基于變頻技術(shù)的中央空調(diào)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)改造設(shè)計

趙 冰，郭素娜，尚希

（1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，河南 鄭州 450000；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，河南 南陽 473000；3.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 光電工程系，河南 南陽 473000）

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，中央空調(diào)越來越廣泛地應(yīng)用在的民用和公共建筑中。中央空調(diào)為人們創(chuàng)造舒適環(huán)境的同時，其耗電量卻不能被忽視。據(jù)統(tǒng)計，中央空調(diào)的耗電量占各類大型建筑總用電量的60%以上，其中僅水泵電機的耗電量約占到空調(diào)系統(tǒng)耗電量[1]的20%～40%。而在傳統(tǒng)的設(shè)計中，中央空調(diào)的各電機都長期工頻恒速運行，雖然可滿足最大的用戶負(fù)荷，但不能隨用戶負(fù)荷動態(tài)調(diào)節(jié)，而在90%的時間都是低負(fù)荷運行，這樣就造成很大的能源浪費。空調(diào)能耗不僅給城市能源、環(huán)境保護(hù)帶來巨大壓力，而且也給建筑的經(jīng)營者帶來沉重的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。在低碳生活的呼聲越來越高的情形下，中央空調(diào)的巨大的耗水耗電量的現(xiàn)狀必須得到改變，因此采用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)約低負(fù)荷時主機系統(tǒng)和水泵、風(fēng)機系統(tǒng)的電能消耗，具有極其重要的經(jīng)濟和社會意義。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

如圖1所示，中央空調(diào)一般由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及主機3部分組成。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔和冷凝器等組成。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱交換時，冷凍主機產(chǎn)生大量熱量，該熱量通過主機內(nèi)的制冷劑傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水（出水）壓入冷卻水塔，由冷卻塔對其進(jìn)行自然冷卻或通過冷卻塔風(fēng)機對其進(jìn)行噴淋式強迫風(fēng)冷，使之與空氣進(jìn)行熱交換，待溫度降低后（回水）再送回冷凍主機的冷凝器[2]。

2 水泵的變頻節(jié)能控制原理

水泵運行時，通常采用閥門調(diào)節(jié)來滿足工藝對流量的變化要求，即所謂節(jié)流調(diào)節(jié)。 在節(jié)流調(diào)節(jié)過程中，水泵的固有機械特性不變，僅僅靠調(diào)節(jié)閥門的開度，人為地增加管路的阻力來減小流量，因此增大了管路系統(tǒng)的損失。

圖2為閥門調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速控的3種不同的工況下運行時的能量變化曲線。曲線（1）（2）分別為水泵在額定轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)速n2運行時的特性曲線，曲線（3）（4）為水泵管路閥門全開和部分開時的管阻特性曲線。當(dāng)不變速也不調(diào)節(jié)流量，工況點是曲線（1）、（3）的交點A點，此時水泵所需的功率正比AQ1OH1所圍成的面積。水泵全速運行用閥門控制時，即節(jié)流調(diào)節(jié)。當(dāng)流量要求從Q1減小到Q2，必須關(guān)小閥門。這時閥門的磨擦阻力變大，管阻特性曲線從（3）移到（4），揚程則從H1上升到H2，運行工況點從A點移到B點。這時水泵所需的功率正比于BQ2OH2所圍成的面積。當(dāng)水泵采用變頻調(diào)速控制方式運行時，要求流量從Q1減小到Q2，由于管阻特性曲線(3)不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，則速度從n1降到n2，揚程從H1下降到H3，運行工況點則從A點移到C點。這時水泵所需的功率正比于CQ2OH3所圍成的面積[3]。

圖1 中央空調(diào)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure diagram of central air conditioning

圖2 水泵流量揚程特性曲線Fig.2 Characteristic curve of lift pump flow rate

由圖2可見，四邊形CQ2OH3的面積總是小于四邊形BQ2OH2的面積，功率的減少是非常明顯的，閥門控制流量時，有BH2H3C的功率被損耗浪費掉了，且隨著閥門不斷關(guān)小，這個損耗還要增加。而用轉(zhuǎn)速控制時，由于電動機的所需功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。那么在運轉(zhuǎn)同樣流量的情況下，原來消耗在閥門的功率就可以全避免，取得良好的節(jié)能效果，這就是水泵變頻調(diào)速節(jié)能的基本原理。

3 變頻調(diào)速改造設(shè)計

某建筑中央空調(diào)系統(tǒng)，其冷卻泵的拖動電機為30 kW，二備一用，冷卻塔為7.5 kW，一臺運行一臺備用，冷卻泵電機采用Y/△啟動方式，全年恒速運行。下面以該空調(diào)系統(tǒng)為例，對其冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行變頻節(jié)能改造設(shè)計。

3.1 改造方案

系統(tǒng)配置變頻器1臺，依次對冷卻泵的3臺電動機進(jìn)行變頻控制。保留由市電供電，Y/△啟動的常規(guī)控制方式，安裝工頻/變頻切換裝置，防止變頻器發(fā)生故障時，系統(tǒng)能自動切換到市電進(jìn)行工頻運行。系統(tǒng)選用一臺PLC對水泵電機變頻器等進(jìn)行控制協(xié)調(diào)。

變頻器實現(xiàn)1拖3運行控制。當(dāng)1號泵工作頻率上升，當(dāng)已經(jīng)達(dá)到額定頻率而水量仍不滿足時，PLC控制變頻器調(diào)入2號水泵投入變頻運行，如果還不滿足則2號水泵切換為工頻運行，接入3號泵投入變頻運行。反之，當(dāng)用水量減少時，則3號泵降頻運行或者退出工作，然后2號泵依次降頻運行工作，完成一次減泵的循環(huán)。

中央空調(diào)系統(tǒng)的外部熱交換由兩個循環(huán)水系統(tǒng)來完成。循環(huán)水系統(tǒng)的回水與進(jìn)（出）水溫度之差，反映了需要進(jìn)行熱交換的熱量，因此根據(jù)回水與進(jìn)（出）水溫度之差來控制循環(huán)水的流動速度，可以控制系統(tǒng)熱交換的速度。冷卻泵的變頻控制常以出水回水間的溫差作為控制依據(jù)，實現(xiàn)恒溫差控制。溫差大，說明冷凍機組產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水的循環(huán)速度及流量；溫差小，說明冷凍機組產(chǎn)生熱量小，可以降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷卻水的循環(huán)速度及流量，從而達(dá)到節(jié)能目的[4]。

圖3 PID調(diào)節(jié)的溫差閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagram of thermoelectric closed-loop control system on PID regulation

如圖1所示，可以在冷卻水出水回水管道靠近冷凝器出水及回水處安裝溫度傳感器，實時檢測管網(wǎng)的溫度并反饋送入變頻器內(nèi)的PID調(diào)節(jié)器，控制變頻器改變輸出頻率。如圖3所示為PID調(diào)節(jié)溫度的閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。一般冷卻水出水溫度保持在37℃，冷卻水回水溫度保持在32～28℃，出水回水的溫差設(shè)定為5～7℃。當(dāng)冷卻水出水回水溫差高于溫差上限設(shè)定值7℃時，頻率直接優(yōu)先上調(diào)至上限頻率。當(dāng)冷卻水出水回水溫差低于溫差下限設(shè)定值5℃時，頻率直接優(yōu)先下調(diào)至下限頻率。當(dāng)冷卻水出水回水溫差介于溫差下限設(shè)定值與溫差上限設(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，通過調(diào)節(jié)循環(huán)水的熱交換速度，最終實現(xiàn)恒溫差控制[5]。

3.2 電路設(shè)計

變頻器選擇FR-A540L-90K，其變頻器1控3的電路如圖4所示。KM1、KM3、KM5分別為電動機M1、M2、M3工頻運行時接通電源的控制接觸器，KM0、KM2、KM4分別為電動機M1、M2、M3變頻運行時接通電源的控制接觸器。

PLC選用FXos-30MR-D型。PLC對冷卻水泵電機的控制接線如圖5所示。Y0接KM0控制M1的變頻運行，Y1接KM1控制M1的工頻運行；Y2接KM2控制M2的變頻運行，Y3接KM3控制 M2的工頻運行；Y4接KM4控制M3的變頻運行，Y5接KM5控制M3的工頻運行。X0接起動按鈕，X1接停止按鈕，X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口，X4接 M1的熱繼電器，X5接 M2的熱繼電器，X6接M3的熱繼電器。為了防止出現(xiàn)某臺電動機既接工頻電又接變頻電設(shè)計了電氣互鎖。在同時控制M1電動機的兩個接觸器KM1、KM0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。頻率檢測的上/下限信號分別通過OL和FU輸出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號[5]。

圖4 變頻器控制電機電路圖Fig.4 Circuit diagram of inverter control motor

圖5 PLC的控制接線圖Fig.5 Control wiring diagram on PLC

4 變頻調(diào)速后的節(jié)能分析

對于水泵類負(fù)載：其電機轉(zhuǎn)速n、流量Q、揚程H及軸功率P的關(guān)系如下：

式中：n1，n2——電機轉(zhuǎn)速；Q1，Q2——流量；H1，H2——揚程；P1，P2——軸功率。即流量、揚程、軸功率正比于轉(zhuǎn)速的一次方、平方、立方。根據(jù)上面的公式分析，如果能根據(jù)負(fù)載情況實時改變電機的轉(zhuǎn)速即可達(dá)到節(jié)能的目的。例如：當(dāng)轉(zhuǎn)速降派到80%時，流量減少到80%，而軸功率卻下降到額定功率的（80%）3=51.2%，即節(jié)電48.8%，從而大大節(jié)約電能。顯然當(dāng)通過降低轉(zhuǎn)速以減少流量來達(dá)到節(jié)流目的時，所消耗的功率將降低很多[6]。

5 結(jié)束語

文中基于變頻控制原理，對中央空調(diào)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)實施改造，克服了原傳統(tǒng)控制方案的不足，使整個中央空調(diào)系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)，改造后的調(diào)速控制電路性能好、調(diào)速范圍大、調(diào)速精度高、運行安全可靠、電動機實現(xiàn)軟啟動、操作簡便、節(jié)能效果明顯，還大大降低對空調(diào)設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊，延長了中央空調(diào)系統(tǒng)的使用壽命，具有良好的經(jīng)濟效益，值得進(jìn)一步的研究和推廣。本文的研究為設(shè)計或使用部門對中央空調(diào)的改造提供借鑒。

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[4]李良仁.變頻調(diào)速技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[5]胡雪梅，任艷艷.中央空調(diào)的變頻控制設(shè)計及節(jié)能分析[J].電機與控制應(yīng)用，2011（7）：44-47.HU Xue-mei，REN Yan-yan.Design&energy saving analysis of frequency conversion control in central air conditioning[J].Electric Machines&Control Application，2011（7）：44-47.

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