中央空调节能系统中变频器的应用研究

摘要：本文详细阐述了中央空调节能系统的相关概念，并针对中央空调节能系统的可能性进行分析，总结了变频器在中央空调节能系统的工作原理，在此基础上，分析了变频器的应用情况。

关键词：变频器；中央空调；节能系统

中图分类号：TE08文献标识码： A

前言

随着社会经济的发展，各类大型建筑物都将中央空调系统作为必要配套设施之一，在极大程度上改善了人们的生活与工作环境。但与此同时，中央空调作为用电大户，在日常工作中消耗了极大电能。因此，对中央空调节能系统进行研究，如何让利用变频技术、温度模块等构建温差闭环自动控制系统，以延长设备寿命、提高中央空调冷热舒适度等课题，已经成为了相关工作者亟待解决的问题。

一、概述

（一）中央空调系统组成

在中央空调水循环系统中，冷冻水从冷冻机组流出，经过冷冻泵加压之后送入到冷冻水管中，这一过程被称为出水过程。冷冻水在各个房间内进行热交换之后，会将房间内的热量带走，各房间内的温度就会逐渐下降，然后水流回冷冻机组，这一过程即回水过程。在经过不断的循环之后，各房间内即可达到预期温度。在冷却水的循环系统中，冷却水将冷冻机组释放的热量进行吸收之后即可升高水温，升温过后的冷却水被冷却泵压入冷却塔，然后与冷却塔中的大气进行热交换，之后冷却水实现降温，被送回到冷冻机组，这一过程不断循环。图1为中央空调水循环工作示意图。

中央空调的冷却泵拖动系统、冷冻泵拖动系统、冷冻机组拖动系统以及风机拖动系统四个部分组成中央空调的整个拖动系统，将这四个部分进行改造之后，可实现中央空调的节能目的。其中，将冷冻泵机组与冷却泵机组进行改造，其节电效果最佳。

图1 中央空调水循环工作示意图

（二）变频节能原理

在中央空调水循环中，冷冻泵与冷却泵是重要组成部分。水泵的工作原理为：水泵的转速与流量呈现正比；水泵压力与转速的平方成正比；水泵压力与流量的乘积为水泵的消耗功率。因此，水泵转速的3次方与水泵消耗功率成正比。当水泵流量出现变化时，只需要稍微改变水泵转速，即可在很大程度上改变水泵轴功率。例如，将水泵转速下降到额定的80%时，水泵电动机功率可下降至少一半，由此可见，在中央空调中，变频器的节能效果十分显著。

二、系统节能的可能性

中央空调主要由压缩机、泵、风机以及各种管道组成，其中水泵与风机都有一个显著特点，即转速与负载转矩的平方成正比，转速与轴功率的立方成正比。因此，要将电机作为系统的定转速运转，就需要将利用阀门对水流量与风流量进行调节的方法，改为用所需水流量、风流量对电机转速进行调节的方法，就可获得有效的节电效果。例如，图2为风机运转特性示意图，从图中可看出，利用挡板与转速对风流量进行调节会损失较大的轴功率。

图2 风机运转特性示意图

如果不对各种损失进行考虑，从流体力学理论表示泵或风机的轴功率为：P=K×Q×H，其中，P为轴功率，K为系数，Q为流量，H为压力。并且由其定律可得：

由上式可看出，当环境气温、气压等参数不变时，将转速减少50%，则能减少50%的流量、75%的压力以及87.5%的功率消耗，有效实现中央空调节能目的。如果在挡风机进风口侧旁添加挡板以调节流量，电机在额定转速范围运行，当流量不同时，电机轴功率、额定功率以及额定流量公式则为： 。即可得额定流量为70%时，额定功率为0.82，也就是说，当电机的轴功率为额定功率的82%时，相同条件下，利用调速改变流量，则可节电58.17%。由此可见，利用风机转速的调节对风流量进行调节，其节电效果十分显著。

但是，在中央空调的实际泵负载中，还存在实际扬程与高低差之间的问题。水泵的实际扬程十分重要，图3与图4分别为当额定扬程的60%为实际扬程时，泵的扬程-流量以及功率-流量的特性示意图。由图可知，当额定流量的50%为实际流量时，节电率可达45%左右。

图3 60%额定扬程-流量特性示意图

图4 功率-流量特性示意图

三、中央空调节能改造实例

（一）水泵改造实例

1、中央空调原系统概况

某大厦的中央空调拖动系统原本采用电气控制系统。该空调系统中将2台300W冷冻气主机（一用一备）、2台55kW冷冻水泵（一用一备）、2台75kW冷冻水泵、3台冷却塔（5.5kW风机功率）以及4台风机（5.5kW功率）作为主要设备，这些设备均采用降压方式启动。在该系统中，冷冻泵与冷却泵机组需要全面恒速运行，不能随着负载变化将出水与回水温差进行相应调节，造成冷冻水与冷却水系统一直处于大流量、小温差状态运行，造成极大能力浪费、同时，电机启动电流远远高于额定电流，电流冲击较大，造成接触器使用寿命大大下降。此外，冷冻泵输送的冷量也无法随着系统的实际负荷变化而变化，只能依靠人工调整实现热力工况的平衡，大大降低了运行质量。

2、改造设计方案

将两台冷却水泵与冷冻水泵的转速控制中加入变频节能措施、在一般情况下，系统在变频节能状态运行时，其频率上限为50Hz，频率下限为30Hz。如果系统出现故障，则原工频会回路运行，且可以将两台冷冻泵与冷却泵进行手动切换。图5所示为冷却泵系统主电路电气原理图，其中KM1与KM2分别为冷却泵的M1与M2变频接触器，可有效实现冷却泵的节能运行；KM3与KM4分别为冷却泵的M1与M2工频旁路接触器，可实现起动冷却泵的工频运行。在冷却电气控制部分可以利用两个温度传感器将出水温度与回水温度进行采集，然后利用温度模块将冷却水的温度存入PLC，并将温差值计算出来；在控制变频器转速时将出水与回水温差作为调节依据，对冷却水流量进行调节，控制热交换速度。

图5 冷却泵主回路电气原理示意图

（二）变频器的应用

某公司将六台水泵分别作为中央空调冷却水循环系统与冷冻水循环系统的一用二备控制系统，其中，冷却水泵的功率为37kW×3，冷冻水泵的功率为30kW×3。其控制方案为：利用一台30kW变频器将控制冷冻水循环系统设计为一用二备系统。每隔24h将水泵切换一次，使水泵处于轮流工作状态。在控制方面采用最不利端的压力PID闭环控制方式，其系统压力通过变频器内部PID调解器进行控制；利用一台37kW变频器将控制冷却水循环系统设计成一用二备系统，每隔24h将水泵切换一次，使水泵处于轮流工作状态。在控制方面将冷凝器进水与回水的温差作为控制对象，其温差闭环控制通过变频器内部PID调节器进行。在公司的中央空调控制方案投入使用约1年左右，运行至今稳定可靠。在将变频器应用到中央空调之前与之后的用电情况如表1所示。

表1 使用变频控制前后的用电量/天

结束语：

综上所述，随着室外温度的变化，以及室内环境条件的改变，中央空调系统的的冷负荷也会发生变化，但是在设计空调系统及选择其设备时，应当按照最不利的工况进行。由此可见，需要根据空调负荷的不同窗口，对冷却水循环系统、冷冻水循环系统、冷却塔系统风机以及送风系统风机进行变频控制工作，这对于中央空调系统的节能而言具有重大意义。

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