变频调速在酒店中央空调中的应用

一、 概述
在酒店中央空调系统中，冷冻水泵和冷却水泵的容量是按照建筑物最大设计热负荷选定的，且留有余量。在没有使用变频调速的水系统中，无论季节、昼夜和用户负荷的变化，水泵都长期固定在工频状态下全速运行，能量的浪费是显而易见的。近年来由于电价的不断上涨，造成酒店运行费用急剧上升，以致它在整个酒店成本费用中占据越来越大的比例，加上目前旅游业竞争大，多数酒店营业额不够理想。因此电能费用的控制显然已经成为酒店经营管理的关键所在。一般中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20-30%，故节约低负荷时水系统的输送能量，具有很重要的意义。所以，随着热负荷而改变水量的变流量空调水系统显示其巨大的优越性，而得到越来越多酒店的广泛采用。珠海某酒店是耗能大户，由于酒店内部深挖潜力、节能增效；因此委托我公司对其酒店五套中央空调水系统成功地进行了变频节能改造，并为酒店取得了明显的经济效益和社会效益。
二、 酒店中央空调设备参数
1、 东楼
有上海“Carrier”牌主机：30HR—195型（活塞机、5机头、两回路）共5台；其中高区2台，低区3台，单台制冷量为165冷顿（名义制冷量580KW）。蒸发器额定流量为：100m3/h，蒸发器压头损失：36Kpa；冷凝器额定流量为125m3/h，冷凝器压头损失：80Kpa。
冷水系统：
高区冷冻水泵3台 电机功率：30KW 水泵：离心式水泵
进出水管道形式：并联 进出水温差：△T=1.9℃ 型号：XA80/40
运行方式：二开一备 额定电流：57.6A 流量：100m3/h
电机启动方式：△/Y启动 运行电流：72A 扬程：53M

　　低区冷冻水泵4台 电机功率：22KW 水泵：离心式水泵
进出水管道形式：并联 进出水温差：△T=2℃ 型号：XA100/32
运行方式：二开二备 额定电流：43.1A 流量：135m3/h
电机启动方式：△/Y启动 运行电流：44.4A 扬程：32M

　　冷却水泵5台 电机功率：30KW 水泵：离心式水泵
进出水管道形式：并联 进出水温差：△T=2.5℃ 型号：XA100/32
运行方式：三开二备 额定电流：57.6A 流量：125m3/h
电机启动方式：△/Y启动 扬程：32M
2、 西楼
有法国“Carrier”牌主机：30HT290A901EE型（活塞机、5机头、两回路）共4台，单台制冷量290冷顿。
冷水系统：
冷冻水泵5台 电机功率：30KW 规格：AKP2517C
进出水管道形式：并联 进出水温差：△T=2℃ 流量：286 m3/h
运行方式：三开二备 额定电流：58A 扬程：32M
电机启动方式：自耦降压 运行电流：55A 效率：82%

　　冷却水泵5台 电机功率：45KW 规格：200-150-315
进出水管道形式：并联 进出水温差：△T=2℃ 流量：374 m3/h
运行方式：三开二备 额定电流：84.9A 扬程：28M
电机启动方式：自耦降压 运行电流：70A 效率：82%
根据以上东楼、西楼设备参数及水泵机组特性曲线和水网管道压力差的科学计算。
东楼、西楼中央空调水系统的水流量都大于它们的设计流量，有较大的节能空间。由
于东楼高区冷冻泵原始运行状态存在一些问题；因此我们以东楼中央空调高区作为具
体设计和分析对象。
三、 酒店东楼高区冷冻泵原始运行状态及其看法
1、 高区冷冻泵原设计为运行一台主机，开一台泵；而现在运行情况是开壹台主机需开两台高区冷冻泵；据酒店有关人员介绍，3台高区冷冻泵5#、6#、7#水泵电机，由于严重超负荷，其电机原始绕组都已烧坏，现在的3台电机绕组全部更换新的了，并且增大了漆包线的线径，使电机能承载72A；即使加大了绕组线径，但在该电流下每台电机只能间断运行，工作时间最多不能超过8小时；所以3台水泵必须按每4小时依次组合（两台泵）循环投入运行。该中央空调水系统的运行不正常及大量耗电是毋庸置疑的。
2、 根据酒店多年夏季最热时记录及现场测得高区中央空调冷水机主蒸发器进出水温差偏小，温差在2℃以下；说明高区冷冻水泵系统水流量有大大的富余，大量的电能在做无用功，在浪费；使高区中央空调主机、蒸发器、水泵等都工作在低效状态。
有很大的节能空间。
3、 根据高区中央空调主机参数可知，冷冻水在额定工况下蒸发器进出口两端压差为36Kpa（0.367㎏f/cm2），而在现场测得，在运行两台高区冷冻泵时，蒸发器进出口压差为2.5㎏f/cm2，水流量是额定流量的2.6倍，即使工作在单泵运行状况下，冷冻水在蒸发器进出口两端的压差为1.5㎏f/cm2,流量也是额定流量的两倍,说明该水系统工作状况调试很差,系统管阻小，水泵扬程存在较大余量，水流量过大,水泵电机严重过载,该水系统有较大的节能空间。
4、 该酒店一部分人的看法是：高区中央空调冷冻泵水系统不能变频节能；其理由是冷冻水泵电机严重过载，电流大大超过了额定值。对变频的认识不够，不理解变频调速系统节能的实质是什么？
四、 变频节能的实质
对于水泵来说，系统流量有富余就有节能；流量富余的判别标准：就是换热器（蒸发器）其进出水温差大小，温差低于额定值，系统就可节能。变频节能就是把系统富余的流量、扬程节省下来，使系统工作在耗能最少的最佳工况下。因此，节能的大小与电机电流的大小无关。
五、 高区冷冻泵改造方案的确定
根据高区冷冻水泵系统存在的一些问题和运行现状，我们提出了3种可解决方案：①对高区冷冻水管路系统进行水力调节，增加各管路设备阻力，使水泵工作点左移，使
水泵运行参数趋于合理，达到减少运行电流的效果。该方法工作量大，需更换部分流量调节阀，增设一些温度检测装置，施工期间将影响酒店营业。②以改变叶轮直径方法调整水泵工作点，对高区冷冻泵的叶轮直径进行调整，减少叶轮直径，适当降低水泵的扬程、流量，在保证空调系统各未端流量和房间冷量的前题下，减轻水泵电机负载，使运行电流趋于额定电流值。③对高区三台冷冻水泵均采取变频控制运行，改变水泵运行特性曲线与目前的管路特性曲线交汇后，水泵处于合理的运行状态，此方法节能效果佳，但初投资大。改造后单台机也不能工频运行。
经过综合的分析比较和考虑初投资问题，对高区三台冷冻泵采取②方案与③方案综合并用。先把5#水泵叶轮进行调整，叶轮型号更换为XA80/40B型叶轮，其运行电流下降6A，使5#水泵电机（单台）能在工频状态下正常投入运行。另在6#、7#泵上，由于其运行电流超过额定电流，所以变频器必须加大一级。设计安装一台威科平方转矩风机水泵型变频器的冷冻水泵控制系统。型号为VEC-V6-037G3，其容量为37KW，变频控制系统可在2台（6#、7#）30KW冷冻水泵电机之间切换。在其中一台（如6#）30KW冷冻水泵电机由变频器控制运行时，另外一台（7#）冷冻水泵电机可以根据系统需要手动投入工频运行（5#必须先启动或已在工频运行）或手动退出（此2台水泵变频控制和工频控制互锁），剩余一台（5#）水泵电机可在工频下运行或停止，其控制原理图见图2。这样既能彻底解决原系统运行存在的问题，又能达到节能的目的，投资少，施工期间也不影响酒店的正常营业，有事半功倍的效果。
六、变频调速闭环控制系统的特点
① 采用SPWM变频闭环控制，可按需要进行软件组态；并设定温度或温差进行PID调节，使电机转速随空调热负载的变化而变化，在满足使用要求的前提下，达到最大限度的节能。
② 由于软启动、软停机和降速运行，减少了振动、噪音和磨损，延长了设备维修周期和使用寿命，提高了设备的MTBF（平均故障维修时间）值，并减少对电网冲击，提高了系统的可靠性。
③ 变频调速系统主回路与原水泵主回路并联，变频系统控制回路与原水泵工频控制回路互锁；变频系统并入不影响其原系统的正常使用。变频系统需检修，可立即切换到原工频状态运行。
④ 本系统的保护功能较为完善，还设有自动重新启动功能，选择自动重新启动以后，变频系统在跳开后自动启动（变频器不需手动复位）。提高了系统自动化操作能力，使系统的运转率和安全可靠性大大提高。
六、 变频节能闭环调速系统振动测试
㈠、测试的目的
测振的目的是为了监测水泵运行时的振动情况，避免某些运行频率下的谐振及分析水泵在变频运行中的振动改变情况，一般来讲，变频运行大多数情况下是在降速下运行，振动会有明显改善。同时由于酒店有的人坚持认为变频运行会加大电机的振动，并造成了酒店水泵磨损。为消除酒店一些人的错误看法，充分证明系统的软启动和降速运行，对电机减少了振动和磨损，延长了设备维修周期和使用寿命。因此，设备安装完毕我们采用了EMT220系列袖珍式测振仪（其测量精度为±5%测量值±2个字），对改造后的10台水泵进行了振动测试。
㈡、具体数据如下：
东楼低区(22KW)冷冻水泵：

　①　由于的水泵系统最低转速必须满足冷凝器、蒸发器及其系统正常工作最小的水流量要求；因此，变频器必须设定一个能够满足冷凝器、蒸发器的最低频率下限；使之转速下降到一定程度不再下降。 频率下限的设定必须根据中央空调冷水机组的参数，耐心细致的调整。在调速过程中出现谐振时，可设定跳跃频率；使整个速度范围和可变负荷无谐振运行。经现场调试东、西楼五套变频调速系统频率下限均为35Hz。
② 根据ISO-2372振动列度V≤0.71CM/S的振动速度都是可容许的振动速度可知，安装运行的10台变频闭环调速系统的水泵电机；经闭环跟踪测试振动速度均为合格的。　　　
③　从振动速度数据记录可知，对同一电机速度越低时，其振动烈度也小；工频振动速度小的其变频运行振动速度也小。与工频运行的振动速度大小对比，变频运行时，水泵的震动没有明显的增大趋势，普遍规律是随转速降低振动值也减少。
④　经测试安装变频调速系统振动对电机及系统无影响。

　　八、节能效果测试
1、测试数据
测试时间：2003年6月30日 
工频运行测试记录

由测试结果可知：在改造后的5套变频调速系统节能率都在30%以上，达到改造前的要求。通过测试也使我们了解到PID的温度（温差）设定值与节能效果密切相关；客户对此参数的设定应在（不影响使用的前提下）不超出中央空调主机设计温差；尽量提高温差来，提高节能效果。
变频改造后，改善了原水系统的运行状况。特别是高区冷冻泵在未改造时，由于改造前管路系统设计偏大，水泵工作点偏离高效区右移造成水泵大流量运行，使电机严重超负荷（单台水泵投入运行，水泵电机立即发热烧坏）。无论高区冷水机组运行几台主机，高区冷冻泵最少运行两台；因此，水系统流量长年处在大流量低温差状态下运行，能源白白浪费。通过变频调速节能改造使这一现象得到了控制，水系统大大改善，高区冷水机主运行壹台主机，仅需运行壹台变频冷冻泵。为此，高区冷冻泵在该条件下运行的节电率为66.6%，酒店方面对改造后的效果非常满意。

　　九、变频节能系统在使用方面一些值得注意的情况
① PID调节器温度值（温差值）的设定
有些用户在安装了变频节能改造后，由于PID调节器温度值（温差值）设定不当，使变频节能系统，发挥的效果不佳。有的用户设定值不随环境温度、气候、季节、昼夜的变化长期不变设为一定值；有的用户设定为零，有的甚至设为负数长期固定不变；致使变频节能系统长年运行在50Hz，不但不节能，反而增加能量消耗，得到了相反的效果。PID的设定应在系统控制中不发生振荡条件下，不超出中央空调主机设计温差，适当提高温差，来提高节能效果。 
② 水系统控制不正常的混水现象
就是开启的主机的蒸发器、冷凝器进出水管道阀门打开，没有开启的主机的蒸发器、冷凝器时出水管道阀门也打开了，使回水水量的一半从开启的主机的蒸发器（冷凝器）流过，另一半从未开启的主机的蒸发器（冷凝器）流过；因此，形成混水。（如图1所示）促使C点冷冻水出水温度升高，使水系统出现在总流量过剩条件下某些末端设备冷量不足的现象。在冷却水系统中，会出现冷凝器冷却不充分，造成冷凝压力升高，使主机负载电流加大，甚至造成高压跳机。因此变频调速系统如果运行在该混水状态下，将会造成错误的控制，产生对主机不利的节能运行。所以混水极大影响运行，在使用中，应严禁杜绝。

　　十、结束语
变频调速系统在酒店节能中具有广阔的发展前景，尽管有的酒店操作使用不当，但这与使用单位对变频的认识和应用水平有关。从酒店的长远来看，它所产生的价值和效益是显著的，值得大力推广应用。