Wie wird der Frequenzumrichter in der zentralen Klimaanlage eingesetzt?

Einführung

Zentrale Klimaanlagen sind ein Eckpfeiler des modernen Gebäudemanagements und sorgen für Komfort und Klimakontrolle in verschiedenen Geschäfts- und Wohnräumen. Die Integration einer Frequenzumrichter, auch bekannt als Antrieb mit variabler Frequenz (VFD)hat die Funktionsweise dieser Systeme revolutioniert. Durch die Optimierung des Energieverbrauchs und die Verbesserung der Systemleistung, variable Frequenzumrichter oder drehzahlvariable Antriebe spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Effizienz von zentralen Klimaanlagen.

Funktionsprinzip und Aufbau einer zentralen Klimaanlage

Zentrale Klimaanlagen bestehen im Wesentlichen aus drei Teilen: dem Hauptgerät, dem Kaltwasserkreislaufsystem und dem Kühlwasserkreislaufsystem. Je nach Art der Belastung können zentrale Klimaanlagen in zwei Hauptkategorien unterteilt werden:

Lasten mit konstantem Drehmoment: Beispiele hierfür sind Schrauben- oder Zentrifugalkältekompressoren, die ein minimales Drehmoment benötigen und ein nahezu lineares Verhältnis zwischen Drehzahl und Leistung aufweisen.

Variable Drehmomentbelastungen: Beispiele hierfür sind Kühlwasserumlaufsysteme, Kältemittelumlaufwassersysteme (Wärmepumpenumlaufwassersysteme), Kühlturmlüftersysteme und Registerlüftersysteme. Bei diesen Lüfter- und Pumpenlasten besteht ein kubisches Verhältnis zwischen Wellenleistung und Drehzahl, wodurch erhebliche Energieeinsparungen möglich sind.

Energiesparendes Prinzip von Kältekompressoren

In einem Dampfkompressions-Kältekreislauf kann der Kühlprozess beispielsweise durch eine variable Frequenzsteuerung geregelt werden, um die Drehzahl des Schraubenverdichters anzupassen. Die Leistungsabgabe eines Schraubenverdichters kann stufenlos von 10% bis 100% eingestellt werden. Die Daten zeigen, dass die Leistung des Schraubenkompressors bei einer Last von mehr als 50% linear proportional zur Last ist, aber unter 40% übersteigt der tatsächliche Stromverbrauch die theoretischen Berechnungen. Folglich kann die Technologie mit variabler Frequenz nicht über den gesamten Lastbereich optimale Energieeinsparungen erzielen, was ihre Anwendung für energiesparende Nachrüstungen von Kompressoren einschränkt.

Energiesparendes Prinzip von Ventilatoren und Pumpen

Nach der Strömungslehre ist der Durchfluss (Q) von Zentrifugalpumpen (z. B. Kreiselpumpen und Ventilatoren) direkt proportional zur Drehzahl (n); der Ausgangsdruck (P) oder die Förderhöhe ist proportional zum Quadrat der Drehzahl; und die Ausgangsleistung (N) ist proportional zur Kubikzahl der Drehzahl.

Aufgrund der besonderen Merkmale zentraler Klimaanlagen müssen zwei Faktoren berücksichtigt werden: der Nenndurchfluss und die Förderhöhe der Pumpe selbst und die Abweichung zwischen der tatsächlichen Temperaturdifferenz oder den Druckanforderungen der Versorgung und den Standardspezifikationen des Geräts. So kann beispielsweise die Verwendung von Echtzeit-Temperaturdatenerfassung und intelligenten Temperaturreglern zur Steuerung der Frequenzumrichtereinstellungen den Betrieb des Kaltwassersystems optimieren und gleichzeitig Phänomene wie "tote Pumpe" oder "Durchflussunterbrechung" verhindern.

Tatsächliche Ausrüstungsbedingungen

• Regelung des Kaltwasserpumpensystems (Überwachung der Temperaturdifferenz zwischen Einlass- und Auslasswasser)

Zentrale Klimaanlagen haben eine Standard-Kaltwassertemperatur von 12°C am Einlass und 7°C am Auslass, mit einer zulässigen Temperaturdifferenz von 5°C für den Verflüssiger. Wenn die tatsächliche Temperaturdifferenz 2°C beträgt, liegt der tatsächliche Bedarf an Kaltwasser bei nur 40% der Versorgungsleistung. Bei variabler Frequenz muss die Pumpendrehzahl nur 40% der Nenndrehzahl betragen, was den Energieverbrauch auf weniger als 10% der Nennenergie reduziert. Es besteht also ein erhebliches Potenzial für Energieeinsparungen.

Um einen ausreichenden Kaltwasserfluss zu den am weitesten entfernten Endgeräten zu gewährleisten, sollte die minimale Betriebsfrequenz des Umrichters der Kaltwasserpumpe eingestellt werden (in der Regel 25 Hz), wodurch die Mindestdrehzahl der Pumpe festgelegt wird. Ein intelligenter Temperaturregler überwacht die Kaltwassertemperaturdifferenz, um die Frequenz des Umrichters zu steuern, und erhöht sie bei Bedarf, wenn die Rücklaufwassertemperatur den eingestellten Wert überschreitet.

• Regelung des Kaltwasserpumpensystems im Heizbetrieb (Überwachung der Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Auslasswasser)

Dieser Modus ähnelt dem Kühlmodus und ist für den Heizbetrieb (Herbst und Winter) geeignet.

• Open-Loop-Regelung der Kühlwasserumwälzpumpe (Überwachung der Temperaturdifferenz zwischen Einlass- und Auslasswasser)

Die Standardtemperaturdifferenz für den Kühlwasserkreislauf in zentralen Klimaanlagen beträgt 4°C bis 8°C, für Kühltürme 3°C bis 5°C. Das System besteht aus Kühlpumpen, Kühltürmen und Kondensatoren. Das Kühlwasserkreislaufsystem wird sowohl von den Außentemperaturen als auch von den Wärmelasten in den Räumen beeinflusst. Daher ist die Installation eines Temperaturdifferenzsensors zwischen den Hauptleitungen im Vor- und Rücklauf ein sinnvoller Ansatz zur Energieeinsparung.

Bei stabilen Außenbedingungen deutet eine große Temperaturdifferenz auf eine hohe Wärmebelastung im Innenraum hin, so dass die Drehzahl der Kühlpumpe erhöht werden muss, um die Zirkulation zu verbessern. Umgekehrt ermöglicht ein kleinerer Temperaturunterschied eine Reduzierung der Pumpendrehzahl. Dieser Ansatz kann 5-10% mehr Energie einsparen als die Messung der Rücklaufwassertemperatur allein.

Wenn man sich bei der Bewertung der tatsächlichen Betriebsbedingungen ausschließlich auf den Motorstrom verlässt, kann dies zu falschen Schlussfolgerungen über das Energieeinsparpotenzial führen. Es ist von entscheidender Bedeutung, die tatsächlichen Betriebsdaten zu berücksichtigen, z. B. die Wahl der Systemkapazität, saisonale Veränderungen und Lastschwankungen. Die meisten Systeme weichen von den Standardspezifikationen ab und weisen oft kleine Temperaturunterschiede, eine zu große Förderhöhe und einen zu großen Durchfluss auf. Durch den Einsatz von Technologien mit variabler Frequenz können überschüssiger Durchfluss und Förderhöhe eingespart werden, so dass das System effizient arbeitet, die Systemanforderungen erfüllt und gleichzeitig der Energieverbrauch minimiert wird.

• Steuerung von Gebläsesystemen

Jeder Raum ist mit einem Gebläsekonvektor (0,40 kW, 220 V) mit einer maximalen Lufttemperaturdifferenz von 10 °C bis 15 °C (im Allgemeinen 8 °C) ausgestattet. Das Gebläsesystem nutzt Wasser und Luft, um die Wärme der Innenraumlast zu übertragen, wobei der Großteil der Kühl- oder Heizlast durch das Kältemittel oder den Wärmeträger Wasser des Wärmetauschers bewältigt wird. Die Ventilatoren erfüllen in erster Linie den Lüftungsbedarf, um den Raumkomfort zu erhöhen und einige Heiz- oder Kühllasten zu bewältigen.

Ursprünglich wurde der Ventilatorbetrieb manuell mit einem Dreistufenschalter gesteuert, aber es wurde eine variable Frequenzregelung eingeführt. Nach der Umstellung liegen die Raumtemperaturen, insbesondere im Winter, stabil bei 17°C ± 1°C, wodurch im Vergleich zum Betrieb mit fester Frequenz durchschnittlich 80% an Energie eingespart werden, was mehr als 60% an Nennleistung entspricht. Darüber hinaus wurde der Geräuschpegel erheblich verbessert.

• Steuerung der Kühlturmlüfter

Kühlturmsysteme verfügen in der Regel über zwei Ventilatoren und arbeiten mit einer Direktstartsteuerung mit voller Drehzahl. Beide Ventilatoren laufen mit voller Drehzahl, so dass eine effektive Erkennung des Kühleffekts fehlt und Möglichkeiten zur Energieeinsparung unter natürlichen Kühlbedingungen verpasst werden. Insbesondere im Frühjahr, Herbst und Winter kann die manuelle Steuerung nicht sofort auf Änderungen der Kühlturmauslasstemperatur reagieren, was zu Energieverschwendung führt.

Bei der Nachrüstung werden die Ventilatoren so eingestellt, dass sie bei 35°C starten und bei 30°C stoppen, wobei der Bereich von 35°C bis 30°C für die Frequenzanpassung auf der Grundlage einer variablen PID-Volumenstromregelung verwendet wird. Die Testergebnisse zeigen, dass der Energieverbrauch bei variabler Volumenstromregelung etwa 40% des Betriebs mit fester Frequenz beträgt, wodurch die mit der manuellen Start-Stopp-Regelung verbundene Verschwendung vermieden wird. Nach Angaben von erfolgreichen Nachrüstungen von zentralen Klimaanlagen erreichen Kühlturmsysteme Energieeinsparungen von über 40%, wobei einige Systeme mit Kühlturmtanks mit großer Kapazität über 50% einsparen.

Merkmale des Frequenzumwandlungssystems zur Energieeinsparung

Die Schnittstelle des Frequenzumrichters verfügt über LED-Anzeigen mit umfassenden Überwachungsparametern und ein einfaches, benutzerfreundliches Layout.

Die Temperatur-/Differenzsensoren verfügen über digitale LED-Anzeigen mit zwei Bildschirmen, die eine einfache und unkomplizierte Überwachung der Temperaturparameter ermöglichen.

Die Frequenzumrichter sind mit elektronischen Schutzvorrichtungen für Überstrom, Überlast, Überspannung und Überhitzung sowie mit umfangreichen Fehlermeldungen ausgestattet, die das Wasserversorgungssystem wirksam schützen.

Durch die Installation von Frequenzumrichtern können die Motoren sanft anlaufen und die Drehzahl stufenlos regulieren, was den mechanischen Verschleiß von Pumpen und Motoren erheblich verringert und die Lebensdauer des Rohrsystems verlängert.

Das System verfügt über eine geschlossene PID-Temperaturregelung, die sanfte Änderungen der Innentemperatur gewährleistet und den Komfort erheblich steigert.

Schlussfolgerung

Die Einbeziehung eines Frequenzumrichter, oder Antrieb mit variabler Frequenz (VFD)in zentralen Klimaanlagen stellt einen bedeutenden Fortschritt in der HLK-Technologie dar. Durch die Anpassung der Motordrehzahlen an den schwankenden Bedarf verbessern diese Systeme die Energieeffizienz, senken die Betriebskosten und verlängern die Lebensdauer der Geräte. Da sich die Technologie weiter entwickelt, wird die Rolle der drehzahlvariable Antriebe in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen wird in Zukunft noch wichtiger werden, um nachhaltige und effiziente Klimatisierungslösungen zu erreichen.