本文介紹了風(fēng)機、水泵的節(jié)能原理，中央空調(diào)節(jié)能改造的原理和冷凍水、冷卻水的控制方法。
1 引言
改革開放以來，我國國民經(jīng)濟迅速發(fā)展，但是能源工業(yè)的發(fā)展遠遠滿足不了需要，而且相當(dāng)一個時期內(nèi)能源缺口的狀態(tài)不會改觀，因此國家以開發(fā)與節(jié)約并重的能源政策為主。尤其以節(jié)約寶貴的二次能源-電能為主，我國電能最大的用戶是電機，約占50%，其中風(fēng)機水泵的耗電占全部電能的30%。傳統(tǒng)的風(fēng)機水泵的風(fēng)量、水量的調(diào)節(jié)是靠風(fēng)門、節(jié)流閥的調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)量、水量的需要減少時，風(fēng)門、閥的開度減少;當(dāng)風(fēng)量、水量的需要增加時，風(fēng)門、閥的開度增加。這種調(diào)節(jié)方式雖然簡單易行，已成習(xí)慣，但它是以增加管網(wǎng)損耗，耗費大量能源在風(fēng)門、閥上為代價的。并且通常在設(shè)計中，用戶風(fēng)機水泵的設(shè)計容量都要比實際需要高出很多，這樣容易形成人們常說的“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的大量浪費。如果采用調(diào)節(jié)速度的方式來調(diào)節(jié)流量，就可以從根本上防止電能浪費。近年來隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)越來越成熟，因此推廣變頻調(diào)速在風(fēng)機、泵類設(shè)備上的應(yīng)用，對于減少能源浪費具有重要意義。
2 中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造原理
在中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍水泵和冷卻水泵的容量是按照建筑物最大設(shè)計熱負載選定的，且留有余量，而運行情況是一年四季長期在固定的最大水流量下工作，由于季節(jié)、晝夜和用戶負荷的變化，實際空調(diào)熱負載在絕大部分時間內(nèi)遠比設(shè)計負載低，下圖示出某建筑物的實測熱負載率變化的情況，由下圖可見，與決定水泵流量和壓力的最大設(shè)計負載(負載率為100%)相比，一年中負載率在50%以下的小時數(shù)約占全部運行時間的50%以上。一般冷凍水設(shè)計溫差為5～7℃，冷卻水的設(shè)計溫差為4～5℃，在系統(tǒng)流量固定的情況下，全年決大部分運行時間溫差僅為1.0～3.0℃，既在低溫差、大流量情況下工作，從而增加了管路系統(tǒng)的能量損失，浪費了水泵運行的輸送能量。根據(jù)統(tǒng)計分析，一般空調(diào)水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的20～30%，故節(jié)約低負載時水系統(tǒng)的輸送能量，具有很重要的意義，因此，隨熱負載而改變水量的變流量空調(diào)水系統(tǒng)顯示了其巨大的優(yōu)越性，而得到越來越廣泛的應(yīng)用。采用變頻器調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速可以方便地調(diào)節(jié)水的流量，其節(jié)能率通常都在40%以上。
熱負載變化率曲線圖
現(xiàn)從以下幾個方面分述:
風(fēng)機、泵類負載調(diào)速節(jié)能原理
風(fēng)機是用來傳送氣體的機械設(shè)備，泵是用來傳送液體的機械設(shè)備，風(fēng)機與泵都是把電動機的軸功率轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的一種機械，它們的啟動力矩都較小，負載輕，具有很大節(jié)能潛力;二者的結(jié)構(gòu)和工作原理基本相似。
下面以泵類為例對其工作原理及其運行過程進行分析:
(1) 泵類的特性和參數(shù)
純粹用于抽水的功率叫有效功率
有效功率=(1000QH)/(75×60/0.736)=QH/6.11(kW)
式中，Q為流量(m3 /min)；H為總揚程(m)。
設(shè)在揚程內(nèi)1m3的水的重量為1000kg，因此:
泵的軸功率=(有效功率)/ 泵的效率(kW)
電動機輸出功率=(1.05～1.2)×軸功率(kW)
因泵的揚程大小、泵的型號不同，泵的效率不能一概而定，一般標準泵的大致效率曲線如圖所示。
鑒于泵的設(shè)計與制造方面會有誤差，故電機的輸出功率應(yīng)較軸功率計算值有5～20%的裕量，而后根據(jù)流量和揚程求出電動機的功率，流量和揚程特性曲線的圖如下。
一般標準泵的效率 流量和揚程特性曲線
(2) 管網(wǎng)的水阻特性
當(dāng)管網(wǎng)的水阻R保持不變時，水量與過水阻力之間的關(guān)系是不確定的，即水量Q與過水阻力h按阻力定律變化，其表達式為: H=RQ2(Pa)
式中，H—過水阻力，R—水阻系數(shù)。
H=f(Q)關(guān)系曲線為水阻特性曲線，呈拋物線形狀，如圖A所示。由圖A可知，水阻系數(shù)R越大，曲線越陡，即過水阻力越大。
3) 風(fēng)機、泵類調(diào)速控制節(jié)能原理
由流體力學(xué)可知，水量Q與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比。Q/ Qe=n/ne
H/ He=(n/ne)2
P/ Pe=(n/ne)2
式中: Qe—風(fēng)機、泵類的額定風(fēng)(流)量;
He—風(fēng)機、泵類的額定壓力;
Pe—風(fēng)機、泵類的額定功率;
ne—風(fēng)機、泵類的額定轉(zhuǎn)速。
由上面的公式可知，如果泵類的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)水量下降時，轉(zhuǎn)速可成比例下降，此時水泵的軸功率是成立方關(guān)系下降。
另根據(jù)水泵類的特性曲線與水阻特性的關(guān)系曲線也可明顯的看出風(fēng)機、水泵的節(jié)能效果。圖B為風(fēng)機、水泵調(diào)速節(jié)能原理示意圖，圖中曲線H為恒速下的H-f(Q)曲線，其水阻、風(fēng)阻特性曲線R1相交與A點。對應(yīng)的風(fēng)量為Q1。此時風(fēng)機、水泵的軸功率Q1AH1Q圍成的矩形面積成正比。當(dāng)欲使風(fēng)量由Q1減少到Q2使用擋板或閥門時，則新的風(fēng)阻、水阻特性曲線H相交于B點，此時風(fēng)機軸功率與Q2BH2Q圍成的矩形面積成正比。如果采用調(diào)速方法將風(fēng)機、水泵的轉(zhuǎn)速降到n2使對應(yīng)的風(fēng)機特性曲線H與風(fēng)阻特性曲線R2相交于C點。此時與風(fēng)機軸功率成正比的Q2CH3Q圍成的矩形面積顯著減少，說明軸功率下降很多，節(jié)能效果明顯。
圖A 水阻特性圖 圖B 風(fēng)機、水泵調(diào)速節(jié)能示意圖
冷凍水系統(tǒng)控制方式
對于冷凍水系統(tǒng),其出水溫度取決于蒸發(fā)器設(shè)定值，回水溫度取決于蒸發(fā)器接收的熱量，中央空調(diào)冷凍出水溫度與冷凍的回水溫度設(shè)計最大溫差為5℃(例如出水7℃，回水12℃)，現(xiàn)采用在蒸發(fā)器的出水管和回水管路上裝有檢測其溫度的變送器、PID溫差調(diào)節(jié)器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過冷凍水的溫差(例如△T=5℃)控制，即可使冷凍水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負載的變化而變化，具體控制方式如圖下圖所示：
冷凍水泵控制方案
冷卻水系統(tǒng)控制方式
對于冷卻水系統(tǒng), 由于低溫冷卻水溫度取決于冷卻塔的工況, 我們只需控制高溫冷卻水(冷凝器出水)的溫度, 即可控制溫差，現(xiàn)采用溫度變送器，PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng),，冷凝器出水溫度控制在T(例如:37℃),，使冷卻水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負載的變化而變化, 具體控制方式見下圖。
冷卻水泵控制方案
3 結(jié)束語
采用變頻閉環(huán)控制電機，按需要設(shè)定溫度，使設(shè)備儲備容量和隨時間季節(jié)變化的熱負載通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié), 在滿足使用要求下達到最大限度的節(jié)能。以我公司中央空調(diào)系統(tǒng)為例, 我們對部分風(fēng)機、水泵進行改造, 據(jù)統(tǒng)計分析節(jié)電率平均達到了20～50%。另外,使用變頻器還具有以下特點:
(1) 變頻器對電動機的保護功能較好，有過電壓、欠電壓、過電流、接地等保護;
(2) 變頻器運行穩(wěn)定，保養(yǎng)維護簡單、方便;
(3) 變頻器的起動電流較小，對電網(wǎng)的沖擊較少，有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行;
(4) 變頻器中直流電容器的隔離作用使輸入的功率因數(shù)接近于1, 電動機的勵磁無功電流由電容器提供，可節(jié)省30%左右的電網(wǎng)容量。