1引言

改革開放以來，我國國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，但是能源工業(yè)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需要，而且相當(dāng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)能源缺口的狀態(tài)不會(huì)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(jī)，約占50%，其中風(fēng)機(jī)水泵的耗電占全部電能的30%。傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)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(shí)，風(fēng)門、閥的開度減少;當(dāng)風(fēng)量、水量的需要增加時(shí)，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(fèi)大量能源在風(fēng)門、閥上為代價(jià)的。并且通常在設(shè)計(jì)中，用戶風(fēng)機(jī)水泵的設(shè)計(jì)容量都要比實(shí)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(fèi)。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(fèi)。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(jī)、泵類設(shè)備上的應(yīng)用，對(duì)于減少能源浪費(fèi)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(jì)熱負(fù)載選定的，且留有余量，而運(yùn)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(fù)荷的變化，實(shí)際空調(diào)熱負(fù)載在絕大部分時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)負(fù)載低，下圖示出某建筑物的實(shí)測(cè)熱負(fù)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(jì)負(fù)載(負(fù)載率為100%)相比，一年中負(fù)載率在50%以下的小時(shí)數(shù)約占全部運(yùn)行時(shí)間的50%以上。一般冷凍水設(shè)計(jì)溫差為5～7℃，冷卻水的設(shè)計(jì)溫差為4～5℃，在系統(tǒng)流量固定的情況下，全年決大部分運(yùn)行時(shí)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(fèi)了水泵運(yùn)行的輸送能量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)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(fù)載時(shí)水系統(tǒng)的輸送能量，具有很重要的意義，因此，隨熱負(fù)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(fù)載變化率曲線圖

現(xiàn)從以下幾個(gè)方面分述:

風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載調(diào)速節(jié)能原理

風(fēng)機(jī)是用來傳送氣體的機(jī)械設(shè)備，泵是用來傳送液體的機(jī)械設(shè)備，風(fēng)機(jī)與泵都是把電動(dòng)機(jī)的軸功率轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種機(jī)械，它們的啟動(dòng)力矩都較小，負(fù)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(duì)其工作原理及其運(yùn)行過程進(jìn)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(yáng)程(m)。

設(shè)在揚(yáng)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(dòng)機(jī)輸出功率=(1.05～1.2)×軸功率(kW)

因泵的揚(yáng)程大小、泵的型號(hào)不同，泵的效率不能一概而定，一般標(biāo)準(zhǔn)泵的大致效率曲線如圖所示。

鑒于泵的設(shè)計(jì)與制造方面會(huì)有誤差，故電機(jī)的輸出功率應(yīng)較軸功率計(jì)算值有5～20%的裕量，而后根據(jù)流量和揚(yáng)程求出電動(dòng)機(jī)的功率，流量和揚(yáng)程特性曲線的圖如下。

一般標(biāo)準(zhǔn)泵的效率流量和揚(yáng)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(shí)，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(dá)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(jī)、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(jī)、泵類的額定風(fēng)(流)量;

He—風(fēng)機(jī)、泵類的額定壓力;

Pe—風(fēng)機(jī)、泵類的額定功率;

ne—風(fēng)機(jī)、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(shí)，轉(zhuǎn)速可成比例下降，此時(shí)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(jī)、水泵的節(jié)能效果。圖B為風(fēng)機(jī)、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(diǎn)。對(duì)應(yīng)的風(fēng)量為Q1。此時(shí)風(fēng)機(jī)、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(shí)，則新的風(fēng)阻、水阻特性曲線H相交于B點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)機(jī)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(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速降到n2使對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)特性曲線H與風(fēng)阻特性曲線R2相交于C點(diǎn)。此時(shí)與風(fēng)機(jī)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(jī)、水泵調(diào)速節(jié)能示意圖

冷凍水系統(tǒng)控制方式

對(duì)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(jì)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(cè)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(fù)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(duì)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(fù)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(jī)，按需要設(shè)定溫度，使設(shè)備儲(chǔ)備容量和隨時(shí)間季節(jié)變化的熱負(fù)載通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),在滿足使用要求下達(dá)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(duì)部分風(fēng)機(jī)、水泵進(jìn)行改造,據(jù)統(tǒng)計(jì)分析節(jié)電率平均達(dá)到了20～50%。另外,使用變頻器還具有以下特點(diǎn):

(1)變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)功能較好，有過電壓、欠電壓、過電流、接地等保護(hù);

(2)變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，保養(yǎng)維護(hù)簡單、方便;

(3)變頻器的起動(dòng)電流較小，對(duì)電網(wǎng)的沖擊較少，有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)機(jī)的勵(lì)磁無功電流由電容器提供，可節(jié)省30%左右的電網(wǎng)容量。