中央空調(diào)的變頻控制設(shè)計及節(jié)能分析*

胡雪梅， 任艷艷

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽 473000;2.濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南濟源 454650)

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，在各類建筑物中越來越多地應(yīng)用到中央空調(diào)。中央空調(diào)在給人們創(chuàng)造舒適環(huán)境的同時，其能耗也不容被忽視。據(jù)統(tǒng)計，中央空調(diào)系統(tǒng)的耗電一般要占整座建筑電耗的60%～70%以上。高能耗已經(jīng)成為制約中央空調(diào)健康發(fā)展的一大瓶頸。根據(jù)國家倡導(dǎo)創(chuàng)建低碳社會的要求，節(jié)約用電是節(jié)能的一個重要環(huán)節(jié)，因此，如何有效地降低空調(diào)的運行費用成為目前迫切需要解決的問題。從目前國內(nèi)外中央空調(diào)運行技術(shù)來看，較為有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速技術(shù)［1］。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)的組成

如圖1所示，中央空調(diào)系統(tǒng)主要由主機制冷系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)等組成。

主機制冷系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)的心臟——“致冷源”，由冷凍主機、壓縮機、蒸發(fā)器和冷凝器組成。在蒸發(fā)器里，制冷劑和冷凍水發(fā)生熱量交換，將冷凍水降溫制冷，制冷劑吸收熱量后蒸發(fā);在冷凝器里，蒸發(fā)后的制冷劑和冷卻水發(fā)生熱量交換，制冷劑釋放出熱量，被冷卻水帶走。

冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由冷凍泵及冷凍水管道組成。從冷凍主機流出的冷凍水(出水)，由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，送到各風(fēng)機風(fēng)口的冷卻盤管中，由盤管風(fēng)機吹送冷風(fēng)帶走房間內(nèi)的熱量，達(dá)到冷卻空氣的目的。同時，吸收熱量后溫度升高的冷凍水(回水)，再流回冷凍主機。

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷卻泵將吸收熱量后溫度升高的冷卻水(出水)壓入冷卻塔中，由冷卻塔風(fēng)機對其進(jìn)行噴淋冷卻，與大氣進(jìn)行熱交換，再將降溫了的冷卻水(回水)送回到冷凍機組的冷凝器中，去吸收制冷劑放出的熱量，使冷凍主機降溫。回水的溫度高于出水的溫度，形成了溫差［2］。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)的組成框圖

2 變頻調(diào)速的節(jié)能原理

由于中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計時是按現(xiàn)場最大需求量時設(shè)計的，冷凍機組按照最大負(fù)荷配置，并且留10%～20%的設(shè)計余量，因此在實際使用中，冷凍機組、冷卻泵和冷凍泵有超過90% 的時間都工作在非滿載狀態(tài)下，所以節(jié)能的潛力較大。

風(fēng)機、水泵類負(fù)載的特性如下:

式中:n1，n2——電機轉(zhuǎn)速;

G1，G2——水流量;

H1，H2——水泵揚程;

P1，P2——水泵軸功率。

即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力正比于水泵揚程，與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

轉(zhuǎn)速公式:

式中:f——電源頻率;

p——極對數(shù);

s——轉(zhuǎn)差率。

即電機轉(zhuǎn)速正比于電源頻率。

由式(1)和式(2)可知，調(diào)節(jié)電機電源的頻率即可改變電機轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速、流量和軸功率。由此可見，通過頻率改變，使風(fēng)機、水泵轉(zhuǎn)速下降時消耗的功率也大大下降，達(dá)到節(jié)能的目的。

3 中央空調(diào)變頻控制設(shè)計

3.1 主機制冷系統(tǒng)變頻控制設(shè)計

制冷循環(huán)系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)的心臟，其能耗達(dá)到總能耗的60%以上，因此制冷循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能是整個系統(tǒng)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。

(1)對壓縮機進(jìn)行變頻控制。采用變頻控制的壓縮機實現(xiàn)了軟起動、軟制動，大大降低了起動電流，運行噪聲減小、溫升降低、振動減少，能檢測負(fù)載輕微的變化，并迅速調(diào)整輸出。其功耗是以流量降低的三次方比例降低，且運行參數(shù)的控制精度更高，讓機組始終處于最佳的運行狀態(tài)，可以實現(xiàn)年均節(jié)能30%以上。在低負(fù)荷時，節(jié)能約可達(dá)70%，達(dá)到了大幅節(jié)能的效果。

(2)同時，壓縮機也可采用多機并聯(lián)制冷方式。即每次開機時，首先投入全部壓縮機運行，使冷凍水出口溫度降至8℃以下，1～1.5 h后部分關(guān)閉壓縮機，剩余壓縮機變頻運行維持制冷量，此時，冷凍水出口溫度會在9℃ ～12℃之間波動，但制冷效果依然較好，節(jié)能效果非常顯著［2-3］。

3.2 水循環(huán)系統(tǒng)的變頻控制設(shè)計

采用變頻調(diào)速技術(shù)改變冷凍水、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中水泵電機的轉(zhuǎn)速，使輸送能耗隨流量的增減而增減。

圖2所示為冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的變頻控制。在制冷機組冷凍水回水管上裝設(shè)溫度傳感器，再與PID調(diào)節(jié)器、變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過冷凍水的溫差來控制變頻器的頻率，以控制電機轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)冷凍水的出水量，以便讓冷凍水在風(fēng)機組件中有充分的時間釋放與熱負(fù)荷大小相當(dāng)?shù)睦淞浚秒姍C的功耗就可大大降低。以制冷模式為例，溫差大，表明空調(diào)房間內(nèi)溫度高，室內(nèi)負(fù)荷大，應(yīng)提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，即頻率上調(diào);溫差小，則表明室內(nèi)溫度低，室內(nèi)負(fù)荷小，可降低冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，即頻率下調(diào)。這樣，使冷凍水泵機組的轉(zhuǎn)速隨著熱負(fù)載的變化而變化。當(dāng)?shù)谝慌_電機已達(dá)到額定功率時，如果還達(dá)不到要求則可起動第二臺電機。變頻運行，后面幾臺的操作也是如此。這樣，不斷調(diào)整控制，可使其達(dá)到最佳效果［3-4］。

圖2 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)變頻控制簡圖

冷卻水系統(tǒng)變頻控制可采用冷凍水循環(huán)系統(tǒng)一樣的控制方式，即檢測冷卻水回水溫度組成閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫差大，說明機組產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，即頻率上調(diào)，增大冷卻水的循環(huán)速度;溫差小，說明機組產(chǎn)生的熱量小，可降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，即頻率下調(diào)，減緩冷卻水的循環(huán)速度［5-6］。

3.3 送風(fēng)系統(tǒng)的變頻控制設(shè)計

送風(fēng)系統(tǒng)要考慮系統(tǒng)末端的新風(fēng)機、回風(fēng)機、變風(fēng)量風(fēng)機、盤管風(fēng)機等送風(fēng)設(shè)備的運行控制方式。使用變頻器，即可有效改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。變頻風(fēng)機運行穩(wěn)定，節(jié)電效果明顯、控制靈活，可有效避免冷凍水水漫頂棚的麻煩，是實現(xiàn)中央空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能的根本途徑。對于舒適性等要求較高而空間又不是太大的空調(diào)區(qū)域內(nèi)，變頻風(fēng)機可以采用恒溫PID控制。在大型的空調(diào)應(yīng)用環(huán)境中，常根據(jù)節(jié)假日運行需求，采用多段速變風(fēng)量控制。該控制方式是在基于對風(fēng)量需求進(jìn)行經(jīng)驗估算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的程序控制，如用風(fēng)量明顯減少時，可改變吸風(fēng)機轉(zhuǎn)速，控制風(fēng)量，減少風(fēng)機的能耗［7］。

4 變頻調(diào)速設(shè)計實例

采用森蘭BTl2S變頻器對冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行變頻控制設(shè)計［8］，如圖3所示。

圖3 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)森蘭變頻控制框圖

由一臺變頻器控制三臺冷卻泵，實現(xiàn)一拖三(二用一備)控制。運行時，首先由1號泵作為主控泵，進(jìn)行變頻運行，如頻率已經(jīng)升高到上限值，而溫差仍偏大時，則將1號泵切換為工頻運行，變頻器將與2號泵相接，使2號泵處于變頻運行狀態(tài)。當(dāng)變頻器的工作頻率已經(jīng)下降到下限值，而溫差仍偏小時，令1號泵停機，2號泵仍處于變頻運行的狀態(tài)。圖4所示為兩臺水泵供水時順序運行過程。

圖4 兩臺水泵供水時順序運行過程

工頻變頻切換控制由可編程邏輯控制器(Programmable Logical Controller，PLC)控制接觸器實現(xiàn)。當(dāng)切換開關(guān)切換為“變頻”位時，該泵將作為主泵，實現(xiàn)變頻運行;若為“工頻”位時，該泵可通過起動和停止按鈕進(jìn)行手動控制，使電動機在工頻下運行。接觸器KM2(KM3)、KM4(KM5)、KM6(KM7)分別控制1號泵、2號泵、3號泵進(jìn)行工頻(變頻)運行。KM1用于接通變頻器的電源。

在回水管道處，分別安裝兩個熱電阻Rt構(gòu)成溫度傳感器，以檢測回水溫度，由溫度傳感器轉(zhuǎn)換成與溫度大小成正比的電流信號，作為變頻器的反饋信號，接至反饋信號輸入端IPF。目標(biāo)信號是根據(jù)實際測試而確定的一個溫度設(shè)定值，可通過操作面板設(shè)置。目標(biāo)信號和反饋信號進(jìn)行比較后送入變頻器內(nèi)的PID調(diào)節(jié)器，控制變頻器改變輸出頻率，當(dāng)冷卻水出水溫度高于溫度上限設(shè)定值時，頻率直接優(yōu)先上調(diào)至上限頻率。當(dāng)冷卻水出水溫度低于溫度下限設(shè)定值時，頻率直接優(yōu)先下調(diào)至下限頻率。當(dāng)冷卻水出水溫度介于溫度下限設(shè)定值與溫度上限設(shè)定值時，通過對冷卻水出水溫度及溫度上、下限設(shè)定值進(jìn)行PID計算，從而達(dá)到對頻率進(jìn)行無級調(diào)速，閉環(huán)控制迅速準(zhǔn)確。

5 變頻調(diào)速后的節(jié)能分析

經(jīng)變頻調(diào)速后，水泵電機轉(zhuǎn)速下降，電機從電網(wǎng)吸收的電能就會大大減少，其減少的功耗為

減少的流量為

式中:n1——改變后的轉(zhuǎn)速;

n0——電機原來的轉(zhuǎn)速;

P0——原電機轉(zhuǎn)速下的電機消耗功率;

Q0——原電機轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的水泵流量。

由式(1)和式(2)可看出:流量的減少與轉(zhuǎn)速減少的一次方成正比，但功耗的減少卻與轉(zhuǎn)速減少的三次方成正比。如:假設(shè)原流量為100個單位，耗能也為100個單位，如果轉(zhuǎn)速降低10個單位，由式(4)△Q=Q0［1－(n1/n0)］=100×［1－(90/100)］=10，可得出流量改變了10個單位。但功耗由式(3)△P=P0［1－ (n1/n0)3］=100×［1－(90/100)3］=27.1 可以得出，功率將減少27.1個單位，即比原來減少27.1%。

6 結(jié)語

采用變頻控制，能有效控制主機及空調(diào)系統(tǒng)工作效率，降低空調(diào)能耗，達(dá)到增收節(jié)支、降低運營成本的目的。同時，實現(xiàn)電機軟起動和設(shè)備軟運行，并實現(xiàn)了過壓、過流、缺相等多種保護(hù)功能，消除了電流、電弧沖擊，避免水垂現(xiàn)象，大幅減少了設(shè)備損耗，降低了溫升及噪聲，因此，可大大延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命，從而保護(hù)了電網(wǎng)系統(tǒng)，減少了可能發(fā)生事故的次數(shù)，減少了維修費用。中央空調(diào)采用變頻調(diào)速技術(shù)，必然能帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益，在實際應(yīng)用中有著廣闊的前景。

［1］劉旭東，葉明哲.變頻調(diào)速在空調(diào)中的應(yīng)用［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2010(18):30-33.

［2］鄒玉東.中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)研究［J］.工程技術(shù)，2009(3):93-94.

［3］潘多.PLC控制中央空調(diào)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計［J］.農(nóng)業(yè)科技與裝備，2010(2):37-39.

［4］陳劍萍，王堅敏，鐘曉波.變頻節(jié)能技術(shù)在中央空調(diào)中的應(yīng)用［J］.輕工機械，2009(4):101-103.

［5］孫東輝，王宏宇，趙秀芬.變頻技術(shù)在中央空調(diào)冷卻水壓差控制中的應(yīng)用［J］.低壓電器，2009(6):27-29.

［6］林永進(jìn).中央空調(diào)水系統(tǒng)中變頻控制技術(shù)的應(yīng)用［J］.機電工程，2009(6):108-110.

［7］劉靜紈，魏東，劉熙.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)溫度模糊PID控制［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2009(8):98-102.

［8］王廷才，胡雪梅.變頻器原理及應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.