I. Überblick In zentralen Klimaanlagen wird die Kapazität von Kaltwasser- und Kühlwasserpumpen anhand der maximalen Auslegungswärmelast des Gebäudes mit einer gewissen Sicherheitsreserve gewählt. In Systemen ohne Drehzahlregelung laufen die Pumpen ganzjährig mit voller Drehzahl und Netzfrequenz. Dies erfordert Drosselung oder Umwälzung zur Anpassung der Durchflussmengen, was zu erheblichen Drosselungs- oder Umwälzverlusten führt. Darüber hinaus verursacht der Betrieb des Pumpenmotors mit voller Drehzahl und Netzfrequenz einen erheblichen Energieverlust. Aufgrund von saisonalen Schwankungen, wechselnden Wetterbedingungen (Sonnenschein, Regen, Schnee, Tag und Nacht) und unterschiedlichen Außentemperaturen ist die Wärmelast der zentralen Klimaanlage die meiste Zeit deutlich geringer als die Auslegungslast. Mit anderen Worten: Zentrale Klimaanlagen arbeiten tatsächlich die meiste Zeit unter Teillast. Statistiken zeigen, dass 67 % der Bauprojekte eine Auslegungswärmelast von 94–165 W/m² aufweisen, während die tatsächliche Wärmelast bei 83 % der Projekte lediglich 58–93 W/m² beträgt und die Volllastbetriebszeit 10–20 Stunden pro Jahr nicht überschreitet. Die Praxis hat gezeigt, dass durch den Anschluss eines Frequenzumrichters an das Zirkulationssystem (Kühl- und Kaltwasserpumpe) einer zentralen Klimaanlage und die Nutzung der Frequenzumrichtertechnologie zur Drehzahlregelung von Durchfluss und Druck anstelle der Ventilsteuerung erhebliche Energieeinsparungen erzielt werden können. II. Energiesparprinzip: Ausgehend vom Funktionsprinzip von Fluidförderanlagen wie Wasserpumpen und Ventilatoren ist bekannt, dass der Volumenstrom (Luftvolumenstrom) einer Wasserpumpe oder eines Ventilators direkt proportional zu ihrer Drehzahl ist; der Druck (Förderhöhe) einer Wasserpumpe oder eines Ventilators ist direkt proportional zum Quadrat ihrer Drehzahl; und die Wellenleistung einer Wasserpumpe oder eines Ventilators entspricht dem Produkt aus Volumenstrom und Druck. Die Wellenleistung einer Wasserpumpe oder eines Ventilators ist daher direkt proportional zur dritten Potenz ihrer Drehzahl (d. h. direkt proportional zur dritten Potenz der Netzfrequenz). Gemäß diesem Prinzip lässt sich der Stromverbrauch durch Reduzierung der Drehzahl der Wasserpumpe oder des Ventilators weiter senken. Wird beispielsweise die Netzfrequenz von 50 Hz auf 45 Hz reduziert, so gilt: P₄₅/P₅₀ = (45/50)³ = 0,729, d. h. P₄₅ = 0,729P₅₀ (P ist die Wellenleistung des Motors). Wird die Netzfrequenz hingegen von 50 Hz auf 40 Hz reduziert, so gilt: P₄₀/P₅₀ = (40/50)³ = 0,512, d. h. P₄₀ = 0,512P₅₀ (P ist die Wellenleistung des Motors). Daraus lässt sich ableiten, dass der Einsatz eines Frequenzumrichters zur Durchflussregelung (Luftmengenregelung) eine erhebliche Energieeinsparung ermöglicht. Zentrale Klimaanlagen werden auf Basis des maximalen Kühlbedarfs vor Ort ausgelegt, ihre Kühl- und Kaltwasserpumpen hingegen auf die maximalen Betriebsbedingungen einer einzelnen Einheit. Im praktischen Einsatz arbeiten die Kühl- und Kaltwasserpumpen jedoch über 90 % der Zeit im Teillastbetrieb. Der Einsatz von Ventilen und automatischen Ventilen zur Regelung erhöht nicht nur die Drosselverluste im System, sondern führt aufgrund der phasengesteuerten Regelung auch zu einem schwankenden Betrieb der gesamten Klimaanlage. Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern an den Kühl- und Kaltwasserpumpen lässt sich dieses Problem jedoch dauerhaft lösen. Dies ermöglicht eine automatische Steuerung und amortisiert die Investition durch Energieeinsparungen. Gleichzeitig sorgen die Sanftanlauffunktion und die gleichmäßige Drehzahlregelung des Frequenzumrichters für eine stabile Systemregelung, einen zuverlässigen Systembetrieb und eine längere Lebensdauer der Geräte und Rohrleitungen. Daher bieten Klimaanlagen mit variablem Durchfluss, die das Wasservolumen an die Wärmelast anpassen, erhebliche Vorteile und finden zunehmend Anwendung. Die Verwendung von SPWM-Frequenzumrichtern zur Pumpendrehzahlregelung ermöglicht eine komfortable Anpassung des Wasserdurchflusses. Basierend auf dem Rückkopplungssignal von Laständerungen wird ein geschlossener Regelkreis zwischen Frequenzumrichter und PID-Regler gebildet. Dadurch ändert sich die Pumpendrehzahl mit der Last, was Energieeinsparungen von typischerweise über 20 % ermöglicht. Die Energieeinsparungsrate der Modernisierung hängt stark vom Verbrauch ab. Im Frühling und Herbst ist sie in der Regel höher und erreicht über 40 %. Im Sommer ist das Einsparpotenzial aufgrund des höheren Energiebedarfs der Nutzer begrenzt und liegt üblicherweise bei etwa 20 %. III. Energiesparlösung 1. Allgemeine Beschreibung Die zentrale Klimaanlage Ihres Unternehmens besteht derzeit aus sechs Einheiten mit jeweils einer 90-kW-Kühlpumpe und einer 75-kW-Kaltwasserpumpe. Wir können die Kühl- und Kaltwassersysteme energiesparend modernisieren. Im Betrieb der zentralen Klimaanlage beträgt die Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen Ein- und Auslasswasser der Kühl- und Kaltwassersysteme ca. 2 °C. Gemäß der Formel: Wärmeabfuhr durch Kaltwasser und Kühlwasser (r) = Volumenstrom (Q) × Temperaturdifferenz (ΔT) lässt sich durch Erhöhung der Temperaturdifferenz (ΔT) und Reduzierung des Volumenstroms (Q), d. h. durch Verringerung der Drehzahl, Energie einsparen. 2. Kaltwassersystem: Da die Kaltwassertemperatur im Kaltwassersystem von den Betriebsparametern des Verdampfers abhängt (die Kaltwasseraustrittstemperatur Ihres Unternehmens beträgt 12 °C), muss zur Regelung der Temperaturdifferenz nur die Temperatur des Kaltwasserrücklaufs geregelt werden. Hierfür wird ein geschlossenes Regelsystem mit Temperatursensor, PID-Regler und Frequenzumrichter eingesetzt. Die Kaltwasserrücklauftemperatur wird auf T1 (z. B. 17 °C) geregelt, wodurch sich die Drehzahl der Kaltwasserpumpe entsprechend der Wärmelast ändert. 3. Kühlwassersystem: Im Kühlwassersystem dient die Kühlwassertemperatur beidseitig des Kondensators als Regelparameter. Es kommt ein geschlossenes Regelsystem zum Einsatz, bestehend aus einem Temperatursensor, einem PID-Temperaturdifferenzregler, einem Frequenzumrichter und einer Kühlwasserpumpe. Die Kühlwassertemperaturdifferenz wird auf ΔT2 (z. B. 5 °C) geregelt. Dadurch ändert sich die Drehzahl der Kühlwasserpumpe entsprechend der Wärmelast, während die Kühlwassertemperaturdifferenz konstant auf dem Sollwert bleibt. Dies maximiert die Energieeinsparung des Kühlwasserpumpensystems bei gleichbleibenden Betriebsbedingungen der Anlage. 4. Regelungsmethode: Diese Lösung ergänzt das bestehende Netzfrequenzsystem. Die Sicherheit des Systems wird durch Verriegelungen zwischen den beiden Systemen gewährleistet. IV. Systemangebot 1. Komponentenauswahl: Aus Kostengründen handelt es sich bei den Hauptkomponenten, einschließlich Frequenzumrichter und Temperatursensor, um importierte Markenteile, die im Inland montiert werden. Die Niederspannungskomponenten stammen von Mitsubishi (Japan). Der Frequenzumrichter ist vom Typ Lingke LK600P; da die Wasserpumpenlast gering ist, genügt eine 1:1-Konfiguration. Der Temperatursensor ist ein Rohrleitungstemperaturtransmitter von Beijing Daheng. 2. Das vollständige Angebot für die Umrüstung der zentralen Klimaanlage auf Frequenzumrichter sieht wie folgt aus: (einschließlich Schaltschrank, Industrie-/Frequenzumrichterschaltung, Temperatursensor, PID-Regler usw. sowie Installations- und Inbetriebnahmekosten, ausgenommen der Preis des Frequenzumrichters selbst; dieser wird separat aufgeführt) Seriennummer Frequenzumrichter-Nachrüstungsgerät Passende Motorleistung Anzahl (Einheiten) Einzelpreis (Yuan/Einheit) Zwischensumme (Yuan) 1 Kaltwasserpumpe 75 kW 1 2 Kühlwasserpumpe 90 kW 1 Gesamt 2 Angebot für den entsprechenden Lingke-Frequenzumrichter LK600P-075T4 75 kW LK600P-090T4 90 kW Gesamtprojektkosten: V. Leistung der zentralen Klimaanlage nach der Umrüstung auf Frequenzumrichter (1) Es wird eine Regelung des Frequenzumrichters im geschlossenen Regelkreis eingesetzt. Die Softwarekonfiguration und die Temperatureinstellung können je nach Bedarf für die PID-Anpassung vorgenommen werden, sodass sich die Motorausgangsleistung mit der Änderung der Wärmelast ändert und unter der Voraussetzung, dass die Nutzungsanforderungen erfüllt werden, eine maximale Energieeinsparung erzielt wird. (2) Durch den Betrieb mit reduzierter Drehzahl und den Sanftanlauf werden Vibrationen, Geräusche und Verschleiß verringert, der Wartungszyklus und die Lebensdauer der Anlagen verlängert, die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) verbessert und die Belastung des Stromnetzes reduziert, wodurch die Systemzuverlässigkeit erhöht wird. (3) Das System verfügt über verschiedene Schutzmaßnahmen, die die Betriebssicherheit und die Zuverlässigkeit des Systems erheblich verbessern. (4) Das Regelsystem mit variabler Drehzahlregelung und das ursprüngliche Netzfrequenzregelungssystem sind miteinander verriegelt, sodass der Betrieb des ursprünglichen Systems nicht beeinträchtigt wird. Darüber hinaus kann das ursprüngliche Netzfrequenzregelungssystem auch dann normal weiterarbeiten, wenn das Regelsystem mit variabler Drehzahlregelung gewartet wird oder Störungen auftreten.