中央空调水泵系统变频节能及其性能优化研究.doc

1、题 目：中央空调水泵系统变频节能及其性能优化研究院 系： 西南交通大学网络教育学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 刘增新 指导教师： 李瑞芳 西 南 交 通 大 学 网 络 教 育 学 院院系 西南交通大学网络教育学院 专 业 电气工程及其自动化 年级 08春 学 号 08821327 姓 名 刘增新 学习中心 深圳学习中心 指导教师 李瑞芳 题目 中央空调水泵系统变频节能及其性能优化研究 指导教师评 语 是否同意答辩 过程分(满分20) 指导教师 (签章) 评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩组组长 (签章) 年 月 日 毕 业 论 文 任 务 书班 级 08春 学生

2、姓名 刘增新 学 号 08821327 发题日期：2010 年 3月 22日 完成日期：2010年 4 月 10日题 目 中央空调水 泵系统变频节能及其性能优化研究 1、 本论文的目的、意义 通过对中央空调系统设备现状的分析，通过设备改造对其性能进一步进行 优化。使 其达 到运行稳定、障率低、节能等效果。 2、 学生应完成的任务 1 熟悉设备系统. 2 组织材料,形成论文. 3 完成答辩 3、 论文各部分内容及时间分配：（共 6 周）第一部分 了解系统并进行分析，收集相关材料。 （ 第1 周) 第二部分设计论文整体架构 ( 第 2 周) 第三部分撰写正文 （第3周) 第四部分编码、测试 （第4

3、 周) 第五部分校对、整理 （第5周) 评阅其答辩 ( 第6 周)4、 参考文献1 唐修波.变频技术及应用,中国劳动社会保障出版,2006.102 刘介才.工厂供电, 第三版.机械工业出版社,2003.12 3 钟肇新 范建东. 可编程控制器原理及应用, 第三版.华南理工大学出版社,2003.12 4 吴忠智.变频器应用手册, 第三版.机械工业出版社,1995.35 孙允标.现代通讯及网络技术, 第二版.国防工业出版社,2006.56 郭宗仁.可编程序控制器及其网络技术, 人民邮电出版社,1999.37 张浩.现代总线与工业以太网络应用技术手册, 上海科学技术出版社,2004.108 许振茂.

4、变频器调速装置调试运行与维修,兵器工业出版社,1995.129 萧蕴诗.网络技术基础,武汉理工大学出版社,2003.710李方园.变频器控制技术, 电子工业出版社,2003.411 张燕宾.变频器应用教程,机械工业出版社,2007.12备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日诚信承诺一、 本论文是本人独立完成；二、 本论文没有任何抄袭行为；三、 若有不实，一经查出，请答辩委员会取消本人答辩资格。承诺人（钢笔填写）： 年月日目 录摘要1ABSTRACT2第1章 绪 论3第2章 系统设计421 中央空调系统节能技术的认识、分析与概述42.1.2中央空调运行控制方法分析62.1.3中央

5、空调调速节能原理72.1.4中央空调变频改造方案设计82.2 我公司系统系现状与改造方案102.2.1 中央空调系统的组成102.2.2 中央空调的设计依据102.2.3 循环水泵的工作特性112.2.4 变频调速的节电方案142.2.5 变频调速系统配置152.2.6 系统安装调试192.2.7遇到问题及解决方法：202.2.8 使用效果：21结 论23致 谢24参考文献25附录1：工频与变频切换电路26西南交通大学网络教育毕业设计（论文） 第 26 页摘要随着我国改革开放的不断深入，经济的迅猛发展，使我国迅速成为世界上的能源消耗大国、能源进口大国，因此在我国节能问题凸现重要。科学技术的发展

6、，特别在电力电子、微电子及计算机技术迅速发展的今天，电气自动化技术更是日新月异，毫无疑问节能技术也日趋成熟。目前，采用自关断器件的全数字控制PWM变频器已经实现了通用化，因此应用变频技术节能成为主流。在我国的夏天空调是消耗电能比较大的设备之一，在东南沿海城市空调的能耗相当大，鉴于这种情况深圳市政府特别要求各部门将空调的温度调高至26度。所以对中央空调进行节能，是势在必行。特别是各物业公司在不断完善的法律、法规面前管理逐步规范化、透明化、利润空间越来越小，在提高服务质量的同时，减少开支、节约成本成为工作中的重点。我公司也不例外，去年在领导的要求下，对空调水泵系统进行了节能考察、招标、改造。通过对

7、中央空调系统能耗的分析，提出了以全变频方式控制中央空调循环水泵系统的变频调速节能方案，通过变频节能改造后，实际效果未能达到预期的目的，通过查找原因及分析问题最后系统的配置及实际的运行情况达到了理想的効果。关键词：中央空调、水泵、全变频、PID、存在的问题。ABSTRACTAlong with our country the reform open of continuously thorough, economy of fast fierce development, make our country quickly the energy become in the world consume

8、s the big country, energy to import the big country, so economize on energy the problem in the our country convex important now.Technical development of science, special today that develop quickly in the electric power electronics, micro-electronics and the calculator techniques, the electricity aut

9、omation technique is also to change with each passing day, the beyond all doubt economy energy technique also is gradually maturing.Currently, the adoption break the total amount word of the machine piece control PWM to change the machine of to has already carried out from the pass in general use tu

10、rn, so the application changes the technique economy energy to become essential.In the summer air condition of the our country is to consume the electric power to compare one of the bigger equipmentses, follow the sea city air condition and can consume in the southeast very and greatly, owing to the

11、 city hall in this kind of circumstance Shenzhen request each section to key up the temperature of the air condition to 26 degrees specially.So carry on the economy energy to the central air condition, is a power at go necessarily.Especially each thing industry company at the time of continuously pe

12、rfect law, the laws in front management gradually norm turn, transparency, the profits space is more and more small, at raising the service quantity, reduce the expenditure and economize the cost to become the point in the work.My company is no exception, last year under the request that lead, pumpe

13、d the system to carry on the economy energy to the air condition water investigation, invite bids and reform.Pass the analysis that can consume to the central air condition system, put forward to economize on energy the project soon by all changing the method control central air condition circulatio

14、n water pump system to change the to adjust, after passing to change the economy energy reformation, the actual result can not attain the anticipant purpose, passing to check to seek the reason and the analysis problem end systems to install and the actual movement circumstance comes to a the ideal

15、resultKey Words: Central air conditionThe water pumpChange the machine of PIDProblem of exist第1章 绪 论随着我国改革开放的不断深入，经济的迅猛发展，使我国迅速成为世界上的能源消耗大国、能源进口大国，因此在我国节能问题凸现重要。科学技术的发展，特别在电力电子、微电子及计算机技术迅速发展的今天，电气自动化技术更是日新月异，毫无疑问节能技术也日趋成熟。目前，采用自关断器件的全数字控制PWM变频器已经实现了通用化，因此应用变频技术节能成为主流。在我国的夏天空调是消耗电能比较大的设备之一，在东南沿海城市空调的

16、能耗相当大，鉴于这种情况深圳市政府特别要求各单位及各部门将空调的温度调高至26度。所以对中央空调进行节能，是势在必行。特别是各物业公司在不断完善的法律、法规面前管理逐步规范化、透明化、利润空间越来越小，在提高服务质量的同时，减少开支、节约成本成为工作中的重点。我公司积极响应政府号召，在公司领导的指挥下，对空调水泵系统进行了节能考察、招标、改造。第2章 系统设计21 中央空调系统节能技术的认识、分析与概述随着我国人民生活水平的提高，城市建设得以迅猛发展，高层建筑逐渐增多，为空调市场带来了大量的商机。然而空调在给人民生活带来舒适的同时，对电能的消耗是相当大与我国政府倡导低碳经济建设资源节约型社会的

17、方针相冲突。对空调形式及其节能标准也提出了新的要求。 2.1.1空调形式的选择、及节能方法。空调形式的选择 不同建筑空调形式的选择 高层建筑空调方式应根据不同的建筑形式，建筑物使用功能、时间，以及空调负荷的特点等来选择。比如，办公楼建筑，分为常规建筑和现代化办公楼，常规办公楼属于舒适性空调，现代化办公楼夏季冷负荷为常规办公楼的1.3-1.4倍。 旅馆建筑，目前国内外旅馆客房空调用的最多的是风机盘管加独立新风系统。 商业建筑，在商业大楼中，广泛采用集中新风系统和各层机组相结合的空调方式，对于大型商场，为了适应商场内部区客流量的波动，而周边区全天负荷变化不大的特点，国内也有内区采用VAV，周边区采

18、用风机盘管或定风量单风道的空调方式。 同一建筑空调形式的选择 同一座高层建筑物内平面和竖向房间的负荷差别很大，各房间用途、使用时间和空调设备承压能力等均不尽相同，而且整个建筑物的空调容量很大，为使空调系统既能保持室内要求参数，又能经济管理，就需要将系统分区。系统分区主要考虑室内设计参数、负荷特性、建筑高度、房间使用功能和使用时间、空调设备的容量和节能管理方便等因素。 空调节能的方法空调负荷主要包括：由于室内外温差通过围护结构传热引起的负荷，日射得热引起的负荷，室内设备及人员散热引起的负荷，新风引起的负荷，物料散热量及散湿过程的潜热量等。 在目前的空调工程设计中，冷负荷设计值过大的问题非常普遍。

19、据调查数据显示，许多空调建筑即使在最热的季节，仍有1/3的冷水机组是不运行的，有的甚至高达12。设计冷负荷是选择设备的主要依据，所以正确地计算建筑冷负荷对整个系统的设计十分重要。然而，目前国内的空调设计造成大量的设备闲置，对此设计冷负荷取值过大是其中主要原因。 建筑物内主要冷、热负荷由冷冻机和锅炉提供的冷冻水和热水来承担。因此，空调水系统就变得庞大和复杂，不仅管路和设备投资较高，而且水泵耗能也较大。在空调系统中，水泵的能耗占据相当的比重，其节能潜力较大。 目前，有些工程冬、夏季使用同一循环水泵，但是空调系统的水流量随空调负荷的增大而增大，随供、回水温差的增大而减小。我国夏热冬冷地区，一般夏季空

20、调冷负荷大于冬季热负荷，而夏季空调供、回水温差为5，冬季空调供、回水温差为10(除直燃式机组、热泵机组外)，因此夏季空调水流量比冬季大得多(至少大1倍)。所以水系统的布置、系统运行工况、管路和设备的选用应从节能、安全性和维护管理等方面综合平衡后进行合理的考虑和安排。 在空调工程水系统设计中，首先优选同程式系统，它不仅确保设计质量和方便管理，而且对于今后由于大楼局部使用功能发生变化为空调系统改造带来很大的方便；关于异程式水系统，在空调工程设计中应采取谨慎的态度，首先该系统必须是小系统或者是局部异程系统，其次还需要对系统作仔细的水力计算，对一些支管上还需增加一些平衡阀来调节压差，以实现水力平衡。在

21、冷冻水、冷却水系统中，不论大小系统应尽量优先考虑机、泵一对一系统，它不仅有利于冷水机组的稳定运行，而且对系统的管理、节能、自控都会带来很大的好处。我们知道，在空调设备运行中，水泵的能耗一般均占系统总能耗的1520，如果在系统负荷发生变化时停掉一台冷水机组，同时其相应的水泵也停掉1台，其节能效益是非常可观的。对于泵与冷凝器不对应的来说，应该在每台冷凝器及冷却塔的供水管上装电动蝶阀并与其冷水机组联锁控制，否则这种系统不宜采用。 高层建筑空调负荷大，冷热源设备初投资大，且空调能耗在高层建筑的总能耗中占有很大的比例，故冷热源设备的选用须按技术先进性、经济性和安全可靠性等原则进行比较后确定。空调冷热源方

22、案的优选实际是一个多目标决策问题，运用层次分析方法，建立适合冷热源方案选择的评价指标体系，将定量和定性指标统一在一个模型中，形成一个多层次的分析结构模型，对方案进行优序排列，得出优选方案。根据工程所在地点的气候条件、能源结构、系统的冷热负荷和本项目的特点，依据冷热源选择的基本原则，排除明显不合理的方案后，得到以下4种冷热源备选方案： 螺杆式冷水机组燃油锅炉。 螺杆式冷水机组蒸汽换热器。 蒸汽双效溴化锂吸收式冷水机组蒸汽换热器。 燃油直燃式溴化锂吸收式冷热水两用机组。 另外，作为水源热泵的一种，城市污水冷热源热泵近两年得到了长足发展。城市原生污水数量巨大，遍布城市市区内，城市污水冷热源热泵同时还

23、涉及到污水资源再生利用问题，因此得到广泛认可，发展迅速，是一个很好的应用方向。城市污水源热泵作为一项新技术，在国外已应用几十年，国内近两年才开始应用。该技术能否得到推广使用，主要涉及初投资、运行费及其发展潜力等问题，而发展潜力又包括能源利用率、对环境的破坏性及实际的应用规模。在不需供热或电力供应相对充裕的地区，冷源需求大、日负荷变化大等场合，大功率电驱动制冷机如螺杆式、离心式压缩机组具有明显的优势；而在电力供应缺乏的地区，如果需要同时制冷和供热，选择性能相对稳定的吸收式制冷机组则较为合适；在某些寸土寸金的城市，选用水源热泵式机组能节约设备用房，更能适应不断变化的建筑间隔，尤其适合出租办公楼工程

24、采用。 中央空调形式的选择在实际工程中要因地制宜，既要考虑方案的经济性，又要考虑噪声、污染及维护管理等技术性能；既要考虑当前的投资利益，又要考虑长远利益，从而合理地选择冷热源方案。空调系统的作用就是对室内空气进行处理,使空气的温度、湿度、流动速度及新鲜度、洁净度等指标符合场所的使用要求。为此必须对空气进行冷却或加热、减湿或加湿以及过滤等处理措施。其相应设备有制冷机组、热水炉、空调机组、风机盘管等。当被调房间温度与湿度受内部热源干扰或室外温湿度变化而发生波动时,首先由温度与湿度传感器把信号送给调节器,调节器与设定值进行比较后发出指令给执行器,执行器动作后,不断调整以符合要求。在中央空调系统中,冷

25、水机组是由设备生产厂成套供应的,它一般是根据空气调节原理及规律等由微处理器自动控制的。冷水机组由压缩机、冷凝器、蒸发器与节流元件组成,压缩机把制冷剂压缩,压缩后的制冷剂进入冷凝器,被冷却水冷却后,变成液体,析出的热量由冷却水带走,并在冷却塔里排入大气。液体制冷剂由冷凝器经过节流元件进入蒸发器进行蒸发吸收,使冷冻水降温,然后冷冻水进入水冷风机盘管吸收空气中的热量,如此循环不已,把房间的热量带出。 空调系统按处理设备及处理方法不同可以分为喷淋与表冷式两种类型。这两种类型又可分为全新风直流系统、一次回风系统与二次回风复合系统及旁路系统。按调节精度要求不同可分为高精度空调,一般精度空调及舒适性空调。舒

26、适性空调一般应按照等效温度(ET)和CO2浓度来进行设计。所谓等效温度是反映人们舒适感觉的一个综合感觉的一个综合指标,它结合干球温度、湿球温度和空气流速的效应来反映人的冷热感觉。因此等效温度随四季变化有较大变化。 中央空调的控制特点 空调系统的特性可以归纳如下:(1)干扰性。空调系统在全年或全天的运行中,由于外部条件(如气温、太阳辐射、风、晴、雨、雪)和内部条件(如空调房间中设备、照明的启、停和投入运行的多少,以及工作人员的增减等)的变化,都将对空调系统的运行形成干扰。(2)调节对象的特性。不同的被控对象,在相同的干扰作用下,被控量随时间的变化过程也并不一样。空调自控系统的任务就是为了克服这些

27、干扰因素,维持空调房间一定的温、湿度和空气品质。但温、湿度的控制效果不但取决于自控系统,更主要的是取决于空调系统的合理性及空调的对象特性。(3)湿度的相关性。在空调的控制中,大多数情况下主要是对空调房间内温度和湿度的控制,这两个参数常常是在一个调节对象里同时进行调节的两个被调量两个参数在调节过程中又相互影响。如果由于某些原因使空调房间内温度升高,引起空气中水蒸气的饱和分压力发生变化,在含湿量不变的情况下,就引起了室内相对湿度的变化温度升高相对湿度就会降低,温度降低相对湿度就会增加,在调节过程中,对某一参数进行调节时,同时也引起另一参数的变化。(4)多工况运行及转换控制,由于空调系统是在全年的室

28、内外条件变化下,按照一定的运行方式(即工况)进行调节的。同时在内外条件发生显著变化时要改变运行调节方式,即进行运行工况的转换。(5)整体控制性,空调自动控制系统一般是以空调房间内的空气温度和相对湿度控制为中心,通过工况转换与空气处理过程每个环节紧密联系在一起的整体控制系统。空调系统中空气处理设备的启停都要根据系统的工作程序,按照有关的操作规程进行,处理过程的各个参数调节及联锁控制都不是孤立进行,而是与室内温、湿度密切相关的。 2.1.2中央空调运行控制方法分析 中央空调系统设计首先是根据室外气象参数和室内空调设计参数计算冷负荷，按分区结构特点，根据产品样本选择相应的设备，组合成一个系统。但空调

29、系统绝大部分时间是在不满负荷的情况下工作。在不满负荷工作的控制方式不合理，系统能效比会大大降低。现在空调系统在运行调节方式上，风水系统主要是阀门（手动、自动阀门调节），主机利用卸荷方式，而这些方式是牺牲了阻力能耗来适应末端负荷要求，造成运行成本居高不下。 若采用变频控制，能量的传递和运输环节控制为变水量（VWV）和变风量（VAV），使传递和运输耦合并达到最佳温差置换，其动力仅为其它控制系统的3060%，而且节能是双效的，因为对制冷主机的需求能耗同时下降。主机采用变频节能控制，保持设计工况下的制冷剂运动的物理量（如温差、压力等）变化，节能较其它调荷方式明显，如约克（YORK）的YT型离心式冷水机

30、组，配置变频机组在部分负荷下能效比可降至0.2kw/冷吨，可见变频控制方式在空调系统中应用前景十分广阔。 过去由于价格的原因，在中央空调系统中应用变频技术推广较难。在变频技术、计算机自动化控制技术非常成熟的今天，用此技术与暖通空调专业技术相结合，它并不是一门高价的技术，在小功率空调中其经济性都可承受，在中央空调系统中更不应该成问题：中央空调运行时间更长，节能问题更突出；变频控制在整个系统中所占的造价比例不高；变频控制器的容量越大，每千瓦功率单价越低。 中央空调系统采用变频器是可行的，其投资回收一般在612个月，以变频控制器使用寿命10年计，其净收益在10倍投资额以上。 2.1.3中央空调调速节

31、能原理制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻水泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中，由风机吹送冷风达到降温的目的。经蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量，与冷却循环水进行热交换，由冷却水泵将带来热量的冷却水带到散热水塔上由水塔风扇对其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气中去。 旧操作系统为“星-三角转换起动”全压运行，此时空调机组在满负荷状态下工作，系统在起动电机时不能平滑起动，起动时对电网冲击大，长时间频繁起动将造成电机的绝缘性下降，电机温升过高，在运行过程中不能有效的根据病房与办公楼的需求，对温度进行有效的调节，只能工频最大量进给

32、，这将势必造成能量的浪费。 而通过变频频改造后，能根据房间的制冷及制热的需求自动调节冷冻泵及冷却泵的流量而达到节能降耗的目地。 由于目前冷却水循环泵为工频满负荷运转，在制冷周期的前期和后期，环境温度较低，冷却水回水温度较低，会造成溴化锂结晶，导致空调机组效率降低，甚至保护。采用变频恒温差控制后，回水温度得到有效控制，将大大提高空调机组的效率，达到节能目地。由于冷冻水循环泵也在工频满负荷运转，而不能根据室内温度的要求自动调节流量，而通过变频改造后冷冻泵能根据室外温度及室内温度要求能自动调节流量，提高效率，达到节能目地。 减小空调开机、停机时对供电和系统的冲击 减小空调开/停机对电网的冲击，由于循

33、环水泵的功率较大，工频起/停泵时，对电网的冲击较大，影响其他设备的运行。采用变频控制后，水泵实现软起动、软停止，其电流均小于额定电流，对电网不再产生冲击。 减小停泵时循环水的水垂效应，由于是变频软停止，且停泵过程可控制，可以完全消除停泵时的水垂效应，消除水垂对空调系统管网的冲击。 降低设备的故障率 采用变频控制后，循环水泵大部分时间工作在额定功率以下，这将有力的降低设备的故障率，减少设备维修和维护。 提高设备的自动化程度 实现对循环泵的过载、过流保护对冷水机组的冷却水、冷冻水的温度进行自动控制，保证机组的安全高效运行。 综上，中央空调的循环水泵采用变频控制具有明显的经济效益，对系统进行变频改造

34、非常必要。 2.1.4中央空调变频改造方案设计冷却水循环泵的变频改造方案 变频控制方式，专业的冷却泵变频控制理论恒温差控制 变频节能控制原理 变频控制系统根据冷冻机的回水和出水的温度差，改变冷却水循环泵的转速，即改变冷却水的流量，从而保持冷冻机的回水与出水的温度差恒定。 水泵消耗的功率与转速是立方关系，即 Pn3n冷却泵的转速 由此可见，水泵消耗的功率在理想状态下，与冷水机组的制冷量成正比，即 PQQ,冷水机组的制冷量 控制系统功能 冷却出水、回水温度检测、显示 恒温差自动控制 节能率：可达20以上 运转泵与备用泵切换 冷却水过温差、欠压力报警 冷却水泵过载报警 冷冻水循环泵的变频改造方案 变频控制方式 冷冻水泵系统的闭环控制 制冷模式下冷冻水泵系统的闭环控制 该方案在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一