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中央空调系统水泵变频改造技术

随着变频技术和自动控制技术的发展和普及，在空调系统中应用变频调速技术已经相当普遍。如何选择变频控制思路是一个值得探讨的问题，如果选择不合理可能会起不到应有的效果甚至会影响到空调系统的正常使用。

变频技术的日益成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量；采用变频调速技术不仅能使商场室温维持在所期望的状态，让人感到舒适满意，可使整个系统工作状态平缓稳定，更重要的是其节能效果高达30%以上，能带来很好的经济效益。

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节能改造的必要性
中央空调是大厦里的耗电大户，每年的电费中空调耗电占60% 左右，因此中央空调的节能改造显得尤为重要。
      由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留10-20%
设计余量，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，存在较大的富余，所以节能的潜力就较大，其中，冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节，存在很大的浪费。
      水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成，因此，不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能，而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。为了解决这些问题需使水泵随着负载的变化调节水流量并关闭旁通。
      再因水泵采用的是Y- △起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的3 ～ 4倍，一台90KW的电动机其起动电流将达到500A
，在如此大的电流冲击下，接触器、电机的使用寿命大大下降，同时，起动时的机械冲击和停泵时水垂现象，容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、备件费用。
采用变频器控制能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整水泵电机的转速，在满足中央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵和冷却水泵作出相应调节，以达到节能目的。水泵电机转速下降，电机从电网吸收的电能就会大大减少。
其减少的功耗 △ P=P0 〔 1-(N1/N0)3 〕（1）式
减少的流量 △ Q=Q0 〔 1-(N1/N0) 〕（ 2 ）式
      其中N1为改变后的转速， N0为电机原来的转速， P0为原电机转速下的电机消耗功率， Q0为原电机转速下所产生的水泵流量。由上式可以看出流量的减少与转速减少的一次方成正比，但功耗的减少却与转速减少的三次方成正比。如：假设原流量为100个单位，耗能也为100个单位，如果转速降低10个单位，由（
2 ）式△ Q=Q0 〔 1-(N1/N0) 〕 =100 ＊〔 1-(90/100) 〕 =10可得出流量改变了10个单位，但功耗由（ 1 ）式△
P=P0[1-(N1/N0)3]=100 ＊〔 1-(90/100)3 〕 =27.1可以得出，功率将减少27.1个单位，即比原来减少27.1% 。
      再因变频器是软启动方式，采用变频器控制电机后，电机在起动时及运转过程中均无冲击电流，而冲击电流是影响接触器、电机使用寿命最主要、最直接的因素，同时采用变频器控制电机后还可避免水垂现象，因此可大大延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。
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中央空调系统构成及工作原理

1、冷冻机组：通往各个房间的循环水由冷冻机组进行“内部热交换”作用，使冷冻水降温为5~7℃。并通过循环水系统向各个空调点提供外部热交换源。内部热交换产生的热量，通过冷却水系统在冷却塔中向空气中排放。内部热交换系统是中央空调的“制冷源”。
2、冷冻水塔：用于为冷冻机组提供“冷却水”。
3、“外部热交换”系统：由两个循环水系统组成：
⑴、冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻管道组成。从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在各个房间内进行热交换，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。
⑵、冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻机组进行热交换，使水温冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高，冷却泵将升了温的冷却水压入水塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水，送回到冷冻机组，如此不断循环，带走冷冻机组成释放的热量。
4、冷却风机
⑴、室内风机：安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷冻水冷却了的冷空气吹入房间，加速房间内的热交换；
⑵、冷却塔风机用于降低冷却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。
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水泵变频技术探讨
1、中央空调系统，装机功率分布

2、辅机改造尤其是水泵的节能改造被很多从事节能企业看好
　　2.1.中央空调系统水泵部分确实有改造空间。
　　2.2.国家有关部门对变频改造的政策支持力度加大。
　　2.3.高昂的运行费用给用户的压力，也促使企业有了改造的动力。
　　2.4.存在的问题是：有些节能企业并不了解中央空调水系统的特点，一味夸大变频改造的效果。
3、扬程富余是目前中央空调水系统的普遍现象
　　3.1.开式系统和闭式系统水泵扬程的作用是不一样的。
　　3.2.设计者一般对水系统要求的流量会进行比较仔细的计算，对扬程的要求按照水泵现成资料来取的为多。
　　3.3.老的水泵选型资料对大流量的水泵扬程一般都比较高。
　　3.4.有些暖通空调设计者对自己的设计的不自信。

4、中央空调系统水泵杨程的计算
　　4.1.冷水机组阻力：由机组制造厂提供，一般为60~100kPa。（采用板式换热器的设备在120kPa左右）
　　4.2.管路阻力：包括磨擦阻力、局部阻力。
　　4.3.空调未端装置阻力。
　　4.4.冷却塔部分的阻力。不管系统的大小，其实中央空调循环系统的水阻相差不大，一般在0.15Mpa—0.25Mpa之间。
　　在现实设计中，扬程普遍偏大，主要原因有：
　　a.过大估计了水系统沿途的各种配件的阻力。
　　b.相互套用设计参数。
　　c.对自己设计不自信，总认为大点保险。
　　扬程设计偏大，在使用中水泵电机功率因数很低，水泵电机电流比额定电流偏小。为水泵变频改造提供了空间。

5、水泵变频的基本原理
　　5.1.P(功率)=Q(流量)╳H(压力)
　　5.2.流量Q与转速N的一次方成正比
　　5.3.压力H与转速N的平方成正比
　　5.4.功率P与转速N的立方成正比
　　5.5.变频的主要目的是通过改变水泵的频率，降低水泵转速，提高水泵的功率因数以达到节能的目的。

6、水泵的变频会损失大量流量
　　1.由于设计扬程偏大，水泵的功率因数会很低（50%-60%）
　　2.变频器是按照监控水泵功率因数来决定变频的比例。
　　3.自动运行变频器的时候，基本变频的比例都在30%
　　4.同时损失的30%流量就对系统的使用带来了问题。

7、中央空调系统水泵改造的出路
　　1.既然原设计扬程偏大，那就调换一个水泵。
　　2.调换没有现成的规格时，进行水泵泵体的改造。

8、水泵泵体改造的办法
　　决定水泵送水流量的关键是水泵叶轮的泵水槽宽度。
　　决定水泵扬程的关键是水泵叶轮的外径和泵壳的间距。

9、水泵节能改造的办法
　　通过对水泵也轮本身的改造或者从配达到需要的流量和扬程。
　　无需改变水泵原有安装管道，在确定达到流量和扬程要求后根据电机的实际运行电流选配新的电机。
　　一般情况下，电机改小的比例30%。

10、中央空调系统节能改造的方向
　　1.大型离心机组的变频改造。
　　2.水泵的节能改造。
　　3.冷却塔风机的节能改造。
　　4.中央空调运行智能化改造。
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中央空调系统进行变频改造的优点
变频节能改造后除了可以节省大量的电能外还具有以下优点：

1 、只需在中中央空调冷却管出水端安装一个温度传感器（如图，安装在冷却水系统中中央空调冷却水出水主管上的B处），简单可靠。

2 、当冷却水出水温度高于温度上限设定值时，频率直接优先上调至上限频率。

3 、当冷却水出水温度低于温度下限设定值时，频率直接优先下调至下限频率。而采用冷却管进、出水温度差来调节很难达到这点。

4 、当冷却水出水温度介于温度下限设定值与温度上限设定值时，通过对冷却水出水温度及温度上、下限设定值进行PID计算，从而达到对频率进行无极调速，闭环控制迅速准确。

5 、节能效果更为明显。当冷却水出水温度低于温度上限设定值时，采用冷却管进、出水温度差来调节方式没有将出水温度低这一因素加入节能考虑范围，而仅仅由温度差来对频率进行无极调速，而采用上、下限温度来调节方式充分考虑这一因素，因而节能效果更为明显，通过对多家用户市场调查，平均节电率要提高5
％以上，节电率达到20 ％以上。

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