鋒速達通風降溫系統(tǒng)
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負壓風機外框置換通風的應用前景及其適用性分析變頻調(diào)速技術(shù)在風
摘要：
本文分析了空調(diào)工程節(jié)能和舒適性空調(diào)工程的意義，闡述了置換通風的概念、基本原理、基本特征。提出了置換通風新型末端裝置研究、開發(fā)的技術(shù)思路。對置換通風的適用性問題，進行了舉例分析。
關(guān) 鍵 詞：置換通風 末端裝置 節(jié)能 空氣品質(zhì) 適用性
1 引言
隨著人類文明的進步和科技的發(fā)展，人們對自己工作、學習、生活環(huán)境的要求越來越高。而一個舒適的環(huán)境對于保證身心健康、提高生活品質(zhì)和勞動效率有著重要意義。為實現(xiàn)高質(zhì)量的室內(nèi)氣候環(huán)境，電制冷空調(diào)工程已被廣泛采用。同時，人們對地球環(huán)境的關(guān)注越來越高，對環(huán)境保護的呼聲也日趨強烈，要求采用節(jié)能的、健康的、可持續(xù)發(fā)展的策略進行空調(diào)設(shè)計。
1.1 中國能源現(xiàn)狀和空調(diào)工程節(jié)能
我國提出了長期的經(jīng)濟發(fā)展目標，即下世紀中葉趕上中等發(fā)達國家水平。社會經(jīng)濟的發(fā)展必將伴隨著巨大的能源消費需求。能源是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是公用事業(yè)，更是經(jīng)濟發(fā)展和提高人民生活水平的物質(zhì)基礎(chǔ)。人類社會的進步與能源的發(fā)展密切相關(guān)。我國制定的二十一世紀議程和九五計劃及2010年遠景規(guī)劃中把能源和環(huán)境保護列為最優(yōu)先的發(fā)展領(lǐng)域。
中國是一個擁有12億人口的發(fā)展中國家，是一個以煤炭為主要能源結(jié)構(gòu)的能源生產(chǎn)消費大國。目前，煤炭提供76%的發(fā)電能源，到2020年煤電仍高達60%[1]，煤電的使用導致SO2、NOX、CO2和煙塵大量排放，給環(huán)境保護造成了巨大壓力。我國大部分地區(qū)的絕大多數(shù)空調(diào)工程直接利用電能供冷，空調(diào)工程的節(jié)能，相當于間接減少了SO2、NOX、CO2和煙塵的排放，對環(huán)保有利。
目前世界發(fā)達國家的民生耗能率高達總耗能量的1/3左右，其中絕大部分又消費在建筑物上，各國為推動建筑節(jié)能的進展，相繼制定和頒布了一系列的建筑節(jié)能法規(guī)、標準和指導性文件。我國政府積極倡導和努力實施節(jié)約能源、保護環(huán)境的政策，頒布了《中華人民共和國節(jié)約能源法》和一系列建筑節(jié)能規(guī)范。
建筑物的節(jié)能是一項復雜的工程工程，包括各種綜合性的技術(shù)，包括建筑物本身和空調(diào)工程、設(shè)備的節(jié)能[2]。就空調(diào)工程而言，空調(diào)工程節(jié)能又與建筑節(jié)能有關(guān)，包括建筑物的朝向和平面布置、維護結(jié)構(gòu)的保溫性能、窗戶的隔熱和建筑物遮陽等等�？照{(diào)工程的節(jié)能也與運行節(jié)能有關(guān)，包括采用降低室內(nèi)設(shè)計標準、減少新風量的方法，采用天然冷源，過渡季節(jié)取室外新風自然冷卻、冷卻塔供冷技術(shù)，采用建筑設(shè)備控制自動化技術(shù)，采用熱回收技術(shù)，例如從通風中回收熱量等等。
采用新的節(jié)能的空調(diào)方式，選用更節(jié)能的空調(diào)產(chǎn)品，也是空調(diào)工程節(jié)能的一項重要、有效的措施。在某些場合，置換通風就是一種較好的節(jié)能的空調(diào)方式。
1．2
風機、泵類設(shè)備多數(shù)采用異步電動機直接驅(qū)動的方式運行，存在啟動電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點。不僅影響設(shè)備使用壽命，而且當負載出現(xiàn)機械故障時不能瞬間動作保護設(shè)備，時常出現(xiàn)泵損壞同時電機也被燒毀的現(xiàn)象。
近年來，出于節(jié)能的迫切需要和對產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻調(diào)速器（簡稱變頻器）易操作、免維護、控制精度高，并可以實現(xiàn)高功能化等特點；因而采用變頻器驅(qū)動的方案開始逐步取代風門、擋板、閥門的控制方案。
變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術(shù)，電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。
三、節(jié)能分析
通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。
以一臺水泵為例，它的出口壓頭為H0（出口壓頭即泵入口和管路出口的靜壓力差），額定轉(zhuǎn)速為n0,閥門全開時的管阻特性為r0,額定工況下與之對應的壓力為H1,出口流量為Q1。流量-轉(zhuǎn)速-壓力關(guān)系曲線如下圖所示。
在現(xiàn)場控制中，通常采用水泵定速運行出口閥門控制流量。當流量從Q1減小50%至Q2時，閥門開度減小使管網(wǎng)阻力特性由r0變?yōu)閞1，工程工作點沿方向I由原來的A點移至B點；受其節(jié)流作用壓力H1變?yōu)镠2。水泵軸功率實際值（kW）可由公式：P =Q·H／（η c·η b）×10-3得出。其中，P、Q 、H 、η c 、η b 分別表示功率、流量、壓力、水泵效率、傳動裝置效率，直接傳動為1。假設(shè)總效率（η c·η b）為1，則水泵由A點移至B點工作時，電機節(jié)省的功耗為AQ1OH1和BQ2OH2的面積差。如果采用調(diào)速手段改變水泵的轉(zhuǎn)速n，當流量從Q1減小50%至Q2時，那么管網(wǎng)阻力特性為同一曲線r0，工程工作點將沿方向II由原來的A點移至C點，水泵的運行也更趨合理。在閥門全開，只有管網(wǎng)阻力的情況下，工程滿足現(xiàn)場的流量要求，能耗勢必降低。此時，電機節(jié)省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差。比較采用閥門開度調(diào)節(jié)和水泵轉(zhuǎn)速控制，顯然使用水泵轉(zhuǎn)速控制更為有效合理，具有顯著的節(jié)能效果。
另外，從圖中還可以看出：閥門調(diào)節(jié)時將使工程壓力H升高，這將對管路和閥門的密封性能形成威脅和破壞；而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，工程壓力H將隨泵轉(zhuǎn)速n的降低而降低，因此不會對工程產(chǎn)生不良影響。
從上面的比較不難得出：當現(xiàn)場對水泵流量的需求從100%降至50%時，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)將比原來的閥門調(diào)節(jié)節(jié)省BCH3H2所對應的功率大小，節(jié)能率在75%以上。 與此相類似的，如果采用變頻調(diào)速技術(shù)改變泵類、風機類設(shè)備轉(zhuǎn)速來控制現(xiàn)場壓力、溫度、水位等其它過程控制參量，同樣可以依據(jù)工程控制特性繪制出關(guān)系曲線得出上述的比較結(jié)果。亦即，采用變頻調(diào)速技術(shù)改變電機轉(zhuǎn)速的方法，要比采用閥門、擋板調(diào)節(jié)更為節(jié)能經(jīng)濟，設(shè)備運行工況也將得到明顯改善。
四、節(jié)能計算
對于風機、泵類設(shè)備采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果，通常采用以下兩種方式進行計算：
1、根據(jù)已知風機、泵類在不同控制方式下的流量－負載關(guān)系曲線和現(xiàn)場運行的負荷變化情況進行計算。
以一臺IS150-125-400型離心泵為例，額定流量200.16m3/h，揚程50m；配備Y225M-4型電動機，額定功率45kW。泵在閥門調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時的流量－負載曲線如下圖示。根據(jù)運行要求，水泵連續(xù)24小時運行，其中每天11小時運行在90%負荷，13小時運行在50%負荷；全年運行時間在300天。
則每年的節(jié)電量為：W1=45×11×（100%－69%）×300=46035kW·h
W2=45×13×（95%－20%）×300 =131625kW·h
W = W1＋W2=46035＋131625=177660kW·h
每度電按0.5元計算，則每年可節(jié)約電費8.883萬元。
2、根據(jù)風機、泵類平方轉(zhuǎn)矩負載關(guān)系式：P / P0=（n / n0）3計算，式中為P0額定轉(zhuǎn)速n0時的功率；P為轉(zhuǎn)速n時的功率。
以一臺工業(yè)鍋爐使用的22 kW鼓風機為例。運行工況仍以 24小時連續(xù)運行，其中每天11小時運行在90%負荷（頻率按46Hz計算,擋板調(diào)節(jié)時電機功耗按98%計算），13小時運行在50%負荷（頻率按20Hz計算，擋板調(diào)節(jié)時電機功耗按70%計算）；全年運行時間在300天為計算依據(jù)。
則變頻調(diào)速時每年的節(jié)電量為：W1=22×11×[1－（46/50）3]×300=16067kW·h
W2=22×13×[1－（20/50）3]×300=80309kW·h
Wb = W1＋W2=16067＋80309=96376 kW·h
擋板開度時的節(jié)電量為：W1=22×（1－98%）×11×300=1452kW·h
W2=22×（1－70%）×11×300=21780kW·h
Wd = W1＋W2=1452＋21780=23232 kW·h
相比較節(jié)電量為：W= Wb－Wd=96376－23232=73144 kW·h
每度電按0.5元計算，則采用變頻調(diào)速每年可節(jié)約電費3.657萬元。 某工廠離心式水泵參數(shù)為：離心泵型號6SA-8，額定流量53. 5 L/s，揚程50m；所配電機Y200L2-2型37 kW。對水泵進行閥門節(jié)流控制和電機調(diào)速控制情況下的實測數(shù)據(jù)記錄如下：
流 量L/s 時 間（h） 消耗電網(wǎng)輸出的電能（kW·h）
閥門節(jié)流調(diào)節(jié) 電機變頻調(diào)速
47 2 33.2×2=66.4 28.39×2=56.8
40 8 30×8=240 21.16×8=169.3
30 4 27×4=108 13.88×4=55.5
20 10 23.9×10=239 9.67×10=96.7
合計 24 653.4 378.3
相比之下，在一天內(nèi)變頻調(diào)速可比閥門節(jié)流控制節(jié)省275.1 kW·h的電量，節(jié)電率達42.1%。
五、結(jié)束語
風機、泵類等設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能運行是我國節(jié)能的一項重點推廣技術(shù)，受到國家政府的普遍重視，《中華人民共和國節(jié)約能源法》第39條就把它列為通用技術(shù)加以推廣。實踐證明，變頻器用于風機、泵類設(shè)備驅(qū)動控制場合取得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設(shè)備維護、維修費用，還降低了停產(chǎn)周期。直接和間接經(jīng)濟效益十分明顯，設(shè)備一次性投資通�？梢栽�9個月到16個月的生產(chǎn)中全部收回。
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