中央空调节能系统的设计及实现①
颜全生
(深圳职业技术学院深圳518055)
DESIGNINGANDREADIZINGTHEENERGY-SAVINGSYSTEM
FORCENTRALAIR-CONDITIONING
YanQuansheng
(Shengzhenprofessionceltechologycollege,Shengzhen,518055)
ABSTRACTThisaiticleintoducestheprincipleandreal2
izationofthebestenergy2savingmethodforthecooling
watersystemandrefrigeratingwatersystemincentealA
Cairconditioningwhilesatisfyingtherefrigeratingre2
quirement.
KeyWordsEnergy2saving,Inverter,Coolingwater
pump,Refrigeratingwaterpump
摘要本文介绍中央空调系统中的冷却水系统、冷冻水系
统在满足供冷质量的情况下最佳的节能方法、原理及实现。
关键词节能变频冷却泵冷冻泵
1引言
能源的利用情况标志着一个国家科技进步的
水平。在我国大力推广节能产品,禁止使用耗能过
大的设备,提高能源的利用率,以缩短与世界先进
国家的差距,为中国的现代建设提供能源的保证。
在中央空调使用中,它的耗能量是很大的,约
占整个供电部门供电量的40左右。例如一家建
筑面积为8万多平方米综合性的大型医院,有门诊
大楼1栋,住院大楼2栋,中央空调系统有800kW
冷却主机3台,冷冻水泵机组有93kW电机4台,
冷却水泵机组有93kW电机4台,通过对冷冻水泵
机组和冷却水泵机组的变频节能的改造使用11个
月,节约电费41.5万元,为中央空调的节能,创造
了有益的经验。现将其系统组成、设计、实现方法作
一介绍。
2中央空调变频节能的原理系统组成
中央空调进行变频节能系统,需要硬件及软件
技术的组合,利用矢量控制手段将动态过程相应补
偿,恒转矩调压、瞬流干扰负向抑制技术综合使用。
变频调速技术产生的新产品,通过同步跟踪,调压、
调相、调节频率、瞬流抑制于一体,具有:
(1)恒转矩的条件下调节控制电压,限制电
流,使电机负载处于最适当、最小、最省电力的电压
和电流运行状态;
(2)矢量控制和模糊逻辑控制的优化调频技
术,具有最先进通用变频器的全部功能;
(3)由微机采样跟踪,实现功率因数动态补
偿;
(4)瞬流干扰抑制技术,过滤瞬流波动减小其
所造成的损失和干扰。
正是由于这些优势,使中央空调变频节能有实
施的理论依据和进行控制的可行性。其主要应考虑
的因素有:
1)在中央空调设计时为保证在天气温度最高
的情况下能满足要求,所以按最大的负荷设计并有
15左右的富裕量,而平时使用时并不能达到满
负荷,所以存在较大的裕度,其中主机常常可以根
据负载变化自动加载,卸载,而水泵的流量却不能
随主机匹配调节,存在很大浪费;
2)系统的流量压力必须靠截流阀和旁路阀调
节来完成,因此不可避免存在较大截流损失和消耗
大流量高压力主机,以及低流量小温差的现象。不
仅大量浪费电能,而且还可能造成空调冷暖不适的
情形,同时对系统设备带来不利的影响;
3)电机起动电流为额定值的5倍左右。电机在
如此大的电流冲击下,进行频繁的起停,对电机、接
触器触点、空气形状触点带来电弧冲击,同时也会
给电网带来一定的有害冲击。同时起动时带来的机
第15卷第1期
2003年2月
电力系统及其自动化学报
ProceedingsoftheEPSA
Vol.15No.1
Feb.2003
①本文2002年11月6日收到
本文修改稿2002年12月11日收到
械冲击和停止时的承重现象也会给机械传动、轴
承、阀门等带来疲劳损伤。
4)变频技术在现代空调中的使用已成为必然
趋势,因此这不仅能有效改良现代空调系统的工艺
不足,还能大幅降低能耗节省运行成本。因此,在中
央空调系统中安装变频控制系统并设置闭环自动
调节,使节能效果更好。
3中央空调变频系统设计的依据
在我国的南方特别是深圳地区周围,每年空调
开的时间大约10个月左右。这样一年之中,中央空
调系统中的冷却泵机组和冷冻水泵机组都在固定
的大流量下工作。另外由于季节、昼夜和用户负荷
的变化,实际上空调负载在绝大部分时间内比设计
负载低很多,如图1和图2所示。
图1年变化图示
图2日变化图示
可由建筑物的实测得到热负载变化率的情
况。这样,就可以决定水泵流量和压力的最大
(100)设计负载,这样相比,一年中负载率在
50以下的时间占全部运行时间的50以上,一
般冷冻水设计温差为5～7℃,冷却水的设计温差
为4～6℃,在系统流量固定的情况下,全年绝大部
分运行时间温差仅为1～3℃,即在温差低、流量大
的情况下工作,增加了管路系统的能量损失,浪费
了水泵运行的输送能量。一般空调水泵的耗电量占
空调系统耗电的20～30。因此,节约水泵在低负
载时系统供水输出能量具有很重要的意义,所以随
负荷而改变水流量的空调水泵系统就显示出巨大
的优越性,而得到越来越广泛的重视及应用。采用
变频器调节泵的转速可以很方便地调节水的流量,
其节能率通常可达35～50左右。例如水泵的
运行特性如下:
1)水泵的流量与转速的一次方成正比,
Q=n;
2)温差$T与转速一次方成反比,$T=1n;
3)扬程H与转速二次方成正比,H=n2;
4)轴功率P与转速的三次方成正比,P=n3。
它们之间的关系如表1所示。
表1
转速(n)流量(Q)温差($T)扬程(H)轴功率(P)
100100100100100
90901118172.9
80801256451.2
70701454934.3
60601673621.6
50502002512.5
由图3可见该系统节能效果是十分突出的。
图3水泵耗电量变化曲线
·29·电力系统及其自动化学报2003年第1期
4中央空调变频系统的设计
变频系统只涉及冷冻水机组和冷却水机组的
变频调节控制。
4.1冷冻水系统
它的水温取决于蒸发器的设定值,回水温度取
决于蒸发器接收的热量,中央空调冷冻水出的温度
与冷冻水的回水温度设计最大温差为5℃(出水为
8℃,回水为13℃)。现采用在蒸发器的出水管和回
水管上装有检测温度的变送器。再与PID温度调节
器、PLC和变频器组成闭环控制系统,通过冷冻水
的温差来控制,使冷冻水泵机组的转速相应于热负
载的变化而变化,当第一台电机已达到工频时,还
达不到要求时就可起动第二台电机,工频运行,然
后调控第一台电机。这样不断调整控制,使其达到
最佳的效果。
图4冷冻水泵控制方案图
4.2冷却水系统
降低水的温度取决于冷却塔的工作状态,我们
只需控制高温冷却水的温度(冷凝器出水口)即可
控制温差。现采用温度变送器,PID调节器,PLC变
频器组成的闭环控制系统,冷凝器出水温度控制在
T2(例如38℃),使冷却水泵的转速相应于热负载
的变化而变化。同样,当第一台电机已达到工频时,
还达不到要求时,就可起动第二台电机实行工频运
行,然后调控第一台电机,使之达最佳的状态。
图5冷却水泵控制方案图
5系统的特点及效果
变频节能系统由于采用闭环控制,电机按需要
设定温度,使设备容量随时间季节变化,热负荷通
过转速调节能在满足要求的前提下最大限度的节
能,并减少对电网的冲击。由于本系统加入了各种
保护措施,使安全可靠性大大提高。
本系统进行变频节能改造后,一直稳定连续运
行,累计运行了11个月,其数据如表2。
表2
设备名称变频运行时间(小时)电表读数倍率实际耗电量(kW?h)
冷冻水泵变频节能系统5839529840211920
冷却水泵变频节能系统3968345240138080
以电机容量90kW为例,计算其变频节能效
益。
(1)冷冻水泵变频节能效益
实际耗电量5298×4=211920kW;
变频后平均功率2119205839=363kW;
节电率(1-36.990)×100=59.7;
·39·2003年第1期中央空调节能系统的设计及实现
节约费用(90×5839-211920)×0.78=
244660元;
(2)冷却水泵变频节能效益
实际耗电量3452×40=138080kWh;
变频后平均功率1380803968=34.8kW;
节电率(1-34.890)×100=61.3;
节约费用(90×3968-138080)×0.78=
170851元
两项节约费用共计415.511元。由此可见,采
用此系统为用户节约了成本,提高了效益,取得较
好的社会收益。
6结论
本文分析了所设计的中央空调节能系统的原
理,设计方法和经济效益。由于此系统节能效果显
著,不少酒店大厦中央空调的物业管理部门都十分
关注,并不断的加入节能的改造行列,所以前景十
分好。因此会产生较大的影响,为节能做出贡献。
7参考文献
1颜全生,等.智能供水系统的设计与实现.电力系统及其
自动化学报,2002,14(3):60～62
2吴忠智,等.变频器应用手册.北京:机械工业出版社,
1991.
3三菱变频调速器使用手册FR2A500IB(NA)668512C
(0005)RODAL808系列.1991.
4智能型数字调节器使用说明书.2001.
(上接第4页)
4.2.2日负荷预测结果分析
为了便于比较预测结果,我们选用了只有一个
隐层,隐节点数为100的相同输入的BP网来对负
荷进行预测,模糊建模方法采用了是否考虑气象两
种情况,结果如表2。
表2三种方法误差的比较
2002年
一月
日均方根误差的周平均()
本文方法
(考虑气象
因素)
本文方法
(不考虑气
象因素)
BP算法
(考虑气象
因素)
4～10日2.712.912.85
11～17日2.512.702.72
18～24日2.863.012.93
25～31日2.902.892.97
4周平均2.752.882.87
在CART算法对前提空间进行了有效的划分
后,ANFIS网络恰当的描述了气象输入变量和负
荷输出变量之间的关系。气象的考虑提高了准确
率,模糊推理系统以CART算法给出的合理的结
构辨识为基础,以接近人类思维的形式给出两者之
间的关系,在意义上较BP算法更精确,其所用的训
练时间也比BP算法要短。
5结束语
由于电力负荷的原始数据具有很明显的两个
特征即相似性和平滑性,我们根据数据挖掘理论中
的分类和聚类思想构建了Kohonen和BP网的组
合模型来对其进行坏数据的辨识和调整,然后采用
CART算法完成基于软计算的模糊推理系统的结
构辨识任务,构造相应的ANFIS网络进行参数辨
识。所有建模过程完全基于样本数据自动进行,保
证了模型能够客观的反映输入输出数据集之间的
实际关系。本套负荷预测模型已经在浙江省的电力
系统中得到应用,并取得了很好的结果,也说明了
本文建模的有效性。
8参考文献
1KhotanzaA,Afkhami2RohaniR,MaratuklaD.
AAASTLF2ArtificialNeutralNetworkShort2term
LoadForecaster2GenerationThree.IEEETrans.On
PowerSystems,1998,13(4):1413～1422
2袁曾任.人工神经网络原理及其应用.北京:清华大学出
版社,1999.
3Jiaweihan,Michelinekambr.数据挖掘.北京:高等教育
出版社,2001.
4Jyh2ShingRogerJang.ANFIS:AdaptiveNetwork2
BasedFuzzyInInferenceSystem.IEEETransactions
onSystems,Man,andCybernetics,1996,23(3):665～
684
5BreimanL,FriendJH,OlshenRA.Classificationand
RegressionTrees.Belmont(calfornia):Wadsworth
Inc,1984.
6张国江,邱家驹,李继红.基于模糊推理系统的多因素电
力负荷预测.电力系统自动化,2002,26(5):49～53
·49·电力系统及其自动化学报2003年第1期
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