空调风机节能改造工程的实践

白涛 董晓君 唐去克

1 引言

我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐。同时，温室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注。加强实施节能减排工作，是实现可持续发展的迫切需要，也是应对全球气候变化的迫切需要。因此，在国家要求节能减排的背景下，各企业也根据自身情况，积极贯彻落实应对。

本空调节能项目属于某电信运营商信息枢纽大楼机房空调节能改造工程。该大楼中，机房空调的用电约占总用电量的40%～50%，其中机房空调包含中央空调机组、恒温恒湿精密空调、普通民用空调。实施空调节能工程，降低用电量，减少成本，对于贯彻国家节能减排政策，增强企业竞争力是非常必要的。

2 主要内容

2.1 基本原理

对于中央空调系统的节能改造，较为成熟的技术主要是运用变频技术。根据实际负荷需要，对系统内的冷却塔风机、冷冻水泵、冷却水泵、送风机等电动机进行变频调节，以降低电机功率，实现节能的目的。在空调系统中，送风机保持长时间运转，用电量约占空调用电量的15%～30%。本项目主要针对空调系统的送风机进行节能改造，将变频技术应用于变风量空调系统，降低风机的功率。

如图1所示，风机相似定律的理论表明[1]，当改变电机转速以改变风机转速时，其效率基本不变；但风量、压力及功率却按下式改变：

其中：Q为风机风量；P为风机风压；N为风机功率；n为风机转速。

由式（3）可知，风机的耗电量与转速的立方成正比。一旦风机的转速降低，其耗电量将以立方的比例大大降低。例如：根据工艺要求，风机的风量下降到80%，则风机的转速也下降到80%，风机轴功率则会下降到额定功率的51%，节电50%；若风机的风量下降到50%，则风机的转速也下降到50%，其风机轴功率则下降到额定功率的l3%，节电87%；从节能角度看，风机变频调速控制最为有利；调节范围最大，经济性能最佳。

图1 风机相似定律曲线图

变风量空调节能系统的基本工作原理，是以风管静压为被控信号，压力信号通过 PLC控制器采集，设定压力目标值，经过内置的PID控制算法，控制变频器的输出频率，变频器通过改变电动机的转速，对风机转速进行调节，实现节能的目的。

图2为节能系统原理简图，系统的调节过程是：当机房负荷减小时，机房室内温度下降，回风温度降低，送风阀门减小开度，风管静压上升，冷水阀的开度减小，风机转速可降低；当机房负荷增加时，机房室内温度上升，回风温度升高，送风阀门增大开度，风管静压下降，冷水阀的开度增大，风机转速可增大。

图2 空调风机节能系统原理简图

2.2 系统结构与设备选型

本节能项目系统由风压传感器、PLC控制器、变频器、输出电抗器等组成。

现场的机房空调是 YORK组合式空气处理机系列，风机的电动机为18.5kW三相异步交流电机。节能系统的PLC控制器选择SIEMENS S7-200，集成了模拟量和数字量输出和输入，具备通信功能，方便实用。变频器选择SIEMENS MM430风机水泵专用系列，保证和 PLC控制器的通信顺畅。空气开关、接触器选择施耐德的D2系列，可有效保护电机。小型继电器选择施耐德RXL系列。输出电抗器选用上海鹰峰电子的产品，可有效减少高次谐波，消除对电机的不利影响。控制箱选用图腾品牌，按设计要求订做。

同时，节能系统作为空调系统正常运行的辅助部分，首先必须保证空调系统按照原状态正常运行。为此，系统设计旁路切换功能。在控制箱内，设计了变频回路的交流接触器，以及旁路工频的交流接触器，两个交流接触器之间有机械互锁，同时在 PLC软件编程中，设计电气互锁程序，这样保证两个接触器不出现同时闭合的误动作。旁路功能的实现通过两种方式：一是在停机状态下，使用切换开关进行切换；二是 PLC软件程序设计中，编写变频回路故障自动切换到旁路工频的程序，实现系统的自动切换，保证系统的正常运行。

2.3 工程的实施

（1）、风压传感器的安装位置[2]

在变风量空调系统，风管风压传感器的安装位置决定风管静压的准确与否。传感器的安装在工程实施中是难点，对这个问题，尚存不同的观点，有些人认为将风压传感器设于风机出口后管路的1/2处，更多的人认可将风压传感器设于风机出口后管路的 2/3处。对于不同的观点，需要按照具体情况分析，如图3所示：

图3 风管气流方向示意图

在图3（a）中，流体质点受到与流动方向一致的正压差作用，成为一个减压增速区，紧接减缩管之后，出现一个不大的旋涡区。图3（c）所示的分流三通上的旋涡区，也是这种减速增压过程造成的。图3（b）中，虽然过流断面沿程不变，但弯管内流体质点受到离心力作用，弯管前半段沿外壁是减速增压的，弯管外侧出现旋涡区；在弯管的后半段，由于惯性作用，弯管内侧出现旋涡区。因此，在设置风压传感器时，至少应离开这些部位4D的距离。在本工程实施中，根据现场实际情况，风压传感器设置于风管的主管道，距离分支管道2D～3D的距离。

（2）、PID控制算法的调节[3]

本节能系统中，PLC采集到风压传感器的压力信号以后，通过软件程序的PID控制算法进行计算，输出合适的频率设定值到变频器，进而改变电机转速。

在自动控制系统之中，闭环控制系统的被控对象输出会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制。

PID控制器各校正缓解的作用如下：

比例（P）环节，即时成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t)，偏差产生后，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分（I）环节，主要用于消除静差，提高系统的无差度。微分（D）环节，能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），即在系统中引入一个有效的早期修正信号，加快系统的动作速度，减小调节时间。

SIEMENS S7-200 PLC控制器包含有PID算法控制功能，通过设定以上P、I、D参数，再通过编程软件Step7-Microwin中的PID调谐控制面板（如图4所示），可以精确设定此三个参数，以达到控制风管静压的目的。

图4 PID调谐控制面板

2.4 节能测试

节能系统试运行时，进行节能测试。电气控制柜内安装有电流互感器、有功电度表，用以测试空调节能率。以48小时为一周期，空调使用节电设备和没有使用节电设备分别运行24小时。根据实际情况测试多个周期。表1为节能测试的部分数据。在两种工况下，记录有功电度表耗电量读数，并进行对比。节电率计算公式如下：

表1 节能系统测试对照表

其中：Wg为单位时间内平常状态运行耗电量，Wb为单位时间内节电状态运行耗电量。

3 总结

本项目的空调节能系统，经过设计安装调试后，已经投入正常使用运行。秋冬季节的平均节电率可达到10%～16%。

总结经验，空调节能的改造项目，在设计阶段，应根据空调实际情况进行评估和严谨设计。原空调系统本身的设备条件应重点考虑，如：风机、电气控制、阀门等是否满足设计改造的要求，原设备是否存在不足或者缺陷等。设备的相关因素如未调查清楚和考虑周到，都可能导致项目不能达到预期效果。

在项目的调试运行阶段，应注意两大原则：首先不能影响原空调系统的正常稳定运行，保证改造后的系统满足机房负荷的要求；其次再根据实际情况，运用技术手段实现节能的目标。

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