变频器在中央空调系统中的应用

　　中央空调系统已广泛应用于工业与民用领域。据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的70%以上。中央空调主要是由压缩主机、风机和水泵组成，采用变频调速技术不仅能使室温维持在所期望的状态，让人感到舒适满意，更重要的是其节能效果高达30%以上，能带来良好的经济效益。系统采用闭环全自动控制、免维护运行、同时延长了设备使用寿命，使运行维护工作轻松、愉快。

　　一、 中央空调系统的构成及工作原理

　　中央空调主要由制冷机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和散热水塔组成。其工作原理如图1示：

　　制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻水泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中，由风机吹送冷风达到降温的目的。经蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量，与冷却循环水进行热交换，由冷却水泵将带来热量的冷却水泵到散热水塔上由水塔风扇对其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气中去。

　　二、水泵节能改造的必要性

　　由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留10-20%设计余量。然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，存在较大的富余，所以节能的潜力就较大。其中，冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载（已具有自动节能功能），冷冻水泵、冷却水泵和盘管风机却不能随负载变化作出相应调节，存在很大的浪费。因此,中央空调的节能改造的重点集中在冷冻水泵、冷却水泵和盘管风机上。

　　进行变频节能改造后，变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整水泵电机的转速，在满足中央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵和冷却水泵作出相应调节；盘管风机能根据室内检测到的实际温度同设定的温度比较，自动调整送风量。水泵、风机电机转速下降，电机从电网吸收的电能就会大大减少。

　　其减少的功耗 △P=P0〔1-(N2/N1³) （1）式

　　减少的流量 △Q=Q0〔1-(N2/N1)〕 （2）式

　　其中N2为改变后的转速，N1为电机原来的转速，P0为原电机转速下的电机消耗功率，Q0为原电机转速下所产生的水泵流量。

　　由上式可以看出流量的减少与转速减少的一次方成正比，但功耗的减少却与转速减少的三次方成正比。

　　如：假设原流量为100个单位，耗能也为100个单位，如果转速降低10个单位，由（2）式△Q=Q0〔1-(N2/N1)〕=100×〔1-(90/100)〕=10可得出流量改变了10个单位，但功耗由（1）式△P=P0[1-(N2/N1)³]=100×〔1-(90/100)³〕=27.1可以得出，功率将减少27.1个单位，即比原来减少27.1%。

　　三、水泵节能改造的方案

　　中央空调系统通常分为冷冻（媒）水和冷却水两个系统。根据国内外最新资料介绍，并通过多处在中央空调水泵系统进行闭环控制改造的成功范例进行考察，现在水泵系统节能改造的方案大都采用变频器来实现。

　　1、 冷冻（媒）水泵系统的闭环控制

　　〔1〕、制冷模式下冷冻水泵系统的闭环控制

　　该方案在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定。变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减。控制方式是：冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。

　　〔2〕、制热模式下冷冻水泵系统的闭环控制

　　该模式是在中中央空调中热泵运行（即制热）时冷冻水泵系统的控制方案。同制冷模式控制方案一样，在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减。不同的是：冷冻回水温度小于设定温度时频率无极上调，当温度传感检测到的冷冻水回水温越高，变频器的输出频率越低。

　　2、 冷却水系统的闭环控制

　　目前，在冷却水系统进行改造的方案最为常见，节电效果也较为显著。该方案同样在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量。当中中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，从而达到在保证中中央空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的。

　　现有的控制方式大都先确定一个冷却泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定。变频冷却水泵的频率是取冷却管进、出水温度差和出水温度信号来调节，当进、出水温差大于设定值时，频率无极上调，当进、出水温差小于设定值时，频率无极下调，同时当冷却水出水温度高于设定值时，频率优先无极上调，当冷却水出水温度低于设定值时，按温差变化来调节频率，进、出水温差越大，变频器的输出频率越高；进、出水温差越小，变频器的输出频率越低。

　　通过市场调查与了解，并经多方实践应用与论证，我司现用于冷却水系统闭环控制的系列智能变频器，采用同制冷模式下冷冻水泵系统闭环控制一样的控制方式。与其他厂家的控制方式相比，其优点有：

　　1、 只需在中中央空调冷却管出水端安装一个温度传感器，简单可靠。

　　2、 当冷却水出水温度高于温度上限设定值时，频率直接优先上调至上限频率。

　　3、 当冷却水出水温度低于温度下限设定值时，频率直接优先下调至下限频率。而采用冷却管进、出水温度差来调节很难达到这点。

　　4、 当冷却水出水温度介于温度下限设定值与温度上限设定值时，通过对冷却水出水温度及温度上、下限设定值进行PID计算，从而达到对频率进行无极调速，闭环控制迅速准确。

　　5、 节能效果更为明显。当冷却水出水温度低于温度上限设定值时，采用冷却管进、出水温度差来调节方式没有将出水温度低这一因素加入节能考虑范围，而仅仅由温度差来对频率进行无极调速，而采用上、下限温度来调节方式充分考虑这一因素，因而节能效果更为明显，通过对多家用户市场调查，平均节电率要提高5％以上，节电率达到20％～50％。

　　四、盘管风机的变频改造

　　盘管的作用是将冷冻泵打出的冷媒在通过盘管时，风机将冷（热）风吹到各个房间。盘管一般有两种方式：集中式(盘管集中在一起，通过风道将风分别送到各个房间)和分散式（冷冻泵通过管网将冷媒送到各个楼层，再在楼层通过盘管将风送到各个房间）。因此在冷媒送出的冷（热）媒不变时，盘管风机送出风量的多少将直接影响到房间的温度。改造时，我们将温度传感器装在需要恒定温度的区域，用传感器的信号来控制变频器，从而达到根据室内温度来改变送风量的目的。由于系统采用高精度的温度传感器，因此房间的温度的波动范围可以控制0.1℃以内（如更高要求，需特别提出）。

　　风机盘管的改造还可通过开环的方式，操作人员根据现场环境的需要调节变频器的频率来改变送风量。此种控制方式适宜现场环境变化不大、对温度波动也要求不高的情况。

　　五、对中央空调的集中管理的变频调速改造方案：

　　系统示意图：

　　在该系统中，冷冻泵、冷却泵、水塔风扇变频器采用开环控制，由维护人员根据季节不同和负荷的变化进行调节；风机采用温度闭环控制，可根据温度传感器的反馈值，调节风机的转速，从而使被控环境温度基本保持恒定。

　　另外，变频器可通过RS232/RS485串行接口，与中央控制室的微机联网，实现集中监控，操作人员可通过上位机（电脑）对变频器进行各种控制，也可以及时了解各变频器的工作状态。

　　六、综合效益预测

　　1．显著的节电效果，一般节能在20％以上，可取得很好的经济效益；

　　2．室温维持恒定，增加环境的舒适度；

　　3．操作方便，维护量小，维修维护费用大幅度降低；

　　4．变频调速使电机大多数时间运行在工频之下，减少了环境噪音，并减轻了电机轴承磨损