¿Control de frecuencia del sistema de aire acondicionado con bomba de calor de fuente subterránea?

Este artículo se centra en el estado operativo actual del sistema de aire acondicionado central con bomba de calor de fuente subterránea utilizado en un hotel en Hunan. En función de sus propias características, presenta sugerencias y planes para el control y la conversión de frecuencia. renovación que ahorra energía de la bomba de agua de aire acondicionado del sistema y utiliza las horas pico equivalentes. La viabilidad del plan de transformación se demostró en detalle desde dos aspectos: ahorro de energía y período de recuperación estático. Los resultados demuestran que el plan de transformación es factible al tiempo que garantiza que no sea inferior a los requisitos mínimos de volumen de agua de la unidad de bomba de calor y, al mismo tiempo, ajusta automáticamente el caudal de la bomba de agua de acuerdo con los cambios en la carga. importantes efectos de ahorro de energía y un corto período de recuperación estático.

Palabras clave: Control de conversión de frecuencia de bomba de calor de fuente subterránea para ahorrar energía 1 Introducción

El sistema de aire acondicionado centralizado no solo crea un ambiente confortable para las personas, sino que también trae problemas de consumo de energía. Cómo satisfacer tanto el confort del aire acondicionado como el máximo ahorro energético han atraído cada vez más atención. En la actualidad, el diseño de sistemas de aire acondicionado y la selección de equipos como bombas de agua se basan en las condiciones de trabajo más desfavorables, quedando cierto margen. Debido a los cambios de estaciones, de día y de noche, y a la carga de usuarios, la carga de calor real del aire acondicionado es mucho menor que la carga de diseño la mayor parte del tiempo, y el sistema de aire acondicionado funciona a carga parcial la mayor parte del tiempo. La situación operativa es que la bomba de agua del aire acondicionado funciona en condiciones operativas nominales durante mucho tiempo durante todo el año y solo puede reducir el flujo de agua para cumplir con los requisitos de carga mediante la estrangulación, lo que hace que la mayor parte del consumo de energía de la bomba de agua disminuya. superar la resistencia de la válvula de mariposa, desperdiciando el funcionamiento de la bomba de agua de transporte de energía. Generalmente, el consumo de energía de las bombas de agua de aire acondicionado representa alrededor del 20-30% del consumo de energía total del sistema de aire acondicionado. Por lo tanto, ahorrar energía de transmisión del sistema de agua con cargas bajas es de gran importancia para reducir el consumo de energía. Consumo energético de todo el sistema de aire acondicionado.

Este artículo tiene como objetivo el sistema de bomba de calor de fuente subterránea adoptado por un hotel en Hunan. Según su estado operativo, propone un control de conversión de frecuencia automático de circuito cerrado que ahorra energía en el agua del aire acondicionado. Bomba del sistema. Demuestra que el sistema desde los aspectos de ahorro de energía y período de recuperación estático. El plan de transformación es factible.

2 Descripción general del sistema de aire acondicionado

El hotel está situado en el condado de Li, al noroeste de la provincia de Hunan, en el curso medio y bajo del río Yangtze. El autor realizó un estudio. Prueba del sistema de bomba de calor de fuente fuente en el hotel de enero a marzo de 2003. La prueba se realizó en condiciones de funcionamiento invernal y los resultados de la prueba se resumen en la Tabla 1. Debido a factores como la tasa de ocupación del hotel, los cambios en la temperatura exterior y el contenido de actividad del personal, el sistema básicamente opera con una carga de diseño de 80 o menos, y aquellos que operan por debajo de una carga de diseño de 60 representan el 63,48%. Obviamente, las unidades de bomba de calor, bombas de agua y otros equipos seleccionados en función del estado de carga completa pueden funcionar continuamente durante mucho tiempo bajo carga parcial, y el equipo se encuentra en un estado de funcionamiento de baja eficiencia la mayor parte del tiempo. Las unidades de bomba de calor del sistema, una grande y otra pequeña, funcionan en paralelo, con capacidades de calefacción de 100 KW y 40 KW respectivamente; las dos bombas de circulación de agua caliente en paralelo son del mismo modelo y sus potencias nominales nominales son ambas de 2,2 KW; La potencia nominal de la bomba de pozo en la placa de identificación es 7,5 KW (diagrama del sistema como se muestra en la Figura 1), todas las bombas de agua funcionan a un caudal constante y siempre funcionan a la frecuencia eléctrica. Cuando la unidad funciona con carga parcial, el suministro de agua a menudo se ajusta cerrando la válvula de la tubería, lo que provoca un enorme desperdicio de energía. Por lo tanto, es necesario que mejoremos el sistema de aire acondicionado. 3 Propuesta del plan de renovación

La bomba de calor, la bomba de pozo profundo y la bomba de circulación de agua caliente son los componentes principales del sistema de aire acondicionado central del hotel y consumen mucha energía. Como se puede ver en la Figura 2, en este sistema de aire acondicionado, el consumo de energía de la unidad de bomba de calor representa el 65% del consumo de energía de todo el sistema de aire acondicionado, y la bomba de pozo profundo y la bomba de circulación de agua caliente representan el 24%. % y 11% respectivamente. Por lo tanto, es necesario ahorrar el consumo de energía de todo el sistema de aire acondicionado. Además de reducir vigorosamente el consumo de energía de las unidades de bomba de calor, reducir el consumo de energía de las bombas de agua de aire acondicionado también es un aspecto importante. .

La unidad de bomba de calor geotérmica de este sistema tiene una función de ajuste automático de energía. Puede cambiar el volumen de suministro de aire del compresor y luego cambiar el volumen de suministro de líquido para ajustar el condensador sin cambiar las condiciones de calefacción. de producción de calor. Al mismo tiempo, esto proporciona las condiciones básicas para el funcionamiento de caudal variable del sistema de agua.

Para las bombas de agua de aire acondicionado, dado que la bomba de agua funciona a un caudal constante, en condiciones de carga parcial, el caudal de agua a menudo solo se puede cambiar ajustando la apertura de la válvula de agua en la tubería. ; al mismo tiempo, debido a que la velocidad del motor no se puede ajustar, la velocidad del motor no se puede ajustar. Solo puede funcionar en dos estados: encendido y apagado Incluso cuando la carga térmica es muy pequeña, al menos uno debe estar encendido. La potencia de salida en el eje del motor es mucho mayor que el requisito de carga real, lo que resulta en un desperdicio innecesario de energía. Según la ley de similitud de las bombas de agua, el flujo, la elevación y la potencia de la bomba de agua tienen las siguientes relaciones:

(1)

Donde Q, H, N y n son el flujo y la elevación de la bomba de agua, respectivamente, la potencia del eje y la velocidad.

Se puede ver en la ecuación (1) que la elevación de la bomba de agua es proporcional al cuadrado del flujo de la bomba, la potencia del eje es proporcional al cubo del flujo y el flujo es proporcional. a la velocidad. Se puede ver que cuando la velocidad del motor cae ligeramente, el consumo de energía del motor disminuirá significativamente y el efecto de ahorro de energía es significativo. El dispositivo regulador de velocidad de frecuencia variable de la bomba de agua logra un ahorro de energía ajustando la velocidad de la bomba de agua de modo que el caudal de la bomba de agua cambie con el cambio de la carga.

4 Principio de funcionamiento de la regulación de velocidad de frecuencia variable de la bomba de agua y su esquema de control

4.1 Principio de regulación de velocidad de frecuencia variable de la bomba de agua

Existe una fórmula entre la potencia de la bomba de agua, la velocidad del flujo, el caudal y la altura La relación que se muestra en (1), y porque la relación entre la velocidad del motor asíncrono de CA y la frecuencia de potencia es:

(2)

En la fórmula, n, f, S y P son respectivamente la velocidad del motor, la frecuencia de la fuente de alimentación, la tasa de deslizamiento y el número de pares de polos del motor.

Se puede ver en la ecuación (2) que cuando el deslizamiento cambia poco, la velocidad de rotación es proporcional a la frecuencia de la fuente de alimentación. Siempre que la frecuencia de la fuente de alimentación se pueda ajustar suavemente, la velocidad del motor puede. ajustarse suavemente. 1. La regulación de la velocidad de conversión de frecuencia de la bomba de agua es un método para ajustar la velocidad de la bomba de agua cambiando la frecuencia de alimentación. El uso de tecnología de conversión de frecuencia combinada con un esquema de control automático razonable para ajustar el caudal variable de la bomba de agua no solo evita el desperdicio causado por el ajuste de la válvula, sino que también mejora en gran medida la precisión del control y el ajuste. Al mismo tiempo, la regulación de velocidad de frecuencia variable se utiliza para lograr un arranque suave del motor sin ruido de impacto y también puede extender la vida útil del motor.

4.2 Esquema de control de velocidad de conversión de frecuencia para bombas de pozos profundos

Para bombas de pozos profundos, dado que la temperatura del agua de pozos profundos permanece sin cambios durante todo el año en alrededor de 18,5 °C, utilizamos el Temperatura de retorno del agua de pozo profundo Para controlar los parámetros, se puede controlar la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del agua del pozo. Como se muestra en la Figura 3, ahora se utilizan un sensor de temperatura, un convertidor de frecuencia y un regulador de circuito PID para formar un sistema de control de circuito cerrado. De acuerdo con el índice de diferencia de temperatura de 5 a 7 °C, se controla la temperatura de retorno del agua del pozo profundo. a T°C (por ejemplo, 12°C en invierno y 25°C en verano), de modo que la velocidad de la bomba de agua de pozo profundo cambia en correspondencia con el cambio de la carga de calor. Tomando el invierno como ejemplo, cuando la carga aumenta, la temperatura del agua de retorno del pozo profundo disminuye y el sensor de temperatura devuelve la señal de temperatura (4~20 mA) al regulador de circuito PID. El regulador PID opera en función de la desviación. entre el valor establecido de temperatura y el valor de retroalimentación de temperatura, y luego ingrese una señal al convertidor de frecuencia para aumentar la frecuencia de operación del motor, aumentar la velocidad de la bomba de agua y el caudal, hasta que la temperatura sea consistente con el valor establecido; , cuando la carga disminuye, reduzca la frecuencia, reduzca la velocidad de la bomba de agua y el caudal. Cuando la frecuencia de funcionamiento de la bomba de agua cae al límite bajo establecido por el instrumento de control, el convertidor de frecuencia continuará reduciendo la frecuencia de parada para cumplir con los requisitos de flujo del host y protegerlo.

4.3 Esquema de control de velocidad de conversión de frecuencia de la bomba de circulación de agua caliente

Dado que el sistema de circulación de agua caliente es operado por dos bombas de agua del mismo modelo en paralelo, para lograr un ajuste continuo de las velocidades del motor de las dos bombas de agua, de modo que la velocidad del motor de la bomba de agua se ajuste de acuerdo con la carga de calor real, ahorrando así energía al mismo tiempo, para ahorrar la inversión inicial en convertidores de frecuencia y otros equipos, el autor; planea adoptar una cierta variación, es decir, sólo una bomba de agua está equipada con un convertidor de frecuencia para regular la velocidad de funcionamiento, la otra sigue funcionando a velocidad fija.

El sistema de control se compone principalmente de un convertidor de frecuencia con PID incorporado, un controlador programable PLC, un transmisor de diferencia de presión, un contactor principal, etc. Como se muestra en la Figura 4, el convertidor de frecuencia y el controlador PLC son los componentes principales del control del sistema, con La diferencia final de presión de circuito desfavorable es una señal de retroalimentación, y la desviación entre la señal y el valor establecido (puede ser 0,1 Mpa) siempre se rastrea. Después del cálculo mediante el regulador PID integrado en el convertidor de frecuencia, se utiliza el controlador PLC. realiza el cambio entre la conversión de frecuencia de la bomba de agua y la frecuencia de potencia, controla automáticamente la cantidad de bombas de agua instaladas y la velocidad del motor, realiza el control de circuito cerrado y ajusta automáticamente el suministro de agua variable de diferencia de presión constante.

Cuando la carga del sistema es pequeña y solo un motor que funciona por debajo de la frecuencia de alimentación puede cumplir los requisitos, el PLC utiliza el convertidor de frecuencia para arrancar suavemente una bomba de agua y se basa en la retroalimentación del transmisor de diferencia de presión. La señal (0~10V) ajusta automáticamente la frecuencia de funcionamiento. Cuando aumenta la carga de calor, la frecuencia de salida del convertidor de frecuencia está cerca de la frecuencia de potencia, pero la diferencia de presión de la red de tuberías aún no puede alcanzar el valor establecido. Para garantizar que el sistema no cambie las bombas de agua con frecuencia, se produce un retraso. se realiza durante un período de tiempo si la diferencia de presión aún es inferior al valor establecido, entonces el PLC cambia la bomba de frecuencia variable actualmente en funcionamiento para que funcione a una frecuencia de potencia de 50 HZ, apaga el convertidor de frecuencia y luego la frecuencia. El convertidor arranca suavemente la siguiente bomba de agua desde 0 HZ y utiliza el convertidor de frecuencia para ajustarse a los requisitos de flujo correspondientes de manera oportuna de acuerdo con el cambio de frecuencia de desviación, realizando el suministro de agua con una frecuencia variable y una bomba dual de frecuencia industrial. Por el contrario, cuando se reduce la carga y el convertidor de frecuencia funciona a la frecuencia básica, si el flujo de salida aún es grande y la diferencia de presión del suministro de agua es mayor que el valor establecido, después de un retraso, si la diferencia de presión aún es alta , el PLC apagará la bomba de agua en el modo de control de frecuencia eléctrica y solo suministrará agua con frecuencia variable desde la bomba única restante. Independientemente de si el sistema funciona con una sola bomba con frecuencia variable o con bombas duales funcionando con frecuencia constante, puede lograr un suministro de agua con diferencia de presión constante al final. El diagrama de conmutación se muestra en la Figura 5.

5 Cálculo del ahorro de energía por conversión de frecuencia de la bomba de agua

5.1 Método de cálculo del ahorro de energía por conversión de frecuencia

Este artículo hace referencia a los algoritmos de los documentos 4 y 5 y utiliza el Método de horas pico equivalentes para calcular el período de funcionamiento del aire acondicionado. El consumo de energía, las horas equivalentes en verano τverano, las horas equivalentes en invierno τinvierno, las horas de funcionamiento del sistema de aire acondicionado t durante todo el año. Supongamos que la potencia nominal de la bomba de agua es N (KW). Sin tecnología de conversión de frecuencia, el consumo de energía anual Q1 de la bomba de agua del aire acondicionado es:

Q1=N-t, KWh (3)<. /p >

Después de adoptar la regulación de velocidad de frecuencia variable, el consumo anual de electricidad Q2 es:

Q2=N-(τveranoτinvierno), KWh (4)

Luego todo el año La electricidad que se puede ahorrar es

ΔQ＝Q1-Q2=N-t-N-(τveranoτinvierno), KWh (5)

Período de recuperación de la inversión estática n＝, años (6)

En la fórmula, M0: ¿se incrementa la inversión inicial al adoptar la tecnología de conversión de frecuencia, yuanes?

M1: el costo operativo anual ahorrado (principalmente costos de energía), yuanes

El precio de la electricidad comercial en la provincia de Hunan es de 0,98 yuanes/kWh. El hotel opera durante 6 meses durante todo el año en invierno y verano, con un promedio de 18 horas de funcionamiento por día (6:00-24:00). La fórmula de datos para las horas equivalentes de temperatura de bulbo húmedo en el Documento 5 se deriva para el año. Área de Shanghai Dado que las condiciones climáticas en la provincia de Hunan y Shanghai no son muy diferentes, este artículo también adopta aproximadamente esta fórmula

τverano=3097,32-102,16 tns τinvierno=567,37 36,43 tns (7)

tns: el valor de temperatura de bulbo húmedo de diseño interior aquí es tns = 20,3 ℃ en verano tns = 12,3 ℃ en invierno;

Sustituyendo en la ecuación (7), obtenemos: τverano=1023.4h, τinvierno=1015.5h

5.2 Análisis del efecto de ahorro de energía de la bomba de pozo profundo

Potencia nominal de la placa de identificación de la bomba de pozo profundo N=7.5KW, un juego, se planea elegir un inversor Fuji FRN7.5G11S-4CX, el precio de mercado es 6410 yuanes, más otros equipos periféricos, la inversión total es M0=7000 yuanes.

Sustituya los datos en las fórmulas anteriores (5) y (6) para obtener:

ΔQ＝Q1-Q2＝7.5*6*30*18-7.5 (1023.4 1015.5)＝9008.25KWh

Convertida a RMB, la factura anual de electricidad se puede ahorrar M1 = 9008,25 * 0,98 = 8828 yuanes y el efecto de ahorro de energía es significativo.

El periodo de recuperación de la inversión estática n===0,79 años, la inversión inicial se puede recuperar en 9 meses y medio.

5.3 Análisis del efecto de ahorro de energía de la bomba de circulación de agua caliente

La potencia nominal de la placa de identificación de la bomba de circulación de agua caliente N=2,2 KW, dos unidades, una Fuji FRN2.2G11S-4CX Se planea seleccionar el inversor. El precio de mercado es de 3.920 yuanes y el precio de mercado de un controlador programable PLC Mitsubishi FX2N-16MR-001 es de 3.080 yuanes. Incluyendo otros equipos periféricos, la inversión total es M0′=8.000 yuanes. Sustituya los datos en las fórmulas anteriores (5) y (6) para obtener:

ΔQ′＝＝2.2*2*30*6*18-2.2*2 (1023.4 1015.5)＝5284.4KWh

Convertida a RMB, se puede ahorrar la factura anual de electricidad M1′=5284,4*0,98=5179 yuanes, y el efecto de ahorro de energía es significativo.

El período de recuperación de la inversión estática n′===1,5 años, la inversión inicial se puede recuperar en un año y medio.

6 Conclusión

En resumen, de acuerdo con las características operativas del sistema de aire acondicionado central con bomba de calor de fuente de agua subterránea, se propone utilizar un dispositivo de control de conversión de frecuencia para transformar el sistema, asegurando que no sea inferior al de la unidad de bomba de calor, el requisito mínimo de volumen de agua, ajuste automático del flujo de la bomba de agua para satisfacer los cambios de carga, efecto de ahorro de energía significativo, período de recuperación estático corto y cierta viabilidad.

Referencias

(1) Long Youxin. Actas de la 12ª Conferencia de la Red Nacional de Información sobre Tecnología HVAC. Beijing: China Building Materials Industry Press 2003. 185～189

(2) Han Yanqing. Revista del Instituto de Tecnología Química de Wuhan, 2000, 22(4): 70～73

(3) Zhang Ji y Gong Gufeng Computers and Automation, 1999, 18(. 4): 18～19

(4) Qian Feng, Zheng Zhonglei. Ventilación térmica y aire acondicionado de edificios, 2002, 21(5): 51～52

(5) Chen. Peilin, Yue Xiaofang. Manual de tecnología de refrigeración y aire acondicionado. Shanghai: Tongji University Press, 1991

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