2011年11月7日 星期一

變頻器省電的基本原理

交流電動機的轉速是由馬達的極數決定,基本公式120f/p.簡單講,如果馬達是2P,則在市電60HZ頻率之下,2極電動機的轉速就是120*60/2=3600RPM,因為是電磁作用,所以會產生轉速差,所以一般2極電動機的額定轉速大概是3550RPM.

以這個公式計算,若是將變頻器的頻率調到30HZ,則馬達轉速變成 120*30/2=1800RPM,再套上另外一個公式,Q=N,其中Q是水量或風量,N是馬達轉速,因此當馬達轉速變成一半,管路所送的風量或水量也變一半,再套上另一個公式 HP1/HP2=(N1/N2)3

所以,假設HP1為100HP,HP2未知,N1為1800RPM,N2用變頻器調到900RPM,則HP2只要12.5HP,所以當轉速一半,馬力只要1/8,可以大幅降低設備的耗電.

可是雖然理論上是這樣,但是如果把熱負荷放上來,事情不會那麼理想,以熱負荷來講,如果總熱是流量乘以溫差,當流量變少,溫差就變大,舉例而言,若一台1000RT的主機冷卻水流量設計是11733LPM,溫差設計5.5度C,則11733*5.5*60/3024=1280RT.冷卻水側排熱為1280RT.若是用變頻器將水量減少20%,,則流量變成9386.4LPM.在總熱不變狀況下,1280*3024/60/9386.4=6.872度C,換句話講,流量變小,溫差變大了.


這會產生什麼效應?對泵浦來講,八成的流量對泵浦來講,100hp乘以0.8三次方等於51.2hp,省下將近一半的馬力,但是對冰水主機跟水塔來講卻完全不是這麼一回事,首先對於水塔來講,流量變少的效應是冷卻塔的出水溫度會升高,也就是說主機的冷卻水溫度變高了,對於主機來講,,冷卻水進水的溫度變高再加上溫差變大,這會讓主機的高壓升高,換句話講,主機的冷凝器趨近溫度會變高,高壓跟著變高而後主機耗電增加,所以水塔的趨近溫度及主機的趨近溫度都會跟著變高.


假設這樣的效應讓冷卻塔的出水溫度升高1度C,冷卻塔溫差變大導致整個主機高壓比流量變少之前多了2度C的效應,那麼如果主機多了1度的效應假設是3%,2度就是6%,因為泵浦變頻必須讓主機多花6%的電,如果1000RT主機的1%是6.3KW,那麼6%是37.8KW.


泵浦省下36.4KW的電,主機卻多花了37.8KW,反而還倒虧1.4KW,這個還不算變頻的功率損失,所以常常看到的就是冷卻側一變頻下去,很難在電費上感覺有巨大的省電效應,但是為了驗收,又只好硬湊一些數據交差,如果只看泵浦,當然是很大,但是整個去看的話,又講不出來為什麼會這樣.誰要負責?


其實沒有人需要負責,因為國內做空調大型工程都是各做各的,泵浦做泵浦,主機做主機,水塔做水塔,變頻器做變頻器,賣變頻的人只強調對裝設變頻的設備的省電效益,別的設備不管.沒有整合的狀況下,看到一堆別人都這樣弄,就跟著弄了,據我所知,包含台X電的一堆機房都是這樣搞,不知者無罪啊!況且要證明這樣做不正確不太容易,而且這樣做有的時候還是有效,就是天氣濕球溫度很低的時候,低於主機可以容忍的最低冷卻水溫下,這時候變頻就有用了,可是應用的時間上其實是很少的,大部份的時間節能的績效應該都是負的.冷卻塔在流量變少的情況下趨近溫度都會變大,換句話講,即使濕球給他低到12,3度,水量變少的情況下,做出來的冷卻水溫有時候也還是高.高壓高主機就耗電.


在超過一定負載冷量的機房可以透過調節負載分配的方式測試冷卻水量變化對整個機房耗電的影響,方法是將主機的設定水溫調低,加大冷凍負載量,再利用手動調節的方式改變冷卻水量去測試整個耗電量的變化,但是天氣是沒辦法控制的,所以這樣的測試天氣的這道窗口是很窄的,濕球溫度高的時候去測試弄得不好可能會跳機,濕球溫度低的時候又只有冬天才能做,而且還要挑時候,除非業主本身的監控系統已經很完整,不然測試費用一定很高,因為時間必須夠長才能抓出所需的證據.


將設備裝變頻是個好主意,但是怎麼用考驗著業主,廠商,操作者三方的專業與耐心,省電的理論上都OK,但怎麼用才是大問題,人云亦云當然簡單,報告要抄來抄去也不是什麼難事,但是正確的數據對事情才可能有幫助,如果沒有完全搞清楚運作的原理及方式,弄巧成拙是常有的事的.