變頻器在中央空調系統中的應用

一、引言

隨著國民經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，中央空調系統已廣泛應用于賓館、酒店、寫字樓、商場、醫(yī)院大樓、工業(yè)廠房等場合，其系統結構由制冷壓縮機組、冷（熱）媒循環(huán)水系統、冷卻循環(huán)水系統、冷卻塔風機系統、盤管風機系統等組成。 系統設計容量大多是按照建筑物最大制冷、制熱負荷或新風交換量需求來選定的，且留有很大的裕量。 在使用過程中無法隨著如季節(jié)的變化，晝夜的變化，人數的多少進行調整，電機長期在工頻全速運行，出現“大馬拉小車”的現象。 雖然系統采用了閘閥、檔板等節(jié)流方式，但能量浪費十分嚴重，用電量占大廈總用電量的60%以上，其中，水泵的耗電量約占總空調系統耗電量的40%左右，故有著很大的節(jié)能空間。 因此節(jié)約低負荷時主壓縮機系統和水泵、風機系統的電能消耗，具有極其重要的經濟意義。

二、中央空調系統的工作原理及組成結構

中央空調系統由主機、冷凍水循環(huán)系統、冷卻水循環(huán)部分三大部分組成。 其冷卻水泵控制原理圖如下圖所示:

中央空調系統按負載類型可將其分為兩大類:

1、恒轉矩型負載:如螺桿式或離心式制冷主壓縮機系統的壓縮機，不僅對軸輸出的轉矩具有最小值限定的需求，而且其轉速與功率的關系也近似表現為線性特征。

2、平方轉矩型負載:如冷卻循環(huán)水系統、冷媒循環(huán)水系統（熱泵循環(huán)水系統）、冷卻塔風機系統、盤管風機系統等的風機、水泵類負載，它們對軸轉矩沒有嚴格的需求，其軸功率與轉速具有顯著的立方關系特征。 不同的負載類型具有不同的轉矩、功率關系特性，節(jié)能空間各有不同。

（1）制冷壓縮機的節(jié)能調節(jié)原理

以蒸汽壓縮式制冷循環(huán)為例，中央空調的制冷系統其制冷循環(huán)過程如上圖所示。 螺桿壓縮機的功率調節(jié)可以通過變頻調節(jié)的方式，以降低螺桿的轉速來實現。 （為防止排氣端向排氣孔形成的高壓氣體倒流現象的發(fā)生，如噴油現象，通常將最小排氣量限定在10%左右）。 因此，螺桿壓縮機的功率輸出可以在10%～100%范圍里實現無極調節(jié)。 有經驗數據表明，當螺桿壓縮機負荷在50%以上時其功率與負荷成線性正比關系，而低于40%負荷時其實際消耗功率遠大于線性理論計算功率，所以采用變頻技術時無法全負荷區(qū)間內獲得理想節(jié)能效果，從而使變頻控制技術的應用受到困擾。 由上分析可見，就中央空調制冷壓縮機而言，壓縮機本身業(yè)已采用了自動調節(jié)方式，故一般不建議對制冷壓縮機進行節(jié)能改造。

（2）風機水泵節(jié)能調節(jié)原理

由流體力學理論可知，離心式流體傳輸設備（如離心式水泵、風機等）的輸出流量Q與其轉速n成正比； 輸出壓力P（揚程）與其轉速n的平方成正比； 輸出功率N與其轉速n的三次方成正比，用數學公式可表示為：

Q∝N H∝N2 N∝N3

KW=Q*H∝N3

(Q代表流量，N代表轉速，H代表揚程，KW代表軸功率)

例如：將供電頻率由50HZ降為45HZ，則P45/P50=（45/50）3= 0.729，即P45=0.729 P50； 將供電頻率由50HZ降為40HZ，則P40/P50=（40/50）3= 0.512，即P40=0.512 P50。

由上述原理可知，降低水泵的轉速，水泵的輸出功率就可以下降更多。 改造前我們需要判斷系統是否具有節(jié)能潛力。 由于中央空調系統所具有的特殊性，主要從兩個方面來考慮：首先是泵本身的額定流量與揚程指標和運行時實際輸出表現； 其次是系統對實際供水需求量所要求的溫度差，或壓力與機組標準指標之間的偏差大小。 以冷凍泵為例，采用實時采集進出水溫度數據，通過智能溫度控制器控制運算處理，輸出4—20mA的模擬信號，決定變頻器對泵的調節(jié)方向與調節(jié)幅度。 為了避免出現“悶泵”或“斷流”現象，泵的轉速應限定在一定值以上，這個下限轉速（最低供給揚程和流量）可以通過變頻器的輸出下限頻率來設定，在保證足夠的揚程和流量的前提下（避免中央空調系統低壓檢測報警動作），建議采用溫度控制方式來實現。

三、變頻節(jié)能系統電路控制改造線路示意圖

1．變頻器系統接線圖

接線示意圖

說明：該方案使用富凌DZB300系列通用變頻器，“市電”“節(jié)電”旁路需要另配電控柜及電氣配件。 按實際情況做一用兩備或兩用一備使用

2．參數設置

F0.01=1 運行指令端子控制

F0.03=5 頻率指令PID控制

F0.05=48 運行頻率上限

F0.06=15 運行頻率下限

F0.10=2 禁止反轉運行

F0.19=1 自由停車

F1.20=1 平方轉矩V/F曲線

F2.01=1 正轉運行

F2.07=0 兩線式控制

F2.21=3 故障常開輸出

F4.18=0 PID鍵盤給定

F4.19=50 鍵盤預置PID給定

F4.20=0 PID模擬通道VI反饋

F4.21=1 PID輸出為負特性

F4.22=1 比例增益

F4.23=0.1 積分時間

F4.24=0.00 微分時間

F4.25=0.10 采樣周期

F4.26=5.0 PID控制偏差極限

四、實際設備工況

1.冷凍媒水泵系統的閉環(huán)控制(檢測進、出水溫差)

中央空調系統冷凍循環(huán)水的標準進出水溫度為：12℃/7℃，額定指標冷凝器標準進出水允許溫差為5℃。如進出水溫差為2℃，因此從溫差現象角度上看，冷凍循環(huán)水的實際需求量僅為供給量的2℃/5℃=40%，在變頻調速情況下，泵的實際轉速只要工作在額定轉速的40%就可以滿足要求，泵的能耗僅約為額定能耗的10%以下，能量的交換不充分原因致使系統的制冷效果變差，因此節(jié)能空間非常大。在保證最末端設備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率（一般取25HZ），將其設定為下限頻率，鎖定冷凍水泵的最低工作速度，通過智能溫度控制器檢測冷凍進出水溫度差值，來控制變頻器的頻率增減控制方式，使冷凍回水溫度大于設定溫度時頻率無極上調。

2．制熱模式下冷凍水泵系統的閉環(huán)控制(檢測進出、水溫差)

該模式是在中中央空調中熱泵運行即制熱時（秋、冬季），和冷凍水泵系統的控制方案一樣，同上。

3．冷卻循環(huán)水泵開環(huán)控制（檢測進出、水溫差)

中央空調系統標準冷卻循環(huán)進出水溫度差為：4℃～8℃，冷卻塔標準進出水溫差為：3℃～5℃，用于采暖的熱水進出水溫度為：50℃/60℃。 該部分由冷卻泵、冷卻水塔及冷凝器等組成。 冷凍水循環(huán)系統進行室內熱交換的同時，并帶走室內大量的熱能，能量從主機內的冷媒傳遞給冷凝器，使冷卻水溫度升高； 冷卻泵將升溫后的冷卻水輸送至冷卻水塔（出水），使之與大氣進行能量交換，使冷卻降低溫度后再送回主機冷凝器（回水）。 因此，冷卻水循環(huán)系統同時受室外環(huán)境溫度及室內熱負荷兩方面影響，循環(huán)水管道單側的水溫不能準確反映該系統的熱交換量。 需在冷卻管進出出水主管上安裝一個溫差傳感器如圖1示，以出水與回水之間的溫差作為控制室內溫度的依據是合理的節(jié)能方式。 在外界環(huán)境溫度不變的情況下，溫差大，說明室內熱負荷較大，應提高冷卻泵的轉速，增大冷卻水循環(huán)的速度； 相應的，溫差小則減小冷卻泵轉速,此種方式將比單測回水溫度節(jié)能空間大5-10%左右。 正是因為壓力與流量的過剩作用使水流過速、熱交換溫差偏小，因此，可以通過降低熱泵循環(huán)水的總供應流量來實現向標準溫差參考值靠近，從而達到節(jié)約能量的目的。

因此，在對實際運行工況考察時，不能簡單地依據電機運行電流的大小來判斷，若只簡單地從冷媒循環(huán)水系統的電機實際運行電流來看，就會發(fā)生沒有多少節(jié)電空間的錯誤判斷。 所以，應根據實際運行工況點數據做依據：如系統設備容量選型、不同季節(jié)、不同時間負荷變化等因素的影響，在實際投入運行的中央空調系統基本上沒有與標準指標相一致的情況，大多數系統都存在著溫差偏小、揚程過高、流量過大等現象，利用變頻調速技術，把系統多余的流量、揚程節(jié)省下來，使系統工作在耗能最佳工況下（揚程和流量均無多余的狀態(tài)下）， 從而達到既滿足系統需求又使能耗減至最少。

4．盤管風機系統控制

每個房間1套盤管風機，電機0.40kW 220V，盤管風機最大送風溫差為：10℃～15℃，（一般空氣進出口溫差取8℃）。 盤管風機系統是同時使用水和空氣作為室內負荷熱量傳遞介質的系統，但室內大部分主要冷、熱負荷是由通過盤管中的冷媒水或熱媒水來承擔的，風機主要是以滿足房間的衛(wèi)生換氣需求，以改善房間舒適度，僅承擔一部分制冷或制熱負荷。

風機由原來的人工通過三檔調速開關啟?？刂骑L機，改為變頻控制。 在實施變風量改造后，房間的溫度在特別是冬季可穩(wěn)定控制在17℃±1℃，與工頻消耗電量相比，其日平均節(jié)約電能為80%，相當其額定功率的60%以上。 特別是改造后房間的噪聲也明顯地得到了改善。

5．冷卻塔風機控制

冷卻塔風機系統的現狀分析（一般每套兩臺風機），原控制方式采用直接啟動方式下的工頻全速運行。 兩臺冷卻塔風機均在全速運行，系統缺少有效的冷卻效果檢測，沒有充分利用自然冷卻狀態(tài)下節(jié)約電能的機會，導致冷卻塔風機處于兩種極端狀態(tài)：要么全速運轉，或人工停止，尤其在春、秋、冬季，由于人工操作不能及時響應冷卻塔出水溫度的變化而啟停風機，造成因操作管理上帶來能量的極大浪費現象。 在改造時，對每套冷卻塔實施以進水溫度35℃為風機起始運行點，以30℃為停止運行點，在35℃～30℃溫度區(qū)間作為風機頻率調節(jié)依據，實行溫度PID變風量調節(jié)。 經實際運行測試，在變風量控制方式下的能耗僅為工頻啟?？刂品绞降?0%左右，況且變風量控制完全規(guī)避了人工啟停工頻運行方式下，因操作無實時性或管理不完善造成的能量浪費。 根據大量典型的中央空調系統節(jié)能改造案例統計數據表明，在成功的中央空調系統節(jié)能改造實現后，其冷卻塔風機系統節(jié)能率均在40%以上，某些含有大容量冷卻塔蓄水池裝置的冷卻塔系統則可達到50%以上。

五、變頻節(jié)能系統特點

1.變頻器界面為LED顯示，監(jiān)控參數豐富； 鍵盤布局簡潔、操作方便；

2.溫度/溫差傳感器為數字雙屏LED顯示，溫度參數設定方便，易于監(jiān)控；

3.變頻器有過流、過載、過壓、過熱等多種電子保護裝置，并具有豐富的故障報警輸出功能，可有效保護供水系統的正常運作；

4.加裝變頻器后，電機具有軟啟動及無極調速功能，可使水泵和電機的機械磨損大為降低，延長管組壽命；

5.該系統實現了對溫度的PID閉環(huán)調節(jié)，室內溫度變化平穩(wěn)，令舒適度大大提高。

六、結束語

目前，中央空調系統節(jié)能技術改造工程項目市場分布不僅廣泛，而且數量眾多，這為進行節(jié)能改造市場化應用推廣奠定了基礎前提。 根據統計顯示，已投入運行的中央空調系統中，至少有70%以上未進行過任節(jié)能改造，且具有很好的節(jié)能空間。 將變頻技術應用于中央空調系統，對提升中央空調自動化水平、降低能耗、減少對電網的沖擊、延長機械及管網的使用壽命，都具有重要的意義。

審核編輯：湯梓紅