變頻控制技術在中央空調水系統中的應用

趙 辛

（遼寧工業大學土木建筑工程學院，遼寧錦州 121001）

變頻控制技術在中央空調水系統中的應用

趙 辛

（遼寧工業大學土木建筑工程學院，遼寧錦州 121001）

隨著人民生活水平的提高，現代建筑中中央空調系統的使用率越來越高。在傳統的中空調水系統中采用定速泵，進入空調主機的循環水為定流量，能耗較大。隨著變頻器技術的發展，變頻控制技術已經廣泛的應用于中央空調水系統中。根據空調水系統工作原理、水泵變頻調速原理及變頻器、變頻調速技術工作原理確定水系統中采用的變頻調速控制方案?？刂品桨阜譃榭照{主機進行優化設計方案和冷凍水泵、冷卻水泵的變頻控制方案。采用變頻泵控制流量可以大大減少能耗。根據不同的設計需要，中央空調水系統中采用的3種變頻泵控制系統，分別是二次泵系統、一次泵變流量系統、變頻泵與工頻泵并聯系統。

變頻控制技術；中央空調；水系統；水泵

0 引 言

隨著國家經濟的快速發展、國民生活質量的提高、空調系統使用的普及、城市建筑能耗呈現快速增長趨勢。現階段，我國建筑使用的中央空調系統普遍存在能耗過高的問題，每年中央空調的耗電量接近400億千瓦時，幾乎占到了所有供電部門總電量的40%左右［1］。因此，中央空調系統的節能意義很大。

1 預備知識

一般中央空調系統是根據冷（熱）滿負荷運行工況進行設計的，但實際上絕大部分時間空調系統是在部分負荷下運行（通常在50%負荷以下的運行時間超過70%）［2］。空調主機有完善的能量調節系統，在非滿負荷工況下運行時，雖然主機的冷量已按實際負荷供給，但傳統水系統中的水泵都是定速的。水泵都在全速運行，水泵的能耗并沒隨之發生相應的變化，從而造成水泵電機能耗的浪費。目前，變頻控制技術正逐漸被人們重視，并在中央空調水系統中得到越來越廣泛的應用。

1.1 中央空調系統的簡介

中央空調系統由空調主機、冷卻塔、冷凍泵、冷卻泵、末端設備及管路系統等組成［3］，如圖1所示。

1.2 變頻技術的概念

變頻器的工作原理就是把工頻電源（50Hz或60Hz）的頻率進行平滑轉換，以實現設備中電機的變速運行，主電路總體通過控制電路進行控制，先通過整流電路將交流電變換成直流電，再通過直流濾波電路保障整流電路輸出為平滑穩定的直流電，最后通過逆變電路將直流電轉化成不同頻率的交流電［4］。

圖1 中央空調系統工作原理

變頻調速技術通過逐漸提升電機的輸入頻率來使電機的工作電流從零逐漸提高到額定工作電流，避免了電機直接啟動對電網的沖擊，減少了設備損耗，在不同工況下通過變頻器對設備進行無級調速減少能源損耗［5］。

2 中央空調水系統變頻控制方案

現階段主流的中央空調系統變頻控制方案分為兩種：1）空調主機內部的節能方法主要是對空調主機進行優化結構設計；2）中央空調水系統的節能方法主要是對冷凍、冷卻水泵采用變頻控制［6］。

空調主機內部節能方式一般是對壓縮機進行變頻控制，實現了高精度控制使主機隨室內負荷的變化而變化始終處于最佳運行狀態?？梢詫崿F年均節能30%以上。在低負荷時，實現節能70%［7］。在采用多機并聯制冷方式在非滿負荷工況下運行時，開機先運行全部壓縮機，當冷凍水出水溫度降至8℃以下后，滿負荷工作1～1.5h再關閉部分壓縮機，剩余壓縮機變頻運行維持制冷量，此時，冷凍水出水溫度會在9～12℃波動，依然能夠滿足制冷需要，節能效果顯著［8－9］。

中央空調水系統應用的變頻調速技術主要是通過根據水泵輸送能耗的變化來改變冷凍（卻）水系統中循環水泵的電機轉速的方法來實現的。常見的變流量控制方式主要有壓差變流量控制、溫差變流量控制［10］。

壓差變流量控制的方法是在供回水干管兩側安裝壓力傳感器采集壓差信號，此信號輸入變頻器與原設定值比較來調控循環泵的轉數和流量，控制供回水干管間壓差的穩定。如圖2所示。

溫差控制法就是根據冷負荷變化通過變頻控制系統來控制水泵的轉速和流量保證空調主機供回水出口溫差恒定。圖3所示為一種在冷凍水回水干管上設置溫度傳感器，PID調節器、變頻器的變頻控制系統，該系統可以保持供回水口的溫差恒定。

圖2 壓差變流量控制流程圖

圖3 溫差變流量控制流程圖

3 水泵變頻調速的原理

傳統中央空調水系統是通過在泵出口處的閥門調節來調整水泵流量。這種方法加大了系統局部阻力，降低了系統效率。根據水泵相似定律，流量Q（m3／h）、揚程H（m）、軸功率P（k W）和轉速n（r／min）的關系如下所示［11］：

因此流量與轉速一次方成正比，泵的揚程與轉速二次方成正比，功耗與轉速三次方成正比。

交流電動機的轉速n與電源頻率f之間的關系為［12］：

式中：M為電機的極對數；S為轉差率。

由式（4）可知，當轉差率變化不大時，只要平滑調節電源頻率，就能平滑調節電機轉速。水泵變頻調速的原理就是根據冷（熱）負荷的變化來調整水泵電源頻率控制水泵的轉速和流量，降低軸功率，達到節能目的。

4 變頻泵技術在中央空調水系統中的應用

研究表明，中央空調系統中水泵能耗占系統總能耗的35%左右，因此水泵的變頻節能控制意義重大［13］。下面簡述幾種變頻泵系統。

4.1 二次泵系統

在多數設計中，空調主機要求定流量，而負荷側為變流量，為了滿足兩側的流量要求一般采用二次泵系統。負荷側變流量循環系統采用變頻泵控制流量，節約了能耗［14］。

4.2 一次泵變流量系統

隨著空調主機技術的發展，在空調主機允許流量變化率大的中央空調水系統中可以使用一次泵變流量系統，該系統采只使用變頻水泵不設定速泵，系統節能效果顯著，但對空調主機的性能要求高［15］。

4.3 變頻泵與工頻泵的并聯系統

很多改造項目采用這種系統時經常會發生大泵流量超出額定流量，小泵流量低于額定流量的現象，結果變頻泵不能正常運行，系統能耗比全用定速泵時還要大，最終變頻泵只能定速使用，沒有達到系統改造的預期效果。

5 結 論

綜上所述，在中央空調水系統的設計中要根據設計條件合理可選用的空調主機和變頻水泵，運用變頻控制方式以達到最佳節能效果。

［1］胡書琴，張九根.變頻節能技術在中央空調水系統中的應用研究［J］.電氣應用，2007，26（9）：128-131.

［2］張濤，張麗，尚希.基于PLC和變頻技術的中央空調控制系統改造設計［J］.電機與控制應用，2012，39（7）：54-57.

［3］陳曉勇.變頻技術在中央空調水循環系統改造中的應用［J］.山西建筑，2008，34（32）：169-170.

［4］陳世民，王偉.變頻技術在中央空調系統控制中的應用［J］.安裝，2007（1）：31-33.

［5］胡書琴.中央空調水系統的調速研究［J］.科技創新導報，2010（32）：2-2.

［6］周洪煜，陳小健，陳孜虎.變水量與變風量的中央空調節能控制策略［J］.控制工程，2011，18（3）：474-478.

［7］胡雪梅，任艷艷.中央空調的變頻控制設計及節能分析［J］.電機與控制應用，2011，38（7）：44-47.

［8］鄒玉東.中央空調節能技術研究［J］.工程技術，2009，10（3）：93-94.

［9］潘多.PLC控制中央空調水泵變頻調速系統的設計［J］.農業科技與裝備，2010，15（2）：37-39.

［10］孫東輝，王宏宇，趙秀芬.變頻技術在中央空調冷卻水壓差控制中的應用［J］.低壓電器，2009，11（6）：27-29.

［11］林永進.中央空調水系統中變頻控制技術的應用［J］.機電工程，2009，26（9）：108-110.

［12］劉濤.中央空調水系統節能措施探討［J］.制冷與空調，2008，22（2）：128-131.

［13］姜莉莉.中央空調水系統控制優化設計［J］.科技資訊，2012，20（15）：6-8.

［14］潘金文，汪瓊珍.變頻控制技術在中央空調水系統中的應用［J］.工程建設與設計，2003，8（1）：23-25.

［15］賈晶，施敏琪.空調冷水系統演變與一次泵變流量系統簡介［J］.制冷空調與電力機械，2007，28（5）：49-52.

Application of frequency control technology in central air conditioning water system

ZH AO Xin

（Department of Civil Engineering ＆Architecture，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001，China）

With the improvement of people's living standards，the use of central air-conditioning system in modern architecture is getting more and more.In fixed speed pump air conditioning water system，circulating water is a constant flow into the air conditioning host.This fixed speed pump has high energy consumption.With the development of inverter technology，frequency control technology has been widely used in central air-conditioning water system.According to working principle of the air conditioning water and variable speed pump and inverter frequency control technology，VVVF control program is used to determine the water system.The control program is divided into planning of air conditioning host to optimize the design of the program and planning of chilled water pumps，and cooling water pump frequency conversion control.The inverter pump control flow can significantly reduce energy consumption.Central air conditioning water system uses three kinds of variable frequency pump control system，according to the different needs of the design details they are secondary pump system，pump variable flow system and frequency conversion pump and general pump parallel system.

frequency control technology；central air conditioning；water system；water pump

TB494

A

10.3969／j.issn.1673-5862.2013.02.029

1673-5862（2013）02-0260-03

2013-03-01。

遼寧省普通高等學校本科重點支持專業建設項目（2D201225）。

趙 辛（1979-），男，遼寧錦州人，遼寧工業大學實驗師。