空调风机节能改造工程的实践(1).pdf

凰 应用技术 空调风机节能改造工程的实践 白涛董晓君唐去克 ． 广州中浩控制技术有限公司 摘要 通过机房空调节能改造工程项目的实践案例，介绍了空调风机变频节能系统的基本原理、 系统结构、 产品选型，以及项目实施调试、节能测试等方面的内容。经过工程项 目的实施，节能改造后的空调系统用电量较 以前 下降 ，节 电率可达到 1 0 ％以上 。 关键词空调风机；节能；变频；P L C 1引言 我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但 也付出了巨大的资源和环境代价， 经济发展与资源环 境的矛盾 日趋尖锐。同时，温室气体排放引起全球气 候变暖，备受国际社会广泛关注。加强实施节能减排 工作，是实现可持续发展的迫切需要，也是应对全球 气候变化的迫切需要。因此，在国家要求节能减排的 背景下， 各企业也根据 自身情况， 积极贯彻落实应对。 本空调节能项 目属于某 电信运营商信息枢纽大 楼机房空调节能改造工程。该大楼中，机房空调的用 电约占总用电量的4 0 ％～ 5 0 ％，其中机房空调包含中 央空调机组、恒温恒湿精密空调、普通民用空调。实 施空调节能工程，降低用电量，减少成本，对于贯彻 国家节能减排政策，增强企业竞争力是非常必要的。 2主要内容 2 ． 1基本原理 对于中央空调系统的节能改造，较为成熟的技术 主要是运用变频技术。根据实际负荷需要，对系统内 的冷却塔风机、冷冻水泵、冷却水泵、送风机等电动 机进行变频调节， 以降低 电机功率， 实现节能的目的。 在空调系统中，送风机保持长时间运转，用电量约占 空调用 电量的 1 5 ％～ 3 0 ％。本项 目主要针对空调系统 的送风机进行节能改造， 将变频技术应用于变风量空 调系统，降低风机的功率。 如图 1 所示，风机相似定律的理论表明[ 1 】 ，当改 变电机转速 以改变风机转速时，其效率基本不变；但 28 风量、压力及功率却按下式改变 Q1 ／ Q 2 n l ／ n 2 1 P l ／ P 2 n l ／ n 2 2 N1 ／ N2 n l I n 2 3 其中Q为风机风量；P为风机风压；N为风机 功率；n为风机转速 。 由式 3 可知，风机的耗电量与转速的立方成 正比。一旦风机的转速降低，其耗电量将以立方的比 例大大降低。例如根据工艺要求，风机的风量下降 到 8 0 ％，则风机的转速也下降到 8 0 ％，风机轴功率 则会下降到额定功率的 5 l ％，节电 5 0 ％；若风机的 风量下降到 5 0 ％，则风机的转速也下降到 5 0 ％，其 风机轴功率则下降到额定功率的 l 3 ％， 节电 8 7 ％； 从 节能角度看，风机变频调速控制最为有利；调节范围 最大，经济性能最佳。 戛 坌 撼 ／ ／ ／ ／ ／， ／ ／ ／， ／ ／ ． ／ B ／ ／ ／ ／ ／ 一 ， ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ 一 一 1 O 2 O 3 O 4 O ∞ 6 o 8 0 9 0 1 o 0 况I t B 压力 C 功率 图 1风机相似定律曲线图 变风量空调节能系统的基本工作原理，是以风管 静压为被控信号，压力信号通过 P L C 控制器采集， 设定压力 目标值，经过内置的P I D控制算法，控制变 频器的输出频率，变频器通过改变电动机的转速，对 风机转速进行调节，实现节能的目的。 图 2为节能系统原理简图，系统的调节过程是 当机房负荷减小时，机房室内温度下降，回风温度降 低，送风阀门减小开度，风管静压上升，冷水阀的开 度减小，风机转速可降低；当机房负荷增加时，机房 室内温度上升，回风温度升高，送风阀门增大开度， 风管静压下降， 冷水阀的开度增大， 风机转速可增大。 图 2空调风机节能系统原理简 图 2 ． 2系统结构与设备选型 本节能项目系统由风压传感器、P L C控制器、变 频器、输 出电抗器等组成。 现场的机房空调是 YO R K 组合式空气处理机系 列，风机的电动机为 1 8 ． 5 k W 三相异步交流电机。节 能系统的P L C控制器选择 S I E ME NS S 7 ． 2 0 0 ， 集成了 模拟量和数字量输出和输入，具备通信功能，方便实 用。变频器选择 S I E ME NS MM4 3 0风机水泵专用系 列，保证和 P L C 控制器的通信顺畅。空气开关、接 触器选择施耐德的 D 2系列，可有效保护电机。小型 继电器选择施耐德 R XL系列。输出电抗器选用上海 鹰峰电子的产品，可有效减少高次谐波，消除对电机 的不利影响。 控制箱选用图腾品牌， 按设计要求订做。 同时， 节能系统作为空调系统正常运行的辅助部 分，首先必须保证空调系统按照原状态正常运行。为 此，系统设计旁路切换功能。在控制箱 内，设计 了变 频回路的交流接触器，以及旁路工频的交流接触器， 两个交流接触器之间有机械互锁，同时在 P L C 软件 编程中，设计电气互锁程序，这样保证两个接触器不 出现同时闭合的误动作。 旁路功能的实现通过两种方 式一是在停机状态下，使用切换开关进行切换；二 是 P L C 软件程序设计中，编写变频回路故障自动切 换到旁路工频的程序，实现系统的自动切换，保证系 统的正常运行。 2 ． 3工程的实施 1 、风压传感器的安装位置【 2 J 在变风量空调系统， 风管风压传感器的安装位置 决定风管静压的准确与否。 传感器的安装在工程实施 中是难点，对这个问题 ，尚存不同的观点，有些人认 为将风压传感器设于风机出口后管路的 1 ／ 2处，更多 的人认可将风压传感器设于风机出 口后管路的 2 ／ 3 处。对于不同的观点，需要按照具体情况分析，如图 3所示 ≥ 图 3风管气流方向示恿图 在图 3 a 中，流体质点受到与流动方向一致的 正压差作用， 成为一个减压增速 区， 紧接减缩管之后， 出现一个不大的旋涡区。图 3 c 所示的分流三通上 的旋涡区，也是这种减速增压过程造成的。图 3 b 中，虽然过流断面沿程不变，但弯管内流体质点受到 离心力作用，弯管前半段沿外壁是减速增压的，弯管 外侧出现旋涡区；在弯管的后半段，由于惯性作用， 弯管内侧出现旋涡区。因此，在设置风压传感器时， 至少应离开这些部位 4 D的距离。在本工程实施中， 根据现场实际情况，风压传感器设置于风管的主管 道，距离分支管道 2 D 3 D的距离。 2 、P I D控制算法的调节r3 ] 本节能系统中， P L C采集到风压传感器的压力信 号以后，通过软件程序的 P I D控制算法进行计算， 输 出合适的频率设定值到变频器，进而改变电机转速。 在 自动控制系统之中，闭环控制系统的被控对象 输出会反送回来影响控制器的输出， 形成一个或多个 2 O l O 年第3 期自动化与信息工程 2 9 闭环。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规 律为比例、积分、微分控制，简称 P I D控制。 P I D控制器各校正缓解的作用如下 比例 P 环节，即时成 比例地反映控制系统的 偏差信号 e 0 ，偏差产生后，控制器立即产生控制作 用，以减少偏差。积分 I 环节，主要用于消除静 差，提高系统的无差度。微分 D环节，能反映偏 差信号的变化趋势 变化速率，即在系统中引入一 个有效的早期修正信号，加快系统的动作速度，减小 调节时间。 S I E ME N S 7 - 2 0 0 P L C控制器包含有 P I D算法控 制功能，通过设定以上 P 、I 、D参数，再通过编程软 件 S t e p 7 - Mi c r o wi n中的P I D调谐控制面板 如图 4所 示，可以精确设定此三个参数，以达到控制风管静 压的目的。 图 4P I D调谐控制面板 2 ． 4节能测试 节能系统试运行时，进行节能测试。电气控制柜 内安装有电流互感器、有功电度表，用以测试空调节 能率。以 4 8小时为一周期，空调使用节电设备和没 有使用节电设备分别运行 2 4小时。根据实际情况测 试多个周期。表 1 为节能测试的部分数据。 表 1节能系统测试对照表 空调 电机功 运行 运行 电机电 机房 日耗电 频率 温度 节 电率％ 编号 塞 k W 状态 流 A 量 k Wh Hz C 工频 5 0 2 7 - 3 2 4 ． 5 2 8 3 ． 2 1 l 8 ． 5 变频 4 5 47 2 5 ． 6 2 5 -3 2 3 6 ． 5 1 6 ．4 9 节能 工频 5 0 2 6 ． 6 2 5 ． 0 2 5 3 ． 5 2 1 8 ． 5 变频 4 5 ～ 4 7 2 4 ． 7 2 5 ． 5 2 1 5 9 1 4 ． 8 3 节能 工频 5 0 2 5 ．7 2 4 ． 6 2 6 1 ． 9 3 1 8 ．5 变频 4 6 4 8 2 4 ． 9 2 5 ． 5 2 3 2 ． 2 l 1 ． 3 4 节能 3 0 在两种工况下，记录有功电度表耗电量读数，并进行 对 比。节电率计算公式如下 节电率 Wg Wb ／ Wg X 1 0 0 ％ 其中wg 为单位时间内平常状态运行耗电量， wb 为单位时间内节电状态运行耗电量。 3总结 本项 目的空调节能系统，经过设计安装调试后， 已经投入正常使用运行。 秋冬季节的平均节电率可达 到 l 0 ％～ 1 6 ％。 总结经验，空调节能的改造项 目，在设计阶段， 应根据空调实际情况进行评估和严谨设计。 原空调系 统本身的设备条件应重点考虑 ， 如 风机、电气控制、 阀门等是否满足设计改造的要求， 原设备是否存在不 足或者缺陷等。 设备的相关因素如未调查清楚和考虑 周到，都可能导致项 目不能达到预期效果。 在项 目的调试运行阶段，应注意两大原则首先 不能影响原空调系统的正常稳定运行， 保证改造后的 系统满足机房负荷的要求；其次再根据实际情况，运 用技术手段实现节能的目标。 参考文献 [ 1 】罗建红， 黄俊． 纺织厂空调风机节能技术分析【 J 】 ． 纺织器 材， 2 0 0 4 [ 2 ]2 周静瑜， 杨国荣， 王德忠． 变风量空调系统的控制方法的比较 【 c ] ． 上海市制冷学会mO OE年学术年会论文集， 2 0 0 3 [ 3 ]3 陶永华． 新型 P 1 D 控制及其应用[ 1 ． 北京 机械工业出版 社， 2 0 0 5 [ 4 ]唐 中华 ． 空调制冷系统运行管理与节 能[ MJ ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 8 [ 5 】王新华． H VAC行业及应用介绍． 施耐德电气 中国 投资有 限公司资料， 2 0 0 3 [ 6 】赵太新． 变频调速在中央空调系统节能中的应用[ J 】 ． 节能技 术， 2 0 0 8 【 7 ]胡玉玲， 曹建国． 变风量空调系统末端的变论域模糊 P I D控 制【 J 】 ． 控制工程， 2 0 0 8 【 8 】孙柏林． 优质自动化技术在 “ 节能降耗”领域里建功立业⋯ 谈谈“ 节能降耗”与自动化技术[ J ] ． 自动化与信息工程，2 0 0 7 下转第 3 3 页 赵瑞玲 陈朝春火工品运料小车的自动控制系统 世界． 2 0 0 3 ， 1 4 4 46 【 2 ]朱俊． 智能小车的自动化控制[ J ] ． 常州信息职业技术学院学 报．2 0 0 6 ， 5 4 1 6 - 1 8 [ 3 ]肖立， 佟仕忠， 丁启敏等．基于 P I C单片机控制的智能巡线小 车[ J ] ． 中国仪器仪表， 2 0 0 5 ， 3 9 5 - 9 6 [ 4 ]狄敬国， 程继兴， 李秀美等． 一种基于P L C的运料小车设计[ J 】 农业装备技术．2 0 0 6 ， 3 2 3 Au t o m a t i c Con t r o l S y s t e m o f I n i t i a t i ng Ex pl o s i v e De v i c e s M a t e r i a 1 ． Ca r r i e d Do l l y Z h a o Ru i l i n g Ch e n Ch a o c h u n 1 ． Xi n j i a n g Offic e o f C e i e c S h e n z h e n E l e c t r i c T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． 2 ． x i n j i a n g T i a n f e n g Wi n d P o we r C o ． ， L t d ． Abs t r a c t I n t h e p a p e r ，a p p l i c a t i o n o f r o b o t i c s t o i g n i t e r ma t e r i a l s i n d u s t r y t o a c h i e v e u n a e n d e d o p e r a t i o n h a z a r d o u s p r o c e s s e s ，a n d s y s t e m arc h i t e c t u r e ， c i r c u i t d e s i gn ， o p e r a t i n g p r i n c i p l e s a n d s o ft ware d e s i g n o f i n i t i a t i n g e x p l o s i v e d e v i c e s ma t e r i a l - c a r r i e d d o l l y i s b r i e f e d ． M a t e r i a l c a r r i e d d o l l y u s e s f o u r wh e e l d r i v e mo d e a n d r e a l i z e s a u t o ma t i c t r a n s mi s s i o n l i n e t o a c h i e v e a p r e t r i p ， a l a r m an d o t h e r f u n c t i o n s ． Ke y W or ds Ro b o t i c s ； M a t e ri a 1 ． Ca r r i e d Do l l y ； Au t o ma t i c Co n t r o l ； I n i t i a t i n g E x p l o s i v e De v i c e s 作者简介 赵瑞玲，女，1 9 8 1 年生，本科，研究方向自动化与信息工程。 上接第 3 0页 [ 9 ]G y e o n g - Ha e Han，B u m- S u k K o ． A l l d i g i t a l l o g i c c o n tr o l P W M ／ P F C f o r i n v e r t e r s y s t e m． E l e c t r o n i c s ，Ci r c u i t s a n d S y s t e ms ，2 0 0 0 ．I CE CS 2 0 0 0 ．T h e 7 t h I E EE Int e r n a ti o n a l C o n f e r e n c eo n [ 1 0 ] T r an- Qu o c ， T ． S a b o r ma d i e r e , J ． C ． Ha d j s a i d , N． Ki e n y , C ． A ir c o n diti o n e r d i r e c t I o a d c o n t r o l in dis t r i b u t i o n n e t wo r k s ． P o we r Te c h ， 2 0 0 9 I E E E Bu c h a r e s t Th e E n e r g y - S a v i n g P r o j e c t o n F a n o f Ai r Co n d i t i o n e r s B a i T a o Do n g Xi a o j u n T a n g Qu k e G u a n g z h o u C．H C o n t r o l T e c hno l o g y C o ． ， L t d ． Ab s t r a c t T h e e n e r g y - s a v i n g s y s t e m o n f an o f a i r c o n d i t i o n e r s i s i n tr o d u c e d i n t h e p a p e r b y g i v i n g a n e x a mp l e p r o j e c t o f u p g r a d e d a i r c o n d i t i o n e r s ．Th e p a p e r i n c l u d e s t h e t h e o r y a n d s t r u c t u r e o f s y s t e m，e q u i p me n t s e l e c t i o n a n d d e b u g g i n g o f s y s t e m ． Aft e r t h e a c c o mp l i s h me n t o f p r o j e c t ， t h e e n e r g y c o n s u mp t i o n o f a i r c o n dit i o n e r s h a s b e e n r e d u c e d u p t o 1 0 ％． K e y W o r d s F a n o f Ai r Co n d i t i o n e r s ； En e r gy ． S a v i n g ； F r e q u e n c y Co n v e r s i o n ； P LC 作者简介 白涛，男，1 9 8 1 年生，本科，工程师，现任职于广 Il 中浩控制技术有限公司。 董晓君，男，1 9 7 7年生，研究生，工程师，现任职于广州中浩控制技术有限公司。 唐去克，男，1 9 7 6年生，本科，工程师，现任职于广州中浩控制技术有限公司。 2 0 1 0 年第3 期自动化与信息工程 3 3