摘要：據統計，中央空調的用電量占各類大廈總用電量的70%以上，其中中央空調水泵的耗電量約占總空調系統耗電量的20~40%，故節約低負荷時壓縮機系統和水系統的消耗的能量，具有很重要的意義。采用變頻調速技術不僅能使空調系統發揮更加理想的工作狀態，更重要的是通常其節能效果高達30%以上，能帶來良好的經濟效益。
1.概論
中央空調系統已廣泛應用于工業與民用領域，在賓館、酒店、寫字樓、商場、住院部大樓、工業廠房中的中央空調系統，其制冷壓縮機組、冷凍循環水系統、冷卻循環水系統、冷卻塔風機系統等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制熱負荷選定的，且再留有充足余量。在沒有使用具備負載隨動調節特性的控制系統中，無論季節、晝夜和用戶負荷的怎樣變化，各電機都長期固定在工頻狀態下全速運行，造成了能量的巨大浪費。近年來由于電價的不斷上漲，使得中央空調系統運行費用急劇上升，致使它在整個大廈營運成本費用中占據越來越大的比例，加之目前各生產、服務業競爭激烈，多數企業利潤空間不夠理想。因此電能費用的控制顯然已經成為經營管理者所關注的問題所在。據統計，中央空調的用電量占各類大廈總用電量的70%以上，其中中央空調水泵的耗電量約占總空調系統耗電量的20~40%，故節約低負荷時壓縮機系統和水系統的消耗的能量，具有很重要的意義。所以，隨著負荷變化而自動調節變化的變流量變頻空調水系統和自適應智能負荷調節的壓縮機系統應運而生，并逐漸顯示其巨大的優越性，而且得到越來越多的被廣泛推廣與應用。采用變頻調速技術不僅能使空調系統發揮更加理想的工作狀態，更重要的是通常其節能效果高達30%以上，能帶來良好的經濟效益。
2.中央空調系統的一般結構與工作原理
中央空調系統一般主要由制冷壓縮機系統、冷媒(冷凍和冷熱)循環水系統、冷卻循環水系統、盤管風機系統、冷卻塔風機系統等組成。其工藝結構流程圖如圖A所示，在圖A中制冷壓縮機組通過壓縮機將制冷劑(冷媒介質如R134a、R22等)壓縮成液態后送蒸發器中，冷凍循環水系統通過冷凍水泵將常溫水泵入蒸發器盤管中與冷媒進行間接熱交換，這樣原來的常溫水就變成了低溫冷凍水，冷凍水被送到各風機風口的冷卻盤管中吸收盤管周圍的空氣熱量，產生的低溫空氣由盤管風機吹送到各個房間，從而達到降溫的目的。冷媒在蒸發器中被充分壓縮并伴隨熱量吸收過程完成后，再被送到冷凝器中去恢復常壓狀態，以便冷媒在冷凝器中釋放熱量，其釋放的熱量正是通過循環冷卻水系統的冷卻水帶走。冷卻循環水系統將常溫水通過冷卻水泵泵入冷凝器熱交換盤管后，再將這已變熱的冷卻水送到冷卻塔上，由冷卻塔對其進行自然冷卻或通過冷卻塔風機對其進行噴淋式強迫風冷，與大氣之間進行充分熱交換，使冷卻水變回常溫，以便再循環使用。在冬季需要制熱時，中央空調系統僅需要通過冷熱水泵(在夏季稱為冷凍水泵)將常溫水泵入蒸汽熱交換器的盤管，通過與蒸汽的充分熱交換后再將熱水送到各樓層的風機盤管中，即可實現向用戶提供供暖熱風。
圖A 中央空調系統工藝結構流程
理解中央空調系統工藝流程對于節能改造的實現至關重要，從因果關系角度上看，冷凍水系統、冷卻水系統、冷卻塔風機系統均是主壓縮機系統的從動系統。當主壓縮機系統的負荷發生變化時，對冷凍水、冷卻水的需求量和冷卻塔需求的冷卻風量也發生相應的變化，正因如此，我們才有節能改造的必要前提條件，才有實現“按需分配”控制方案的可能。
3.中央空調系統的節能原理
中央空調系統按負載類型可分為兩大類，①變轉矩負載：如冷卻水系統、冷凍水系統、冷卻塔風機系統等風機、水泵類負載；②恒轉矩負載：如主制冷壓縮機系統。不同的轉矩類型具有完全不同的轉矩功率關系特性，我們知道風機、水泵類變轉矩負載特性滿足流體動力學關系理論，即以下數學關系成立：
N1/N2∝Q1/Q2 H1/H2∝(N1/N2)2 P1/P2∝(N1/N2)3 (1)
其中，N、H、Q、P分別表示轉速、流量、揚程、軸功率。
它們之間的關系曲線如圖B所示。
圖B 流量、揚程、功率三者間的關系曲線圖
由式1可知，若轉速下降到額定轉速的70%，那么，揚程將下降到額定值的50%，同時，軸輸出功率下降到額定值的35%。從圖2中可以看出，管網的阻尼隨揚程的降低而減小。在滿足系統基本揚程需求的情形下，若系統的流量需求減少到額定流量的50%時，在變頻控制方式下，其對應輸出功率僅約為額定功率的13%。這就為實施變頻節能技術改造提供了數學理論上的可行性保障空間。
由上述流體傳輸設備水泵、風機的工作原理可知：水泵、風機的流量（風量）與其轉速成正比；水泵、風機的壓力（揚程）與其轉速的平方成正比，而水泵、風機的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風機的軸功率與其轉速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）根據上述原理可知：改變水泵、風機的轉速就可改變水泵、風機的功率。例如：將供電頻率由50Hz降為45Hz，則P45/P50=453/503=0.729，即P45=0.729P50（P為電機軸功率）；將供電頻率由50Hz降為40Hz，則P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50（P為電機軸功率）。
由以上內容可以看出，用變頻器進行流量（風量）控制時，可節約大量電能。中央空調系統在設計時是按現場最大冷量需求量來考慮的，其冷卻泵，冷凍泵按單臺設備的最大工況來考慮的，在實際使用中有90%多的時間，冷卻泵、冷凍泵都工作在非滿載狀態下。而用閥門、自動閥調節不僅增大了系統節流損失，而且由于對空調的調節是階段性的，造成整個空調系統工作在波動狀態；而通過在冷卻泵、冷凍泵上加裝變頻器則可一勞永逸地解決該問題，還可實現自動控制，并可通過變頻節能收回投資。同時變頻器的軟啟動功能及平滑調速的特點可實現對系統的平穩調節，使系統工作狀態穩定，并延長機組及網管的使用壽命。
4.下面我們主要探討一下冷卻塔風機使用變頻節能的實施方案和應用效果
4.1 冷卻塔風機變頻控制實施方案
方案一：固定變頻控制方式。
因為冷卻塔的型式：有單塔型式、和多塔型式的；所以，固定變頻控制方式：可分為單臺固定變頻控制和多臺固定變頻控制。下面以多臺固定變頻控制為例，作如下講解。如圖所示：
圖一：固定變頻控制方式
該系統由變頻回路和工頻回路兩部分組成：
變頻回路：由一臺變頻器，空氣開關QF2，交流接觸器KM02和變頻運行控制回路及信號報警回路組成變頻循環運行回路。工頻回路：由空氣開關QF1、QF3、QF4、QF5、交流接觸器KM01、KM03、KM04、KM05、和熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4、以及手動運行控制回路等構成工頻（50Hz）運行回路。
運行方式：
工頻運行時：風機根據工頻控制回路選擇指定風機啟動，并以50HZ全速運行。
變頻運行時：風機以傳感器所測實際水溫，經過溫控器轉換成標準的電流信號或電壓信號，送到變頻器的摸擬輸入端，當第一臺變頻電機達到滿負荷運行時，還不能滿足實際工況則第二臺電機就會被工頻起動，第一臺電機仍然變頻運行；同理，若第二臺電機起動后，還不能滿足工況則第三臺電機就會被工頻起動；此時，三臺電機全部運行：第一臺電機變頻運行、第二臺電機工頻運行、第三臺電機工頻運行。
方案二：循環變頻控制方式。
由P∝n3可知：風機節能的最佳方案是控制風機轉速，可通過改變電機控制系統來調節電機運行的轉速，從而達到控制風機轉速的目的，下面以三臺相同功率的電機的冷卻塔為例，作如下講解：三臺風機為同一功率的的電機，可采用一臺變頻器循環控制的方式運行，系統電氣原理概況圖，如下所示：
圖二：循環變頻控制方式之一（變頻器內置循環變頻切換功能）
該控制系統由變頻回路和工頻回路兩部分組成：
變頻回路：由一臺變頻器，空氣開關Q1，交流接觸器KM1、KM3、KM5和自動運行控制回路及信號報警回路組成變頻循環運行回路。工頻回路：空氣開關QF2、QF3、QF4、交流接觸器KM2、KM4、KM6和熱繼電器FR1、FR2、FR3以及手動運行控制回路等構成工頻（50Hz）運行回路。
圖三：循環變頻控制方式之二（變頻器+PLC實現循環變頻切換功能）
該控制系統由變頻回路和工頻回路兩部分組成：
變頻回路：由一臺變頻器，空氣開關QF3，交流接觸器KM4、KM5、KM6和自動運行控制回路及信號報警回路組成變頻循環運行回路。工頻回路：空氣開關QF0、QF1、QF2、交流接觸器KM1、KM2、KM3和熱繼電器FR1、FR2、FR3以及手動運行控制回路等構成工頻（50Hz）運行回路。
運行方式：
正常狀態，轉換開關切至自動運行回路，由溫度傳感器測定冷卻塔出水溫度，經過溫控器轉換成標準的電流信號或電壓信號，送到變頻器的摸擬輸入端來控制變頻器的轉速，改變風機的風量，從而改變冷卻塔的出水溫度；當一臺風機運行仍舊不能滿足要求時，將此變頻運行的風機改為工頻運行，再變頻啟動另一臺風機，直到滿足生產裝置所需的循環水的溫度達到工藝要求為止（即水溫≤32°C）。整個控制系統為一個閉環調節系統。根據裝置的工藝要求，自動確定風機是變頻運行還好工頻運行。并做到最先運行的風機最先切除，各電機循環運行，從而延長設備使用壽命的目的。當變頻系統控制回路或者變頻器出故障的時候，將轉換開關切換到手動狀態，三臺電機運行在工頻狀態仍可滿足裝置工藝要求。
4.2 以循環變頻控制方式為例講解一下循環水冷卻塔變頻節能的效果：
4.2.1循環水冷卻塔運行概況
某公司供水廠共有3個編號分別為1#，2#和3#循環水冷卻塔。各生產裝置返回的循環熱水用泵輸送到這些塔內，通過塔內的填料增加熱水與空氣接觸面積和時間，促進熱水與空氣進行熱交換，使循環水冷卻。從而獲得各生產裝置所需循環水溫度≤32℃的冷水。
當環境溫度升高時，啟動冷卻塔內的軸流風機實行強制通風，加快冷卻塔填料上循環水氣相與液相的熱交換。每個冷卻塔內裝設1臺軸流風機，其直徑為8500mm，由電壓為380V，額定功率為160kW的4極異步電機驅動。電機和風機之間采用恒定減速比的減速機直聯，塔內不裝設節流閥。因此軸流風機的轉速與風量是不可調的。3個塔的總處理能力達8000m3/h，遠大于各生產裝置最大需求量總和6600m3/h， 2002年度各塔的運行參數詳見表1與表2。
4.2.2冷卻塔風機采用變頻調速節能方案
4.2.2.1 風機節能可行性分析：
表1 各塔運行參數統計表
|
塔編號 |
處理能力(m3/h) |
電機電流(A) |
電機電壓(V) |
功率因數(cosφ) |
電機輸入功率(kw) |
電功率單耗(kW/m3) |
|
1 |
2000 |
250 |
380 |
0.87 |
143 |
0.0715 |
|
2 |
3000 |
200 |
380 |
0.87 |
115 |
0.0383 |
|
3 |
3000 |
220 |
380 |
0.87 |
128 |
0.042 |
由表1所示的數據知：2002年度冷卻塔風機全部運行期間，冷卻塔進水溫度的最高溫度平均值分布在34.5℃～38℃內；循環水經冷卻后，冷卻塔出水溫度的最高溫度平均值分布在27.6℃～28.8℃內，其較各生產裝置所需冷卻水溫度32℃低3.2℃～4.4℃；并可知在同時滿足冷卻塔進水溫度低于最高熱水溫度平均值及冷卻塔出水溫度低于最高冷水溫度平均值這一條件下，單臺風機全年的運行時間為2705h。若采用變頻控制器調節風機轉速，改變風機風量，可使冷卻塔出水溫度提高2℃～3℃的情況下，仍能滿足冷卻塔出水溫度≤32℃的工藝要求，這顯然可節省電能。根據廠家所提供的：a.出水與空氣濕球溫度及冷卻塔進水溫度關系曲線圖；b.進出水溫差與空氣濕球溫度及風機軸功率百分比關系曲線圖；以及表2的有關數據，通過工藝計算得風機的不同月份節能潛力及收益值如表3。
表2 2002年不同月份風機運行臺時與冷卻塔出水溫度關系統計表
|
日期 |
運行臺數 |
運行天數 |
運行=24h/d |
運行=24h/d |
同時滿足①τ熱進≤τ熱進max②τ冷出≤τ冷出max 時風機的運行時間/h |
最高熱水溫度平均值τ熱進max/℃ |
最高冷水溫度平均值τ冷出max/℃ |
|
臺數 |
累計時間/h |
臺數 |
平均運行/h/b |
累計時間/h |
|
3月27日~5月17日 |
1 |
34 |
0 |
0 |
1 |
16.7 |
56956569 |
517 |
37.6 |
27.6 |
|
5月18日~6月16日 |
2 |
45 |
1 |
1080 |
1 |
15 |
673 |
561 |
35.3 |
28 |
|
6月17日~8月26日 |
3 |
69 |
2 |
3312 |
1 |
21.45 |
1480 |
1028 |
38 |
28.8 |
|
8月27日~10月13日 |
2 |
30 |
1 |
720 |
1 |
10.8 |
324 |
157 |
34.5 |
28.4 |
|
10月14日~11月15日 |
1 |
44 |
0 |
0 |
1 |
15.8 |
693 |
442 |
34.5 |
28.4 |
表3 2002年不同月份風機節能潛力及收益計算值
|
項目內容日期 |
冷卻塔進水溫度/℃ |
溫差Ζ1℃ |
濕球溫度/℃ |
對應不同功率比 |
冷水溫度/℃ |
運行時間/h |
風機功率 |
風機節能潛力 |
收益率/萬元 |
|
Z2 |
Z1 |
|
3.27-5.17 |
3.6 |
10 |
20.5 |
7.45 |
7.87 |
29.73 |
517 |
0.46P |
0.54P |
1.883 |
|
5.18-6.16 |
35.3 |
7.3 |
22.5 |
6.50 |
5 .31 |
29.69 |
561 |
0.46P |
0.54P |
2.044 |
|
6.17~8.26 |
38 |
9.2 |
22.5 |
7.00 |
7.70 |
30.30 |
1028 |
0.46P |
0.40P |
2.774 |
|
8.27~10.13 |
34.5 |
6.1 |
24 |
5.80 |
4.05 |
30.45 |
157 |
0.46P |
0.54P |
0.572 |
|
10.14~11.15 |
34.5 |
6.1 |
24 |
5.80 |
4.05 |
30.45 |
442 |
0.46P |
0.54P |
1610 |
注：收益率＝可運行時間×風機節能潛力×0.56元/kW·h×100%；表中P＝120.5kW；
總收益值=8.883元。
由表3可知各冷卻塔風機節能潛力為40%～54%。
4.2.3 風機變頻調速實施方案探討
4.2.3.1 系統結構
由P∝n3知：風機節能的最佳方案是控制風機轉速，可通過改變電機控制系統來調節電機運行轉速，從而達到控制風機轉速的目的。
由于3臺風機驅動電機功率均為160kW，可采用1臺變頻控制器循環方式運行，系統結構框圖如圖所示：
該系統由2部分組成：變頻回路：1臺變頻器，空氣開關Q1，交流接觸器C1、C2、C3和自動運行控制回路及信號報警回路組成變頻循環運行回路；工頻回路：空氣開關Q2、交流接觸器C4、C5、C6和熱繼電器T1、T2、T3以及手動運行控制回路等構成工頻(50Hz)運行回路。
4.2.3.2 運行方式
正常狀態，轉換開關QK切至自動運行回路，由溫度傳感器測定冷卻塔出水溫度，轉換成標準的電流信號，送至變頻器的溫度檢測器，用于控制冷卻塔風機轉速，改變風機的風量，從而改變冷卻塔出水溫度；當1臺風機運轉頻率接近工頻運行仍不能滿足要求時，將此變頻運行風機改為工頻運行，再變頻啟動另1臺風機，直到滿足各生產裝置所需的循環水溫度≤32℃為止。整個控制系統為一個閉環調節系統。
根據工藝要求，自動確定電機是變頻運行或是工頻運行，并做到最先運行的風機最先切除，各電機循環運行，從而延長設備使用壽命。當變頻器出故障時，將轉換開關QK切換至手動狀態，3臺電機運行在工頻狀態仍可滿足運行要求。
采用變頻器調速的方法，改變了以往電機的開、停僅為手動控制的單一工頻運行方式，從而避免為滿足冷卻塔出水水溫≤32℃，必須使1臺或幾臺風機均處在工頻狀態下運行，而造成水溫過低，形成不必要的能源浪費。采用變頻調速運行方式，提高了水溫控制的準確性，并可實現平滑啟動電機，使3臺電機循環運行，從而提高電機的使用壽命。
4.2.4風機節能經濟分析
(1) 由表1所示的冷卻塔運行參數可知：1＃塔的處理能力只是2#或3#塔的66%，但其處理1m3/h熱水風機電功率單耗確是2#塔與3#塔風機電功率單耗之平均值的1.783倍(即其大0.0313kW/m3/h)，其原因是該塔填料仍為舊式低效填料，若將1#塔填料改用與2#塔相同性能的新型高效填料，則每小時處理能力就可提高1000m3。如按1#塔處理量為2000m3/h計算，每小時節電2000×0.0313＝62.6kW，節能效果相當可觀。1#塔每年運行時間為3000h，更換填料需投資約45萬元。
收益率＝3000×62.6×0.56/45×104×100%＝23.37％。
(2) 采用變頻調速方案，根據表3可得每年總收益值為8.883萬元，實施變頻控制需要投資約15萬元，收益率=8.883/15×100%＝59.2％，約1.7年就能收回投資額，另外設備的折舊率大大降低，可見節能效果顯著。
5. 總述
智能樓宇和職能廠房的高速發展，使得現在樓宇和廠房的能耗越來越大，節能方法的使用是每一個管理者和經營者都必須考慮的問題。而節能是目前全球關注的觀念主題，而就目前來講變頻器節能是最佳的投入最少的節能方式和控制方式。那么，作為冷卻塔的用戶如果在了解到變頻器節能的好處之后。對于這么少量的投資自然是十分的樂意。
對于冷卻塔的生產廠家來說，一種新的產品的投入生產首先看市場的需求和能夠產生的效益，通過以上的經濟分析，我們可以得出使用方只要在了解到了變頻器應用的優點后，基于運行成本和設備維護的考慮，必然會對這樣的投資產生濃厚的興趣。而事實上目前市場上對于冷卻塔變頻器應用已經十分的成熟，而且也正是朝著這個方向快速的發展。變頻器的應用是目前整個冷卻塔市場乃至整個中央空調市場的趨勢，照目前的市場情況來看，越早投入變頻器的應用的廠商收到的經濟效益必然是越快。當然這需要冷卻塔廠商的銷售人員對客戶進行詳盡的到位的變頻器技術的解釋。而冷卻塔生產商在掌握了變頻器技術后，控制部分的硬件收入和技術服務收入，都將可成為一個新的利潤增長點。從長遠來看，冷卻塔變頻器的應用優勢會越來越明顯，變頻器的使用也會越來越普遍，廠商在使用了冷卻塔變頻技術后不僅可以得到收益而且也可使自己的冷卻塔在激烈的市場競爭中長期處于主動位置。
雖然在前期的投入中會有人員配備等投資，但是從長遠的立場來看，這項投資對冷卻塔的廠商來說必將收到豐厚的利潤回報。
附件： 系統配置及報價清單(以11KW變頻循環控制方式控制三臺電機為例)
|
序號 |
名稱 |
型號規格 |
含稅單價 |
數量 |
品牌 |
冷卻塔功率 |
|
1 |
變頻器 |
VLT7016 |
6660 |
1 |
Danfoss |
11KW |
|
2 |
斷路器 |
CP65N-D 3P 25A |
105 |
4 |
施耐德 |
|
3 |
斷路器 |
C65 2P 2A |
102 |
2 |
施耐德 |
|
4 |
保險絲 |
RT19-32 2A |
5 |
2 |
正泰 |
|
5 |
交流接觸器 |
LC1-D2510M5C |
90 |
6 |
施耐德 |
|
6 |
熱繼電器 |
LR2D1322C |
80 |
3 |
施耐德 |
|
7 |
電壓表 |
450V |
35 |
1 |
天正 |
|
8 |
電流表 |
100/5A |
35 |
1 |
天正 |
|
9 |
互感器 |
100/5 |
45 |
2 |
天正 |
|
10 |
指示燈（綠） |
XB2EV443 |
15 |
4 |
施耐德 |
|
11 |
指示燈（紅） |
XB2EV444 |
15 |
4 |
施耐德 |
|
12 |
指示燈（黃） |
XB2EV445 |
15 |
1 |
施耐德 |
|
13 |
旋鈕開關 |
XB2BD25C |
35 |
3 |
施耐德 |
|
14 |
旋鈕開關 |
XB2BD33C |
35 |
1 |
施耐德 |
|
15 |
按鈕(綠) |
XB2BA31C |
20 |
4 |
施耐德 |
|
16 |
按鈕(紅) |
XB2BA31C |
20 |
4 |
施耐德 |
|
17 |
溫度傳感器 |
WPT-2231 |
350 |
1 |
昆侖 |
|
18 |
溫控器 |
LU-904MAOLOO |
450 |
1 |
臺灣安東 |
|
19 |
配電柜 |
1600*600*500 |
1500 |
1 |
佳豐 |
|
20 |
排風扇 |
150MM |
60 |
2 |
國產 |
|
21 |
安裝輔材 |
一批 |
500 |
1 |
國產 |
|
22 |
集成安裝費 |
|
800 |
1 |
科盈 |
|
23 |
系統調試費 |
|
800 |
1 |
科盈 |
|
合計 |
人民幣13234.00元 |
