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既有建筑节能改造中EC风机的应用

2019/09/19 阅读:

摘要:平均而言,HVAC系统的能耗通常占到了商用建筑总能耗的70%,末端系统的能耗又能占到HVAC系统的近30%,因此,末端风机的能效提高,将对提高商用建筑能效具有重要意义。该项目是广州一个既有商业综合体,其内使用的大量风机还采用传统的AC电机皮带轮驱动方式,因此,具有巨大的能效提升空间。业主也希望通过这项节能技术的应用,真正从中获得经济效益。

关键词:既有建筑改造;节能技术应用;EC风机;风墙设计

引言

对于既有建筑内的末端系统的能效升级,大多通过更新控制策略或为现有电机安装变速驱动(VSD)。虽然这些措施可以降低部分能耗,但却没有直接针对最主要的设备—风机电机,所以,此类升级错过了更大的节能机会。EC风机并不是新鲜事物,早在20世纪70年代初期便出现了电子整流电机,自此逐渐运用到全球多数风机领域。在国内HVAC领域,EC技术多应用于机房空调以及工业通风设备,而对于空调末端设备,尤其是既有建筑中末端设备的改造应用还很少见,因此,以项目EC风机的改造探索为例,将改造流程、改造方法以及改造带来的好处进行概述,同时,也总结了整个应用过程中遇到的一些实际问题以及对应的解决方法建议。

1项目现状

商场这类公共建筑,有着明显的人流量变化特征,所以对于空调箱的风量需求也是不同的。本项目中末端设备风机都是定频运行,无法匹配不断变化的风量需求,业主对于本次节能改造的初衷便基于此。同样,业主的烦恼还在于,皮带式驱动系统需要持续维护,要保证经常更换皮带、皮带轮和轴承,否则会导致效率低下、电机和轴承故障,进一步增加费用。皮带积尘也会增加间接维护成本,需要更频繁地更换过滤器和清洁。如此的维护甚至多达数天的故障维修,都会导致末端设备的停运,从而无法输送负责区域内急需的冷/热量。以位于商场负二层的一台组合式空气处理机组为例,该机组原风机使用皮带传动方式,定频运行,离心后弯式风机,负责商场公共区域。组合式空气处理机组主要参数如表1所示。

2改造方案

将现有风机系统更换为高效直驱EC风机,可以避免上面提及的全部问题,同时提高效率。

2.1应用方便安全

即插即用EC风机使用了可用于换向和控制的集成电子系统替代外部变频器,节省安装空间,易于安装。此外,系统中的电机和电子元件高度匹配,无须使用额外的电子滤波器和屏蔽电缆,从而节省了组件匹配调试、接地和屏蔽工作所产生的额外费用。

2.2设计紧凑

高性能叶轮直接安装在外转子电机的转子上,整机更紧凑,节省了空间,同时,使整机运转时达到均衡。(1)EC电机的调速范围广,通常可在10%~100%内调节转速,并且在各种输出功率下(各档转速)效率相对恒定在91%~95%。(2)AC电机借助VFD调速,频率调整范围通常在30~60Hz,调速范围狭窄,并且在低功率(低速)状态下效率衰减非常明显。(3)因而,在同样的变风量系统下,EC电机系统可以以相对恒定的高效率持续工作,AC电机系统则在衰变的效率下工作,总体看EC将更节能。(4)另计入VFD本身能耗,AC电机系统的总体效率就更低了,更加耗电。

2.3改造路线

考虑到现场设备已运行多年,且后期区域内风管/风口进行过多次变动调整,故按照以往项目经验,该空气处理机组的实际运行风量可能与铭牌参数存在较大差异,与业主沟通确认以下改造路线:(1)先对空气处理机组进行现场测试(主要是风量、压头、功率),业主在场确认。(2)以现场实测数据选型,要达到舒适效果,选型时留有一定的余量。(3)改造完成后加装电子电表,进行运行电量测量,测量时间建议为1个月。(4)节能量计算:节能率=[(改造前实测功率×运行时间)-改造后电表读数]/(改造前实测功率×运行时间)。(5)验收标准:以测量工况为准。

2.4现场测试

2.4.1测试标准依据GB/T14294—2008组合式空调机组国家标准附录B,现场测量风量、风压和功率。

2.4.2测量过程现场在设备出风直管段上打8个孔,用多功能风量测量仪、毕托管测试风量80个点,取平均值。现场安装功率计测量实际消耗功率。现场测量工具如图1所示。2.4.3实测结果风量29776m3/h,消耗功率24kW,全静压1400Pa。

2.5风墙设计

EC风机组成风机矩阵(又称为风墙),这是风机排列安装的一种应用。通过一个0~10V电压的控制信号,可以对风机进行群控和并行操作,系统结构更紧凑。

2.5.1风墙应用优势(1)安装以及维护更加便捷。例如单个大电机现场安装需要更多吊装设备,风墙风机则需2~3人即可。(2)当某台风机出现故障停转时,其余风机可以更高速运转,补偿停转风机造成的风量损失,系统不用马上停机待修,降低系统停运造成的损失。(3)EC风机模块化,风量不同的AHU可以使用数量不一但型号相同的风机,从而减少备件种类,进一步提高设备的可靠性,备用性,减少待修时间。(4)系统仅需50%风量时,EC系统降转速工作,能耗减少75%,噪音下降15dB;采取关闭1/2风机数量达到50%风量的模式,能耗减少50%,噪音下降3dB。

2.5.2设备选型按照风量33000m3/h,风压1500Pa选型,改造方案选择4台K3G450PB2401风机构成风墙,测试工况下功率为18.7kW,与实际测量的原风机消耗功率24kW比较,预计能耗节约22%。EC风机的优势在于变负荷调节的节能,在变风量下运行,节能率预计更大,甚至可达到40%。风墙设计参数和名义风机参数如表2所示,风墙运行状态点如表3所示。

2.5.3风墙安装及注意事项整个安装过程历时3天。第一项工作是拆除现有的风机,由于原风机体积大、重量重,拆开AHU的侧面以将原风机移出。第二步在原风机段建造了风墙结构,第三步安装4台EC风机。风墙的结构设计及电气连接,为保证可靠性,减少性能损失及电气安全,使用维护方便,以下几方面在实际应用中需要注意:(1)空间要求。使用风墙的结构形式,过于紧凑的结构尺寸会影响风墙的风量性能,图2给出了安装空间的要求。吸风侧至少有0.5D的距离;出风侧,障碍物到叶轮的距离至少1D。其中,D为叶轮的实际直径,以选型书中标注的尺寸为准。风墙内风机之间,同样需保证一定的空间距离,距离过小,相互间干扰会导致风量损失及噪音增加,本项目安装空间截面积为近似正方形,那么对应的合理空间距离,两风机边缘之间距离≥0.7D,两风机中心之间距离≥1.7D。以上提到的尺寸都为最小建议值。(2)固定方式。对于风墙内风机的安装固定,原则上,风机是通过加强骨架固定在风墙上的。固定风机的骨架,可采用角钢或者方钢或铝合金型材,钢材厚度根据过往经验,推荐2.5mm以上厚度。(3)走线和方向。①风机的安装,需考虑方向性,风机的支架需竖直,否则长时间运转会导致支架变形,产生摩擦及异音。②对于连接线的走线,便于施工和维护,每面风墙推荐使用接线段子排。③接线端子为避免冷凝水的滴入,方向应朝下。

3改造收益

3.1节能收益

改造前为1台定频后弯离心风机,尺寸大而重。改造后风墙设计,4台EC风机可调速运行,尺寸小,重量轻,如图3所示。改造前后对比(风量)如表4所示。空气处理机组改造前后实测风量对比,风量测试结果基本一致。改造前后风机功率对比(功率计瞬时测量值)如表5所示。改造后EC风机持续运行平均日耗电量(电表计量累积数)如表6所示。从5月1日持续运行至6月26日,EC风机节能率平均为40.9%,按此测算成本回收期约2年。

3.2其他优势

除了降低能耗外,EC风机改造应用于既有建筑末端系统改造中还具有其他优势:(1)结构紧凑,节省空间。(2)高可靠性,低故障率,长达8万h的轴承免维护。(3)使用寿命更长。(4)运行噪音显著低于常规风机。(5)电压范围宽(单相:200~277VACor三相380~480VAC)。(6)软启动功能,起动电流显著减小,并在一定时间内逐渐增大。(7)提供通讯接口,方便EC风机与现有或未来BMS系统集成,可查看风机状态、运行参数等。

4控制方案

4.1就地控制

(1)可在AHU外部设置电位计,用于调节风机转速。(2)同样为确保风机不会转速过高或性能欠佳,可设置最小和最大转速。(3)另也可配置就地急停按钮、经由电机自带的硬接点输出声光报警。

4.2远程监控

通过网关,标配MODBUS通讯协议的EC风机可以与楼宇控制系统或机房控制系统进行通信,这意味着每台风机都可以被独立监测和控制。远程监控有2种基本选项:第1种通过带接口转换器的主机上的EC控制软件,经由远程桌面端软件(如:VNC、TeamViewer)访问主机。第2种通过接入PLC或DDC控制设备的笔记本电脑。就地及远程控制如图4所示。

5结语

采用EC风机改造既有的空气处理机组,在运行管理得当的情况下,有着显著的经济效益和社会效益,不但能够为业主节省可观的运行费用,增加管理维护的便利性,还能减少二氧化碳排放,履行我国关于《哥本哈根协议》的承诺内容。这是一种有效的节能技术应用措施,在全球气候变暖的背景下,同样也能为改善气候做出了点滴贡献。

参考文献

[1]田汉明.基于节能视角下空调风机节能改造技术分析[J].信息通信,2016(10):65-66.

[2]张晓,孙慧琳,张国敬,等.澳大利亚电动工具生产厂房节能改造方法探讨[J].暖通空调,2015(8):30-32.

[3]李致孝,潘建祥,陆森林,等.空调风机的改造与节能[J].棉纺织技术,2010(4):227-228.

作者:张清 单位:约克商贸有限公司

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