变频技术在空调冷冻水变流量系统中的应用及节能分析.pdf

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自动化技术与应用》2011年第3O卷第7期现场总线与网络FieldBusandNetworks变频技术在空调冷冻水变流量系统中的应用及节能分析王桂荣·2．3．王笃强(1．可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室，山东济南250101；2．山东省建筑节能技术重点实验室，山东济南250101；3．山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101，4．济南市房屋建设综合开发集团，山东济南250012)摘要：乐jiJ变频调述埘中央空调冷冻水系统冷源侧进行变流量控制，控制系统采用恒定供回水温差的控制’l互甬控制方法改变变频器输m，调节水泵转速，t~fkt了较低川户负茼时水的电能耗，与传统的定流量运仃比较节能效果f』JJ；控制系统采jfjLonWorks总线技术，组网灵活，控制精度高，系统稳定忡。关键词：变频器；PlI)控制；变流量；LonWorks}[}J罔分类号：TU831史献标识码：B文章编号：1003⋯7241(2010)09006004ApplicationofFrequencyConversionTechnologyinAir．ConditionRergy-S一avi‘ngAnalysisWANGGui-tong，2，3．WANGDu·qiang(1·KeyLaboratoryofRenewableEnergyUtilizationTechnologiesinBuildings，MinistryofEducation，Jinan250101China；2．ShandongKeyLaboratoryofBuildingEnergy—savingTechnique，Jinan250101China；3．SchoolofThermalEnergyEngineering，ShandonglianzhuUniversity，Jinan250101China；4．JinanHouseBuildingIntegratedDevelopmentGroup，Jinan250101China)Abstract：Thispaperpresentsamethodwhichusesfrequencyconversiontechnologyincentralair—conditionchilledwatersvtemofvariableflow．Inthissystem，theoutputoffrequencyconverterCallbealteredbyaugmenterPIDcontroJnIIewhichisusedincontrolofinvariabledifferenceintemperaturebetweenwatersupplyandbackwater，andtherotatingspeed()fwaterpumpcanbechangedcorrespondingly，SOwhentheuserloadissmall，theelectricenergyconsumecarlbereduced．Theefectofenergy—savingisvisiblecomparingwiththeconventionalAir—Conditionchilledwaterc()nstantflowsystem．LonWorkstechnologyisusedinthecontrolsystem，itcanbeconstructedflexiblyandhashighprecisionandstability．Keywords：frequencyconverter；PIDcontrol；variablewaterflow；LonWorks引言中央空调系统是现代大型建筑物中必不可少的系统之一，而空调耗能是建筑物耗能中的大户，在能源供收稿日期：2011—04—11 现场总线与网络《自动化技术与应用》20l1年第30卷第7期FieldBusandNetworks应日趋紧张的时候我们迫切要求在保持空调区域一定和震动时对挡板和阀门的损害极大。使用变频节能装舒适度的前提下最大限度地降低空调能耗。中央空调置，利用变频器的软启动功能使启动电流从零开始，最系统通常是在最大负荷的基础上增加一定余量作为设大值也不超过额定电流，从而减轻了对设备和电网的冲计负荷，而实际运行中只有很少的时间是满负荷运行，击，延长了设备的使用寿命。尽管冷冻主机能自动调节负载，但相应的冷冻泵、冷却风机、水泵是中央空调系统中的主要设备。传统的泵却几乎长期在满负载下运行，电能消耗非常大。如果调速方法是通过调节人13或出口的挡板、阀门开度来采用变频器来控制空调机组及水和空气输送系统的各调节给风量和给水量，并不能真正降低风机、水泵的耗种风机和水泵，节能效果可达30％。同时如果采用先进电电量，本文中中央空调系统采用变频调速装置取代传的控制技术和控制系统将能进一步降低空调系统的能统方式，由变频器控制风机、水泵的转速，实现风量、水耗并改善空调系统的性能，提高舒适度。本文采用量调节的目的。当风机、水泵转速下降时，消耗的功率LonWorks现场总线技术，由各分散的DDC控制节点对也大大地下降。空调系统的各种设备进行监测和控制，采用PID控制方法对冷冻水供回水温差进行控制，由变频器控制冷冻水3冷冻水系统冷源侧变流量运行的供泵的转速改变供水量，实现了冷源侧变流量运行，节能回水温差控制效果明显。图1为中央空调冷冻水系统冷源侧变流量运行控制原理图。按照传统的定流量运行模式，当负荷下降2变频调速装置与节能原理时，只能靠增大旁通流量来满足要求，水泵运行能耗大。变频器是一种常用的变频调速装置，它是利用电力变流量运行模式采用温差控制法，保持供水温度为7℃，半导体器件的单向导电性将电压、频率固定不变的交供回水温差At为5℃。当负荷下降时，回水温度下降，流电(工频电源)变换为电压、频率可变的交流电的电能供回水温差At相应变小。温差控制器TC和变频器SC控制装置。其节能原理主要是根据变频节能、功率因数降低水泵转速，减少冷冻水供水量，保持供回水温差△t补偿节能、软启动节能三个方面来实现的【2】。恒定，从而实现变流量运行。这样负荷下降时水泵转速(1)变频节能降低，相应的能耗也降低了，相对于定流量运行模式节根据流体力学的基本知识，水泵的功率P=流量Q能效果明显【3】【】。X压力H，而流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，所以功率P与转速N的立方成正比，这样如果水泵的效率一定，当要求的调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。(2)功率因数补偿节能无功功率使大量的无功电能消耗在线路当中，造成较大浪费。而变频器内部滤波电容的作用使普通水泵电机的功率因数提高，COS一1，这样增大了有功功图1冷冻水冷源侧变流量运行原理图率，降低了无功损耗。(3)软启动节能3．1供回水温差控制电机直接启动时的电流约为额定电流的数倍，对机恒定供回水温差的控制模式采用增量式PID控制电设备和电网造成严重冲击，而且启动时产生的大电流算法： 《自动化技术与应用2011年第3O卷第7期现场总线与网络FieldBusandNetworksAuU一U冷冻水，如果B泵在某一转速运行时，冷冻水供回水温一l足-十Te一2el4-2差At不再大于设定值，调节过程基本结束，系统保持当一一2=ek+前状态运行。如果用户负荷继续增加，则当B泵达到额TT定转速时，接触器K4断开，K3吸合，将B泵切换到工频，++。a)e-Kp(1+争+Kp：变频启动C泵，依次类推。相反当用户负荷降低时，冷At冻水供回水温差At小于设定值，变频器输出频率降低，水泵转速降低，当达到经济转速后，LonWorks控制器按照先投入先退出的原则停止相应的水泵，直到只有一台水泵变频工作为止。图2供回水温差控制回路冠(扬程系统采用恒定的采样周期T，使用前后三次测量的l托偏差值，计算出控制量输出给变频器，由变频器调节水泵转速。3。2水泵变频调速过程H00_j-|IlQ^、Qc。(流量)。0jll1并联逶lI瓣作点；。l一-眵=I；侮枣一。。Qc==QQB图4变频泵与工频泵并联运行时的特性曲线通过几次测试，发现当水泵变频运行时，其供电频率从49．6Hz降低到41．8Hz时，水泵出口压力从2．5×105Pa下降到1．93X105Pa。水泵的节电状况良好。图3冷冻水泵变频控制原理图然而，从图4可以看出，变频泵与工频泵并联运行时，随着变频泵频率f的降低，变频泵的扬程逐渐降低，变如图3所示，冷冻水系统由一台变频器驱动三台水频泵流量Qf随之减少；工作点C的扬程也随着降低，使泵并联供应冷冻水，其变速调节过程为：用户负荷很少总的流量QC减少；因此工频泵的扬程也降低，使工频时，只有接触器K2吸合，A泵由变频器驱动，转速为N。泵流量QA反而略有增加，容易使变频泵过载。所以随着用户负荷的增加，冷冻水供回水温差At大于设定说变频泵的频率并不是越低越好，我们将其下限值设值，温度控制器根据PID控制算法，调节输出，提高变频为36Hz。器输出频率，增大A泵的转速，从而增加了供水流量。当A泵达到额定转速时，若供水量仍不能满足用户需4LonWorks现场总线技术求，即冷冻水供回水温差At仍大于设定值，LonWorksLonWorks现场总线技术是美国Echelon公司1991控制器发出控制指令使接触器K2断开，K1吸合，将A年推出的局部操作网，是专门为实时控制而设计的，具泵切换到工频50HZ电源定速运行；同时接触器K4吸有完整的开发系统平台。在LonWorks网络中大批设备合，变频器启动B泵，此时A泵和B泵同时向用户供应 现场总线与网络《自动化技术与应用》2011年第3O卷第7期FieldBusandNetworks(传感器、执行器等)和控制节点相互配合，使用LonTalk空调系统节能的潜力巨大，本文采用了变频调速装置实协议，经过多种传输媒体进行节点之间的通信，灵活组现了空调水系统冷源侧变流量运行，克服了以往水泵直成各种各样的分布式智能控制系统。接起动和定速运转耗能多的缺点，在空调节能方面具有LonWorks的核心技术是它的LonWorks节点(即神广阔的应用前景。在空调系统的控制方法和控制技术经元芯片节点)和LonTalk协议，开放的LonTalk通信协的选择上本文采用了LonWorks现场总线技术，其全开议提供ISO／OSI参考模型所定义的全部七层服务并以放性、互操作性、远距离多介质传输及异网构建容易的软件形式固化在神经元芯片上，由集成的三个8位优点得到了较好的体现，提高了整个空调系统的控制质CPU分别实现不同的功能。LonWorks技术由于其全量和空气品质。开放性、互操作性、支持多种传输介质和拓扑结构等特点，作为底层控制网络在楼宇自动化领域得到了广泛参考文献：的应用⋯1。[1】基于LonWorks现场总线技术的变风量空调系统温度PTD控制[J]．太原理工大学学报，2008，(1)：57-59．【2]张辉，靳军，叶正茂．变频器工作原理与在工程中的应用【J]．节能技术，2005，(7)：351-353．【3】李玉云，建筑设备自动化【M】．北京：机械工业出版社，20O6．[4】李彬，变流量空调水系统的节能探讨【J】．暖通空调，2006，(1)：132-l35．图5空调控制系统结构图中央空调系统中被控设备分散、控制变量相互关联，本文采用LonWorks控制系统作为底层控制网络，实现了分散控制、信号的远距离传输和网络化通信，控制精度高，系统稳定性好。图5为系统结构图。5结束语作者简介王桂荣(1978一)，女，讲师，主要从事自动控制系能源日趋紧张，人们的节能意识也逐渐增强。中央统的设计与技术应用、无线通信等领域的研究。(上接第59页)参考文献：2005．【1】张彤．光电接收器件及其应用[M】．北京：高等教育出版社，1987．【2】韩丽英，崔海霞．光电变换与检测技术[M】．北京：国防工业出版社，2010．(3】王庆有．光电技术[M】．北京：电子工业出版社，2008．【4】徐科军．传感器与检测技术[M】．北京：电子工业出版社，作者简介：张永枫(1960一)，男，副教授，多年从事计算机应用及检测技术的教学与科研工作。