論變頻技術在中央空調系統節能降耗的應用

吳嘉安

（佛山市節能減排服務管理中心有限公司，廣東 佛山 528000）

中央空調系統是現代大型建筑物不可缺少的配套設施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調系統都是按最大負載并增加一定余量設計，而實際上在一年中，絕大部份中央空調系統滿負載下運行的時間最多占總工作時間的5%左右，幾乎絕大部分時間負載都在70%以下運行。通常中央空調系統中末端用戶能按需求利用冷量以及冷凍主機的負荷能隨季節氣溫變化自動調節負載，而與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動調節負載，幾乎長期在100%負載下運行，造成了能源的極大浪費，增加經營的成本，也惡化了中央空調的運行環境和運行質量。

1.中央空調系統的構成及工作原理簡單介紹。構成空調系統的主要組件不外乎熱交換器與流體機械二種。熱交換器是作為高低溫二種工作流體能量交換的設備，諸如冷凍水盤管、蒸發器、冷凝器與冷卻水塔散熱材等；在各循環中的流體機械則是推動工作流體循環的動力源，諸如風機、水泵與制冷劑壓縮機等是主要消耗電力的部分。通過流機的一系列工作及將各種裝置連接起來的流道（如風管、水管及制冷劑管）完成了能量的傳輸及轉移，從而達到空氣調節的目的。典型的中央空調系統是由下列五個循環相扣所形成的：（1）制冷劑循環：液態制冷劑在蒸發器中吸收冷凍水回水的熱量之后，汽化成低溫低壓的氣態制冷劑，被壓縮機吸入、壓縮成高壓高溫的氣態制冷劑后排入冷凝器、在冷凝器中向冷卻水放熱，冷凝為高壓液態制冷劑、經節流閥節流為低壓低溫的制冷劑、再次進入蒸發器吸熱汽化，達到循環制冷的目的。這樣，制冷劑在系統中經過蒸發、壓縮、冷凝、節流四個基本過程完成一個制冷循環。(2)冷凍水循環：空氣中之熱負載經過冷卻盤管時通過傳導及對流等方式傳至冷凍水中，使制冷機出來的低溫冷凍水溫度上升，之后由于冷凍水泵的驅動，升溫后的冷凍水經由冷凍水回水管被送回蒸發器中與低溫低壓制冷劑做熱交換 (冷卻過程)，變成低溫冷凍水后，再回到冷卻盤管吸收空氣熱負載，而完成循環。(3)冷卻水循環：制冷劑中之熱負載經過冷凝器時以傳導及對流等方式傳至冷卻水中，造成由冷凝器出來的冷卻水溫度上升。由于冷卻水泵的驅動冷卻水經由冷卻水管被載到冷卻水塔中之散熱材中與流經散熱材之空氣做熱交換(冷卻過程)而降溫后，再回到冷凝器吸收制冷劑熱負載，而完成循環。(4）室外空氣循環：冷卻水中之熱負載經過散熱材時以傳導及對流等方式傳至經由導風板進入冷卻塔之室外空氣，造成進入塔內的室外空氣溫濕度上升。由于冷卻風車的驅動，使高溫高濕之室外空氣被載到冷卻水塔以外之空間與周圍之室外空氣混合，而將熱負載排至大氣(排熱過程)，而完成循環。(5)室內空氣循環：空調區中因為人員、設備、外氣及太陽等所產生的熱負載，以傳導、對流、或是輻射等方式傳至空氣中，使室內空氣溫濕度上升(亦即增加空調負載)。由于風扇的驅動，室內空氣經由風管被載到冷卻盤管與冷凍水做熱交換(冷卻除濕過程)，變成"干"而冷的空氣后，再回到空調區間吸收人員、設備、外氣及太陽等所產生濕與熱，而完成循環。

2.中央空調系統普遍存在的不足?？照{系統不是標準化的工業產品，系統的制冷劑循環中壓縮機負荷通常可以跟隨系統負荷變化而變化，室內空氣循環的末端用戶通常也配置了溫濕度自動控制系統做到按需供給。但通常在冷凍水泵，冷卻水泵，冷卻塔風機及大型末端空氣處理器風機的建造上忽略了可變負荷的配置，造成日后運行過程中能源的浪費。主要存在的不足如下：

2.1 冷卻水系統的不足。從設計角度考慮，冷卻水泵電機的容量是按照最大換熱量（即環境氣溫最高，且所有場所的空調都全開的情況下），再取一定的安全系數來確定的。而通常情況下，由于季節和晝夜氣溫的變化以及開機數目的不同，實際換熱量遠小于設計值，因此，電機容量遠大于實際負荷，容易出現了大馬拉小車的情況。

2.2 冷凍水系統的不足。冷凍水泵通常也是在額定工況下恒速運行，由于末端負荷因外部環境的變化會出現需求的變化，這時就可能出現冷凍水的流量大，流速也快，當冷凍水流過末端處理設施時，還沒有充分的時間將所攜冷量全部釋放完，就又返回制冷機（空調主機）去了，容易出現大流量，小溫差的現象，因此冷凍水泵電機做了很多無用功，這些都是不必要的能耗。

2.3 冷卻水塔風機的不足。水塔風扇是平方轉矩負載，當季節和晝夜變化時，環境氣溫降低，通過噴淋的冷卻水已能和大氣充分地交換熱量，風扇轉速可以降低，因此，多數風扇電機耗電也存在浪費的現象。

2.4 末端中央空氣處理器的不足。末端中央空氣處理器（AHU）在大型中央空調里使用比較多，末端中央空氣處理系統通常由冷卻盤管，送回風機，過濾器，風管，及自控系統等組成，主要耗電的設備是風機，初始設計的時候也是按定負荷運行。隨著運行時間的變化，系統風阻會隨過濾器阻力的變化而變化。風機的恒速運轉也存在較大的能量浪費。

通過對上述四個循環的分析理解，如何將恒負荷運行的冷凍水泵，冷卻水泵，冷卻水塔風機，及末端設備的循環風機改造成可變負荷運行，跟隨制冷主機及末端負荷變化而實行按需供應的運行模式，避免不必要的浪費，將是節能改造的關鍵。中央空調系統的四個部分都可以實施變頻節電改造。但冷凍水和冷卻水循環泵改造后節電效果最為理想。

3.節能原理。變頻器節能主要表現在水泵、風機的應用上。為了保證生產的可靠性，各種生產機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風機、泵類等設備傳統的調節方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉速即可滿足要求。

由流體力學理論可知,水泵流量Q與轉速n，揚程H及電機軸功率P的關系如下：

流量與轉速成一次方關系：Q1/Q2=n1/n2；

揚程與轉速成二次方關系：H1/H2=(n1/n2)2

電機軸功率與轉速成三次方關系：P1/P2=(n1/n2)3

對于變頻調速來說,轉速與電源頻率成正比,當電源頻率降低,電動機轉速也降低,所需功率就隨轉速的三次方迅速降低，即如果水泵轉速下降20%，水泵電機的節能率可達48.8%，所以,當負荷變化時,調節帶動水泵、風機的電動機,轉速隨之變化,可有效降低功耗,節約電能。變頻調速控制水量與傳統的調節閥門控制水量的節能原理可通過圖1進行比較說明。

圖1

如圖1.曲線所示：A0是一水泵系統本來的特性曲線；A1是通過系統閥門調節使流量減小的系統特性曲線；N1是變頻后的水泵特性曲線，NO是水泵標準工況特性曲線；系統本來的特性曲線與水泵標準工況特性曲線交于B0點。當水泵流量需要減小時，用調節系統閥門的方法時(水泵標準工況特性曲線不變)，交與B2點；用水泵變頻的方法時 (系統本來的特性曲線不變)，交與Bl點，則Cl、C2、Bl、B2間的面積就是水泵變頻所節約的電能。比較采用閥門開度調節和水泵轉速控制，顯然使用水泵轉速控制更為有效合理，具有顯著的節能效果。

對于風機來說,其物理特性與水泵相似。同樣可以利用變頻調速進行節能改造。

4.水泵變頻節能改造案例。某90年代初建造的大型電子產品生產企業，中央空調系統配置了5臺900冷噸雙機頭制冷機，一對一分別配置了5臺90kW冷凍水循環泵和5臺90kW冷卻水循環泵，以及5臺冷卻塔各配2臺15KW風機，末端配置了35臺套的空氣處理(AHU)系統（含自控系統），冷凍水除供給廠房潔凈空調外還供給工藝冷卻用水。通常夏季最多開三臺，冬季有時可以一臺機組單機頭運行，以滿足工藝冷卻水要求。調查發現，由于設計余量過大及設備選型不足，造成運行過程中冷凍、冷卻水泵均要通過關小水泵出口閥門調節運行電流，以免電機過載，冬天雖然空調不用冷負荷，但由于工藝要用冷卻水，也要開啟冷凍機組。在冬天及過渡季節，造成冷凍水供回水溫差只有2攝氏度，甚至更低，整個系統存在典型的大馬拉小車，大流量小溫差的狀況。

4.1 改造目的和方案。改造的目的利用變頻器良好的調速性能消除用閥門調節造成的能源浪費，同時使得中央空調的各個拖動系統，適應于實際的運行工況以及環境情況，自動的調整拖動系統中電機的轉速以及運行，實現全自動閉環控制，從而實現流量可控，達到節能降耗的目的。

冷凍水系統改造方案。根據變頻器應用于泵和風機的特性，方案分別為每臺冷凍水泵配置一臺90kW的變頻器，及一套壓差變送器。變頻器的控制方法可采用恒溫差控制或恒壓差控制。由于該系統水力管網比較大，為了避免因恒溫差控制的過渡調節可能造成的水力不平衡現象，該項目采用恒壓差控制模式。利用變頻器自帶的PⅠD控制模塊，壓差變送的4-20mA電信號輸入變頻器，以調整變頻器的頻率輸出，從而改變水泵的轉速，達到冷凍水輸送流量跟隨末端需求的變化而變化。這樣不僅解決用閥門調節水量而浪費能源，也避免了大馬拉小車的現象，緩解了大流量小溫差的浪費能源問題。

冷卻水系統改造方案。冷卻水泵系統變頻器與冷凍水泵一樣，配置了冷卻水進出口溫差傳感器，測量冷卻水的進出水溫差，利用變頻器自帶的PⅠD控制模塊，采用恒溫差（通常50C）控制控制冷卻水泵的流量跟隨制冷機負荷的變化，達到節能目的。

冷卻塔風機控制方案。可以安裝變頻器采用冷卻水出水溫度來控制風機轉速，被控量(出水溫度)與設定值的差值經過變頻器內置的PⅠD控制器后,最終調節冷卻塔風機的轉速?；虿捎美鋮s水出水溫度來控制風機運行數量及開停的控制，達到節能目的。

末端中央空氣處理裝置的控制方案?？梢岳盟惋L機的靜壓控制來實施節能改造，如在空氣送風干管設置一個或多個靜壓傳感器，達到風機的閉環控制。

4.2 改造系統結構。本文只對水系統改造作詳細解析。保留原水泵的自耦降壓起動裝置，如節能裝置需要檢修，可立即切換到原市電方式動作，不影響設備的正常使用。冷凍水泵改造的系統圖見圖2。冷卻水泵改造與冷凍水一樣，但將壓差傳感器改為溫差傳感器。

圖2

4.3 改造效果

實施改造后，水泵調節閥全開，使得中央空調的水循環系統的循環量，跟隨著空調主機、外界環境、以及用戶的需求量的變化而變化。改變原來單一的工頻速度循環為可控的自動調整的循環系統。在滿足空調以及用戶需求的情況下大幅度的節能降耗，特別是在制冷負荷相對較低的秋冬季節，下表為項目改造前后冷卻水及冷凍水系統用電量的變化情況：

從表中看出，實施節能改造后為企業帶來了良好的經濟效益及社會效益。

5,結束語

1、水泵變頻調速控制，采用變流量運行具有很大的節能潛力。對中央空調實行節能改造，既節省了大量的電能，又保護了環境，更為重要的是為企業帶來了巨大的經濟效益。2、要從系統的角度分析,以不影響空調系統穩定性為目的選擇合適的控制模式，如恒溫差，恒壓差，恒靜壓，恒溫控制等等。在保證使用效果的前提下,達到節能的目的。3、建議積極實施節能改造的同時，相關設計及建造單位將相關節能的理念應用到項目前期的設計及施工中去。

[1]巫莉.PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用[J].電工技術,2010,(12).

[2]陳建東.中央空調系統水泵變頻節能技術的應用分析[J]制冷技術,2006,(04).

[3]臺灣.《空調系統能源查核與節約能源案例手冊》.