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雷諾爾RNB1000-S變頻器在中央空調節能改造上的應用
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雷諾爾RNB1000-S變頻器在中央空調節能改造上的應用

 

一、引言
     中央空調是現代大廈物業、賓館、商場不可缺少的設施,它能帶給人們四季如春,溫馨舒適的每一天。由于中央空調功率大,耗能大,加上設計上存在“大馬拉小車”的現象,支付中央空調所用電費是用戶一項巨大的開支。因為季節的變化、晝夜的變化、賓館酒樓客人入住率的變化、娛樂場所開放時間的變化等等,從而導致中央空調系統對室內熱源吸收量的變化。再加之工藝設計上電機功率設計有相當的富裕量,因此,存在明顯的節電空間。將變頻技術引入中央空調系統,保持室內恒溫,對其進行的節能改造是降本增效的一條捷徑。

 

二、中央空調工作原理

1所示為一典型中央空調機組系統圖,主要由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統及主機三部分組成:

中央空調系統原理圖

冷凍水循環系統

該部分由冷凍泵、室內風機及冷凍水管道等組成。從主機蒸發器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道(出水),進入室內進行熱交換,帶走房間內的熱量,最后回到主機蒸發器(回水)。室內風機用于將空氣吹過冷凍水管道,降低空氣溫度,加速室內熱交換。

冷卻水循環部分

該部分由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等組成。冷凍水循環系統進行室內熱交換的同時,必將帶走室內大量的熱能。該熱能通過主機內的冷媒傳遞給冷卻水,使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔(出水),使之與大氣進行熱交換,降低溫度后再送回主機冷凝器(回水)。

主機

主機部分由壓縮機、蒸發器、冷凝器及冷媒(制冷劑)等組成,其工作循環過程如下:

首先低壓氣態冷媒被壓縮機加壓進入冷凝器并逐漸冷凝成高壓液體。在冷凝過程中冷媒會釋放出大量熱能,這部分熱能被冷凝器中的冷卻水吸收并送到室外的冷卻塔上,最終釋放到大氣中去。隨后冷凝器中的高壓液態冷媒在流經蒸發器前的節流降壓裝置時,因為壓力的突變而氣化,形成氣液混合物進入蒸發器。冷媒在蒸發器中不斷氣化,同時會吸收冷凍水中的熱量使其達到較低溫度。最后,蒸發器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體,重新進入了壓縮機,如此循環往復。

三、中央空調節能分析

中央空調節能改造前的工況

在中央空調系統設計時,冷凍泵、冷卻泵的電機容量是根據建筑物的最大設計熱負荷選定的,都留有一定設計余量。由于四季氣候及晝夜溫差變化,中央空調工作時的熱負荷總是不斷變化。下圖2為一民用建筑物的平均熱負荷情況:

2 熱負荷率曲線

如上圖所示,該中央空調一年中負荷率在50%以下的時間超過了全部運行時間的50%。通常冷卻水管路的設計溫差為56℃,而實際應用表明大部分時間里冷卻水管路的溫差僅為24℃,這說明制冷所需的冷凍水、冷卻水流量通常都低于設計流量,這樣就形成了中央空調低溫差、低負荷、大工作流量的工況。

在沒有使用節能系統前,工頻供電下的水泵始終全速運行,管道中的供水流量只能通過閥門或回流方式調節,這必會產生大量的節流及回流損失,同時也增加了電機的負荷,白白消耗了許多電能。

中央空調水泵電機的耗電量約占中央空調系統總耗電量的30-40%,故對其進行節能改造具有很明顯的節能效果。

節能理論根據

由流體力學理論可知,離心式流體傳輸設備(如離心式水泵、風機等)的輸出流量Q與其轉速n成正比;輸出壓力P(揚程)與其轉速n的平方成正比;輸出功率N與其轉速n的三次方成正比,用數學公式可表示為:

Q K1 × n

P K2 × n2

N Q × P K3 × n3    (K1 K2 K3為比例常數)

由上述原理可知,降低水泵的轉速,水泵的輸出功率就可以下降更多。如將電機的供電頻率由50Hz降為40Hz,則理論上,低頻40Hz與高頻50Hz的輸出功率之比為(40/50)3=0.512

實踐證明,在中央空調系統中接入變頻節能系統,利用變頻技術改變水泵轉速來調節管道中的流量,以取代閥門調節及回流方式,能取得明顯的節能效果,一般節電率都在30%以上。同時變頻器的軟啟動功能及平滑調速的特點可實現對中央空調的平穩調節,并可延長機組及管組的使用壽命。

四、雷諾爾變頻改造節能方案分析

中央空調各循環水系統的回水與出水溫度之差,反映了整個系統需要進行的熱交換量。因此,根據回水與出水的溫度差來控制循環水的流量,從而控制熱交換的速度,是首選的節能控制方法。

冷凍水循環系統

冷凍水的出水溫度是由主機的制冷效果決定的,通常比較穩定,因此冷凍回水溫度可以準確的反映室內的熱負荷情況。由此,對于冷凍水循環系統的節能改造,可以取回水溫度作為控制目標,通過變頻器對冷凍泵流量的自動調節來實現對室內溫度的控制。

冷卻水循環系統

冷卻水循環系統同時受室外環境溫度及室內熱負荷兩方面影響,循環水管道單側的水溫不能準確反映該系統的熱交換量,因此以出水與回水之間的溫差作為控制室內溫度的依據是合理的節能方式。在外界環境溫度不變的情況下,溫差大,說明室內熱負荷較大,應提高冷卻泵的轉速,增大冷卻水循環的速度;相應的,溫差小則減小冷卻泵轉速。

方案結構示意圖

根據上述分析,可得出整個節能工程結構示意圖如圖3所示:

中央空調系統節能改造結構示意圖

由上圖,該節能方案的基本思路為:

分別在主機蒸發器回水處、冷凝器出水及回水處安裝溫度傳感器,實時檢測管網的溫度,以模擬信號(0~10V或者4~20mA)反饋給變頻器,通過變頻器內置的PID運算輸出相應的頻率指令后自動調節水泵轉速,從而調節各循環水的熱交換速度,最終實現對室內恒溫度的控制。需要特別說明的是,變頻器內部在設計上集成了溫差反饋處理功能,系統無須另配專用控制模塊。

電路控制方案

某公司中央空調機組數據如下表:

機組

機型

常用數量

備用數量

總計數量

中央

空調

冷凍泵電機

45KW380V

2

1

3

冷卻泵電機

75KW380V

2

1

3

三臺水泵中,春秋季節只用一臺,備用兩臺;夏季高峰時常用兩臺,一臺備用。

要求:變頻器實時測量當前水壓,并自動判斷需要投入多少臺泵。

RNB1000-S恒壓供水原理圖如下:


 

3  RNB1000-S變頻器恒壓供水示意圖

變頻器參數設置表

功能碼

設定值

功能描述

備注

F00.00

2

控制模式選擇

VF控制模式

F00.01

1

起停控制模式

端子起停模式

F00.06

3

頻率給定方式

       PID給定頻率

F00.07

400

運行頻率的上限

     

F00.11

——

加速時間

可適當調整

F00.12

——

減速時間

可適當調整

F02.01

     ——

額定功率

一定要按照電機銘牌進行設置

F02.02

——

額定頻率

F02.03

——

額定轉速

F02.04

——

額定電壓

F02.05

——

額定電流

F05.01

1

正轉啟動

 

F05.03

23

水滿信號

如果有水滿開關可設置

F05.04

24

缺水信號

如果有缺水開關可設置

F06.03

16

輔助泵1

輔助泵1起停控制

F06.04

17

輔助泵2

輔助泵2起停控制

F08.00

——

減泵時加速時間

 

F08.01

——

加泵時減速時間

 

F09.01

——

恒壓設定百分比

請根據實際水壓進行設定

F09.04

——

PID調節比例增益系數

若水壓無法恒定,請合理調本PI參數

F09.05

——

PID調節積分增益系數

F13.00

——

輔助泵個數

根據實際情況設置

F13.01

加泵頻率點

50Hz

當變頻器升速到加泵頻率點,且超過壓力容差,且經過加泵延時時間,表明當前水泵個數已無法滿足恒壓要求,此時加1個泵動作

F13.02

加泵壓力容差

10%

F13.03

加泵延時時間

10S

F13.04

減泵頻率點

5Hz

當變頻器減速到減泵頻率點,且超過壓力容差,且經過減泵延時時間,表明當前水泵個數已無法超過恒壓要求,此時減1個泵動作

F13.05

減泵壓力容差

10%

F13.06

減泵延時時間

10S

F13.07

休眠功能選擇

1

使能休眠功能后,達到休眠條件,變頻器智能休眠

F13.08

喚醒頻率設定

5Hz

變頻器停機狀態下,當水壓低差高于壓力容差,PID算得的變頻器給定頻率高于喚醒頻率,且喚醒延時到達,變頻器休眠喚醒,自動開啟

F13.09

喚醒壓力容差

10%

F13.10

喚醒延時時間

10S

 RNB1000-S供水邏輯說明

RNB1000-S系列專用變頻器內置供水專用邏輯,優化的PID控制保證水壓恒定。同時自動處理加泵減泵動作邏輯,并在加減泵動作階段自動調頻保證加減泵時水壓依然穩定可控。供水邏輯說明如下:

1、   加泵邏輯:當水壓持續低于設定壓力,變頻器升速運行,當變頻器升速至加泵頻率點

F13.01),此時若水壓仍低于(設定水壓百分比)-(加泵壓力容差百分比F13.02),則認為當前水泵個數不夠使用,需增加水泵運行,加泵延時時間到達后,輔助繼電器動作,此時加泵運行。

2、   加泵輔助邏輯:新加入的泵為工頻泵,加泵過程中可能會導致水壓快速升高,因此加泵的

過程中變頻泵會自動降頻以避免加泵時水壓過大,此時的變頻器減速時間由F08.01決定。

3、   減泵邏輯:當水壓持續高于設定壓力,變頻器減運行,當變頻器減速至減泵頻率點

F13.04),此時若水壓仍低于(設定水壓百分比)+(減泵壓力容差百分比F13.05),則認為當前水泵個數太多,需減少水泵運行,減泵延時時間到達后,輔助繼電器動作,此時減泵運行。

4、   減泵輔助邏輯:新減小的泵為工頻泵,減泵過程中可能會導致水壓快速下降,因此減泵的

過程中變頻泵會自動升頻以避免加泵時水壓過低,此時的變頻器加速時間由F08.00決定。

5、   休眠功能邏輯:當輔助泵都已停止,水壓依然偏高,則變頻器降速運行,當變頻器運行頻

率低于減泵頻率點,變頻器自動休眠,鍵盤顯示“SLEEP”狀態。

6、  休眠喚醒邏輯:變頻器休眠狀態下,當水壓偏低時,PID算得的設定頻率高于喚醒頻率設

定,且當前壓力低于(設定水壓百分比)-(喚醒壓力容差百分比F13.02),則認為需要變頻泵運行,經喚醒延時,變頻泵休眠喚醒。

    7、水泵控制優先級:水泵參與運行的優先級為:變頻泵 > 輔助泵1 > 輔助泵2。即,當需要加泵時,先加變頻泵,其次輔助泵1,最后輔助泵2;當需要減泵時,先減輔助泵2,其次減輔助泵1,最后減變頻器休眠待機。

變頻節能系統特點

1、變頻器界面為LED顯示,監控參數豐富;鍵盤布局簡潔、操作方便;

2、溫度/溫差傳感器為數字雙屏LED顯示,溫度參數設定方便,易于監控;

3、變頻器有過流、過載、過壓、過熱等多種電子保護裝置,并具有豐富的故障報警輸出功能,可有效保護供水系統的正常運作;

4、加裝變頻器后,電機具有軟啟動及無極調速功能,可使水泵和電機的機械磨損大為降低,延長管組壽命;

5、變頻器內部裝有大容量濾波電容,可有效提高用電設備的功率因數;

6、該系統實現了對溫度的PID閉環調節,室內溫度變化平穩,人體感覺舒適。

 五、RNB1000-S系列變頻器技術說明

RNB1000-S變頻器DSP控制系統為平臺,采用國內技術先進的無PG矢量控制技術,并配合多種保護方式,可應用于異步電機,提供優異的驅動性能。產品在風道設計,硬件配置,軟件功能方面都極大的提升了客戶易用性及環境適應性。
  
技術特點:

供水專用邏輯:基于現場工況的供水邏輯,恒壓控制性能更穩定。
準確的電機參數自學習:準確的旋轉或靜止的電機參數自學習,調試方便,操作簡單,提供

更高的控制精度和響應速度。
矢量化的V/F控制:自動定子壓降補償,VF控制也可保證優異的低頻力矩特性。
軟件限流限壓功能:良好的電壓、電流控制,有效減少變頻器的保護次數。
多種制動模式:提供多種制動方式,可快速停車。
高可靠性設計:較高的整機過溫點和良好的防護等級,更適應供水行業的使用環境。
轉速追蹤再起動功能:實現對旋轉中的電機的無沖擊平滑起動。
自動電壓調整功能:當電網電壓變化時,能自動保持輸出電壓恒。

全面的故障保護:過流、過壓、欠壓、過溫、缺相、過載等保護功能。

六、結束語

將變頻技術應用于中央空調系統,對提升中央空調自動化水平、降低能耗、減少對電網的沖擊、延長機械及管網的使用壽命,都具有重要的意義。


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