是补充室内负荷变化，调节房间送风量，维持室内温度的设备，它是通过室内恒温器直接控制末端装置的空气阀开度来实现的。
既保证空调房间的舒适度，又达到节能的目的。
上述的中央空调监控系统变流量节能都是通过现场安装的各类传感器、变送器检测所
需要的参量，通过DDC系统运算和控制，调节各类阀门、驱动电动机的工作状态，改变输送的流量来实现节能。
据有关专家估算和预测，可以节约电能20%还可以降低中央空调
系统运用管理费用。
（2）中央空调变流量节能控制系统的节能原理
中央空调监控系统并没有对消耗能量最大的设备如空调主机、冷温水泵、冷却水泵、冷却塔风机进行有效的连续的变流量控制，仅维持在台数控制的范围内，虽然能实现节能的目的，但是节能的量值不够。
这是受传统观念和技术局限性的制约形成的，其中空调主机冷温水供水流量在主机侧是否允许变流量运行，这是一个认识上和技术上的关键点。
长期以来，普遍认为这是必须定流量运行的。
近几年来，工程技术的开拓者们，根据压缩式冷水机组和吸收式冷温水机组的技术指标，冷冻（温）水供水流量是允许在一定范围内变化的，大胆尝试冷温水供水变流量运行获得成功，节能效果大幅度提高。
这是计算机技术、
自动控制技术、变频调速技术日新月异进步的必然结果。
1）中央空调拖动系统的特性
中央空调拖动系统的负载是指压缩式冷水机组、冷却水泵、冷冻（温）水泵和冷却塔风机。
压缩式冷水机组是恒转矩负载；水泵和风机都是二次方律负载。
a.恒转矩负载
恒转矩负载的特点是在拖动电动机的不同转速n下，负载的阻转矩Tl基本恒定，即
Tl=常数，负载的阻转矩Tl与转速n的高低无关，负载的功率Pl和转矩Tl、转速n之间的关系式是：
PL=TLn/9550（2.1）
从电动机机械角度出发，电磁功率Pm也可以用机械功率Pl的公式来计算：
Pm=TmTi/9550（2.2）
压缩式冷水机组属于恒转矩负载，当其转速为ni时，消耗功率Pi,当其转速为n2时,
消耗功率为由式（2.2）可得到：
Pi/P2=ni/n2（2.3）
从式（2.3）表明，若ni为额定转速时，Pi就是消耗的额定功率。
也就是说，当压缩式冷水机组运用变频器控制电动机运行频率，降低运行频率就可以节约电能。
b.二次方律负载
水泵和风机都属于二次方律负载，其负载的阻转矩Tl和转速m的二次方成正比，即：
TL=Kn2L（2.4）
式中，Kt是二次方律负载的转矩常数。
负载的功率P■与转速nL的关系式：
-—_____3'一^
PL=TLnL/9550=KpnL（2.5）
式中，Kp为二次方律负载的功率常数。
式（2.5）表明，水泵和风机消耗的功率是与其转速立方成正比的。
当用变频器控制水泵运行时，变频器输出频率为fi,水泵转速为ni,水泵电动机的轴
功率为Ni；变频器输出频率为f2,水泵转速为n2,水泵电动机的轴功率为N,贝U:
Ni/N2=（ni/n2）3（2.6）
同样，风机的变频调速运行时，风机转速为ni,电动机的轴功率为N;风机转速为n2,电动机的轴功率为N2,贝U:
Ni/N2=（ni/n2）3（2.7）
2）冷冻（温）水系统变流量节能原理
中央空调负载需要多少冷（热）量，空调主机就供给多少冷（热）量，这是最节能的系统。
也就是说冷温水流量必须跟踪空调负荷的需要，空调负荷加重时，增加冷温水流量；
空调负载减轻时，减小冷温水流量，这就是冷温水系统跟踪空调负荷变化，实时地改变冷温水流量的变流量节能原理。
3）冷却水系统变流量节能原理
中央空调主机运行时，由于热交换过程产生大量的热量，采用冷却水实时吸收这些热量，带离空调主机，保障空调主机的运行工况。
当空调负荷加重时，空调主机发热量增加，
必须增加冷却水量；当空调负荷减轻时，空调主机发热量减少，可以减小冷却水量，实现冷却水流量实时跟踪空调负荷的变化，既满足空调主机优化运行的工况，又实现变流量节能。
4）冷却塔风机系统变流量节能原理
空调主机冷却水出水的温度和流量都是跟随空调负荷变化的，冷却塔风机系统应将吸
热后的冷却水，通过风机强制吹风降温，使冷却水降温到设定值，再进入空调主机吸收其热量，进入稳态循环。
当空调负荷加重时，冷却水流量增加，转移的热量增加，冷却塔风机的风量必须加大，才能散发冷却水的吸热量；当空调负荷减轻时，冷却水流量减小，转移的热量减少，冷却塔风机的风量必须减小，就能散发冷却水热量。
这就是冷却塔风机系统的风量跟踪空调负荷变化的节能原理。
（3）工业过程变流量节能原理
在工业领域内，广泛采用电动机拖动系统，尤其是像水泵、风机这类设备，只要在使用过程中，实际需要的流量不是恒定的，随时间而变化的系统，就可以用调速技术改变电动机拖动系统的流量，而实现大幅度的节能。
例如：
在钢厂的高炉冲渣系统是利用水的冲力来排送高炉的炉渣，排渣工作是间隔进行的，就可以采用时间程序和变流量方法去实现，冲渣期间按最大流量工作，非冲渣期间保持最低水量，实现节能；在冶炼厂烟化炉鼓风机运行时，每天都有4h〜6h待料时间，且在烟化送风期各时间段内所需送风量也不相同，这是典型的变化量系统，可以按需要，使风机调速运行实现节能；在石化厂导热油系统中，
利用变频调速技术，控制导热油泵的流量，满足生产过程需要，又实现节能；在发电厂的送风机、吸风机、给水泵、循环水泵都是在运行过程中，流量是变化的，采用变频调速技术和自动控制技术就能变流量的传输实现节能。
在工业应用范围很广泛，只要采用电动机拖动的系统，其工作状态不需要恒定的，就可以综合计算机技术、自动控制技术、变频调速技术加以解决，实现节能。
2.1.2变流量节能原理在工业过程的应用
2.1.2.1高炉冲渣系统变流量节能原理的应用
高炉冲渣系统是利用水的冲力来排送高炉的炉渣，冲渣泵电动机6000V/450kW。
由于
冲渣工作是间隔进行的，在不冲渣时需维持少部分水流，在冲渣时按最大流量工作。
因冲
渣是有规律运行的，采用变频器调速运行方式，使水泵在冲渣期间工作在50HZ，即最大流
量工作，非冲渣期间水泵工作频率降低为30Hz,维持最小流量工作。
每天水泵在50时频率
下工作12h,电动机工作电流30A;每天水泵在30Hz频率下工作12h,电动机工作电流5A。
与每天都工作在50HZ状态相比较，每年节约用电量1.14x106kWh,节约电费74万元。
同时节约了大量的生产用水，水泵的故障大大降低，冲渣管道寿命大大延长。
2.1.2.2冶炼厂烟化炉鼓风机变流量节能原理的应用
冶炼厂烟化炉是铅锌密闭鼓风机炉烟化处理含锌炉渣，回收金属锌（次氧化锌）的工艺炉，配置3台鼓风机（1台工作，2台备用）分别由3台500kW电动机驱动。
由于烟化炉为间断吹炼工艺，每天有4h〜6h待料时间，且在烟化送风期的各时间段内所需风量也不相同，在没有调速装置时，风机照常运行，现场操作是通过调节放空阀门排空，造成很大的浪费。
通过加装变频器对烟化鼓风机的运行参数进行控制，使其在不同吹炉过程，提供不同的风量。
风机在额定转速运行时，每小时耗电量为440kWh,风量为1500m3/h,在具
体的吹炼过程中：
进渣前，需送风量（8000〜10000）nf/h,历时5min；
3进料时，需送风量（10000〜11000）m/h，历时（20〜40）min；
3吹炼时，需送风量（12000〜15000）m/h，历时（90〜100）min；放渣时，需送风量（10000〜12000）m/h,历时（15〜20）min；待料时，不需送风，历时（4h〜6h）,可节约电能1750kWh=每炉吹炼节能：
进渣前节约电能28.7kWh，进料时节约电能144.5kWh,吹炼时节约电
能188.8kWh，放渣时节约电能77.7kWh，每炉吹炼节约电能累计439.7kWh。
每天吹炼8
炉，累计节约电能5267.6kWh。
全年按215工作日计，全年节约电能11.3X104kWh节约
电费69.1万元。
2.1.2.3石油厂导热油系统变流量节能原理的应用
导热油系统是利用导热油为热载体进行加热的方法，它以一个大型加热炉加热载体，然后再通过以再沸器、加热器的传导方法来加热各物料。
导热油系统中有3台610kW高压
导热油泵，为整个系统导热油的循环换热提供动力。
正常生产时，对导热油温度和流量必须准确控制，温度由加热炉调节，流量依靠2台导热油泵出口电动阀及加热炉后回流量阀
共同调节。
正常的导热油用量为1300t/h，单台导热油泵的额定流量为1100t/h，但2台
导热油泵同时运转的满载流量可达2200t/h,远远超过需用量，只能靠导热油泵出口电动
阀将流量控制在1500t/h左右。
经加热炉加热，温度到达要求值后，其中1300t/h流经再沸器及加热器换热，多余的200t/h左右的导热油直接回流。
因此，导热油系统的能量损耗很大，一是导热油泵电动阀的出口节流损失很大；二是200t/h左右的导热油回流造成
导热油泵功率浪费；三是直接回流的导热油是加热炉加热之后，增加了加热炉的能耗。
针对上述导热油系统存在的问题，在系统中使用2台大功率变频器驱动2台导热油泵
同时运转，以转速变化调节导热油用量，取代原电动阀及回流阀的调节作用，不但可以节约大量电能，还可降低加热油的能耗，减少设备故障，提高导热油系统运行的经济性和稳定性。
采用变频调速技术运行，满足导热油的温度和流量，各项费用每年共节约233万元。
2.1.2.4变流量节能在发电厂的风机和水泵的应用
（1）送风机、吸风机
送风机是用来为锅炉燃烧提供空气的动力设备，吸风机则是将锅炉燃烧产生的高温烟
气经电除尘装置排除的动力设备，二者都是电厂的主要辅机。
通常，125MW/200MWI组配
置离心式、带有入口导向叶片的送风机（560kW2台，吸风机（800kW2台；300MW几组
配置动叶调节、轴流式送风机（1250kW2台，静叶调节、轴流式吸风机（1900kW2台。
送风机和吸风机的运行方式是随机组长期运行。
由于机组负载经常变化，为了保证锅炉炉膛负压、烟气氧量及相应的气温、气压的稳定，需要及时调整送风量、吸风量及煤粉量。
在200M叫下机组，一般采用调整入口导向叶压的方式，这种叶片节流损耗为30%
在300MW机组以上，一般采用调整动叶、静叶片实现的，这种方式耗能20%
采用变频器拖动送风机和吸风机完全消除叶片的截流，利用热工一次测量元件，采集锅炉炉膛负压、氧量等参数的变化值，转换成标准的模拟量（4m/V20mA）给定指令信号，
反馈给变频器。
变频器通过给定值与测定值相比较，调节输出频率，自动控制风机的转速，
使送风机、吸风机满足使用要求，又实现节能，节能超过30%
（2）循环水泵
循环水泵是为机组凝气器系统设备提供冷却水的动力设备。
循环水泵随机组长期连续
运行，通常是1台运行，1台备用，1台检修，并且定期切换运行，如果同时停运，必然导致机组停运，甚至可能造成恶性事故。
随着机组负载及季节的变化，为了保持机组合理运行，需要的冷却水量是不同的。
通常，冬季单台泵流量偏大，夏季单台泵流量不足，需要2台泵短期同时运行。
另外，由于机组的负载60粉70%之间，负载偏低。
这样，造成了
冷却水浪费十分严重。
这种变流量设备采用1台变频器拖动2台循环水泵同时运行，运用模糊协调控制，采集汽轮机调节级压力、大气压力、真空度、循环水泵系统压力以及泵出口水温度、入口水温度，经协调控制系统处理，输出4m冬20mA勺速度给定指令信号给变频器，实现泵转速
的自动调节，节约大量电能。
2.2中央空调系统变流虽节能原理
中央空调系统主要由空调主机、冷温水控制设备、冷却水控制设备和冷却塔风机控制设备组成。
本节阐述的内容不包含楼宇设备自动控制系统所包含的中央空调监控系统，可以说本节的变流量节能并不影响中央空调监控系统的节能，仅阐述四大组成部分的节能。
2.2.1中央空调主机节能原理
2.2.1.1压缩式冷水机组
（1）活塞式冷水机组大多数是多机头，可以手动或自动控制机组投入的数量，实现冷量调节，这种调节大多数都是步进式的。
（2）螺杆式冷水机组具有能量调节机构，可以实现能量在25吩100泌围内的无级调
速，有些型号的机组能量调节范围甚至高达15粉100%
（3）离心式冷水机组也具有能量调节机构，有些型号的机组具有变频驱动装置，始终
保持最佳效率，能量调节范围高达10粉100%
2.2.1.2吸收式冷温水机组
直燃型漠化锂吸收式冷温水机组（简称直燃机）是靠燃油或燃气来制冷或制热的，它
也有能量节功能，根据制冷（热）量的需求，自动控制燃烧火焰为大火、小火或熄火状态,
从而到达节能的目的。
从目前国内已安装的中央空调节能系统来看，对于各类空调主机是采取优化运行工
况，从而达到节能。
还未见加装变频器运行的主机，其主要原因是大功率变频器价格昂贵，
业主受经济条件限制，不愿意在这方面进行投资。
优化空调主机运行工况后，压缩式冷水机组可以节约电能10%吸收式冷温水机可节省燃料10吩30%这也是十分可观的数据，
今后应深入对空调主机节能机理再深入试验和研究。
2.2.2冷温水系统变流量节能原理
对冷温水泵加装变频器，即安装功率容量相匹配的变频器拖动冷温水泵的运行。
保障空调主机冷温水供水温度的基础上，检测冷温水回水温度，将冷温水回水温度设定值与实测值进行比较，在规定的采样周期内，计算出冷温水回水温度实测度与设定值的偏差和偏差变化率，将这些量送入模糊控制器进行运算，实时调整变频器运行频率，使实测值趋近于设定值。
当检测到冷冻水回水温度高于设定值时，意味着空调负荷加重，变频器拖动水泵运行频率升高，加大冷冻水供水流量，满足空调负荷需要时，冷冻水回水温度将降至设定值；当检测到冷冻水回水温度低于设定值时，意味着空调负荷减轻，变频器拖动水泵运行频率降低，减小冷冻水供水流量，满足空调负荷需要时，冷冻水回水温度将上升到设定值。
对温水回水温度的控制过程与冷冻水回水温度控制过程是相同的，不再重述。
2.2.3冷却水系统变流量节能原理
安装功率容量相匹配的变频器拖动冷却水泵的运行。
设定冷却水进水温度和冷却水出
水温度，检测冷却水出水温度，将冷却水出水温度实测值与设定值进行比较，在规定的采样周期内，计算出冷却水出水温度实测值与设定值的偏差及偏差变化率，将这些量值送入模糊控制器进行计算，实时调节变频器运行频率，使实测值趋近于设定值。
当检测到的冷却水出水温度高于设定值时，意味着空调负荷加重，变频器拖动冷却水泵运行频率升高，加大冷却水进水流量，满足空调负荷需要时，冷却水出水温度将降至设定值；当检测到冷却水温度低于设定值时，意味着空调负荷减轻，变频器拖动冷却水泵运行频率降低，减小冷却水进水流量，满足空调负荷需要时，冷却水出水温度将上升到设定值。
2.2.4冷却塔风机系统变流量节能原理
安装功率容量相匹配的变频器拖动冷却塔风机，设定冷却水进水温度值，检测冷却水进水温度，将冷却水进水温度实测值与设定值相比较，在规定的采样周期内，计算出冷却水进水温度实测值与设定值的偏差及偏差变化率，将这些量送入模糊控制器运算，实时调节变频器运行频率，使实测值趋近于设定值。
当检测到冷却水进水温度高于设定值时，意味着冷却塔风机的风量过小，必须提高冷却风机转速，加大冷却塔风机的风量，直到冷却水进水温度降至设定值；当检测到冷却水进水温度低于设定值时，意味着冷却塔风机的风量过大，必须降低冷却塔风机转速，减小
冷却塔风机的风量，使冷却水进水温度回升到设定值。
2.2.5中央空调系统变流量节能原理
对中央空调系统进行控制，实现节能效果的做法，在国内有多种多样，有些是按照操作者积累的实践经验去控制的，有些是强调其一个侧面去控制的，当然国内也有少数企业进行过仔细研究和试验提出控制方案的。
将中央空调系统看作是一个完整的系统，而其他组成部分看作是一个个子系统去全面考虑系统控制和系统节能是比较恰当的。
这样，就不会在强调某一个侧面时，忽略了其他方面给系统运行时带来的不利影响。
作为变流量节能控制系统应将各子系统运行的安全性和可靠性放在首位，因为不管某
一个子系统的故障都会影响系统的运行，而且系统设备昂贵，更不能出现设备损坏的现象。
空调主机是应该受到重点保护的对象，其一是运行工况必然满足空调主机的要求，应在它允许的范围内去运行；其二是保护措施必须有效和严格控制设置的参数；其三是运行策略必须实现最优化的节能数值。
从变流量节能控制角度出发，空调主机的冷冻水供水温度不能设置过低，热水供水温度不能设置过高；空调主机的冷温水供水最小流量绝对不能超过该主机规定的数值范围；空调主机冷却水进水温度和出水温度都必须受到控制，进水温度不能过低，出水温度不能过高；空调主机运行状态不宜频繁改变，因此控制策略编制必须仔细。
冷温水节能控制子系统、冷却水节能控制子系统和冷却塔风机节能控制子系统的节能控制都必须围绕空调主机而进行。
冷温水节能控制子系统必须设置冷温水供水温度、冷温水回水温度、冷温水变频器运行频率上限值和下限值、冷温水节能控制的保护参数；冷却水节能控制子系统必须设置冷却水进水温度、冷却水出水温度、冷却水变频器运行频率上限值和下限值、冷却水节能控制的保护参数；冷却塔风机节能控制子系统必须设置冷却水进水温度、冷却塔风机变频器运行频率上限值和下限值、冷却塔风机自动开机的冷却水进水温度和自动停机的冷却水进水温度、冷却塔风机节能控制的保护参数。
具体地说，制冷时设置是空调主机冷冻水供水温度的典型值为7C,冷冻水回水温度
的典型值为12C,冷冻水供回水温差为5C;冷却水进水温度的典型值为32C,冷却水出水温度的典型值为37C;设定冷温水泵、冷却水泵和冷却塔风机变频器运行频定上限值45出下限值为30电制热时，空调主机热水供水温度的典型值为45C,回水温度的典型
值为40C，冷温水泵变频器运行频率上限值为45Hz、下限值为30仕。
系统正常起动后，由现场安装的温度传感器和变送器、流量传感器和变送器、压差传感器和变送器、智能电能表等将检测的数据传送给智能I/O模快，通过实测值与设定值相
比较，计算出该量值的偏差和偏差变化率，通过模糊控制运算，实时调节变频器的运行频率，满足系统负荷的需要。
其中，检测的冷温水回水温度，用于控制冷温水
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