中央空調節能系統的變頻控制設計及分析

郭彬

摘要：隨著中央空調的流行和普及，其暴露出的能耗問題日益明顯。傳統的中央空調系統設計一般采用負荷估算法，以中央空調最大負荷為設計基準，且其水系統和風機盤管系統均采用定流量和定風量運行方式，致使中央空調系統電能消耗巨大，建筑運行成本高昂。所以，對空調變頻控制系統的設計、研究顯得尤為必要。本文將闡述中央空調的節能原理，從空調各主要系統入手進行變頻設計及改造，從而降低中央空調的能耗，實現能源的節約利用。

關鍵詞：中央空調；變頻控制；節能技術

1 引言

1.1研究背景

據統計，我國建筑物能耗約占能源總消耗的30%，中央空調的能耗約占建筑物總能耗的70%，而且呈逐漸增長的趨勢。由此可見，對中央空調的能耗系統進行控制，可以減少無效能耗、減少熱量排放，對于提高能源利用率具有重要的經濟效益和社會效益。

中央空調系統節能的研究主要集中在冷水機組和空調系統拖動設備的節能控制。冷水機組是中央空調系統的主要耗能部分，而且在冷水機組選型上，冷負荷往往估算過大。另一方面，大部分時間水系統和風機盤管系統是工作在部分負荷工況下，采用變流量系統和變風量系統，動態調節水系統的流量和吹向制冷房間的冷風量，跟蹤空調末端冷負荷的變化，以達到節能的目的。

1.2國內外研究現狀

美國能源部對商業建筑能耗進行調查表明，1980—1990年期間約占28%的建筑物擁有變頻控制系統。1990—1992年期間約占58%的建筑物擁有變頻控制系統。由于自控技術、機械加工技術的發展以及對節能要求的提高，近年來美國中央空調系統自動化技術得到了很快的發展及改進[3]。

對于國內中央空調的發展過程大致分為三代。由第二代開始，控制軟件處理已經成為了節能系統的核心技術。而第三代技術，基于第二代的節能控制系統，采用整體優化的思想，對中央空調整體進行改造，其中包括空調主機制冷劑的替換、風機盤管清潔等，且可以實現遠程控制，使中央空調整體達到25%—50%的節能效果，是最新興的節能研究方向之一[4]。

2 中央空調變頻節能改造原理及設計方案

2.1變頻節能基本原理

由流體力學可知，P（功率）=Q（流量）×H（壓力），所以功率P與轉速n的立方成正比。如果效率一定，當要求調節流量下降時，轉速n可成比例的下降，而此時，軸輸出功率P成立方關系下降。根據上述原理可知：改變水泵、風機、壓縮機的頻率（轉速）就可改變水泵、風機、壓縮機的功率，可以達到節能的效果。

2.2中央空調控制系統變頻方案

中央空調系統的變頻調速控制方案主要有如下幾種：

（1）壓縮機變頻控制

變頻壓縮機的原理是通過調節壓縮機的轉速而調節壓縮機的單位時間內的排氣量，從而達到調節制冷量的目的。在實際運行中，壓縮機輕載運行的時間占的比例是非常高的，采用變頻調速可大大提高輕載運行時的工作效率，而且可以方便地進行連續調節，保持壓力、流量、溫度等參數的穩定。

（2）水泵變頻控制

對于中央空調系統的循環水系統的具體控制方法分述如下：

①冷凍水循環系統的控制

由于冷水的出水溫度是冷凍機組“冷凍”的結果，常常是比較穩定的。回水溫度的高低就可以反映房間內的溫度：回水溫度高，房間溫度高，則提高冷凍泵的循環速度，降低溫度。反之亦然。

②冷卻水循環系統的控制

由于冷卻塔的水溫是隨環境溫度而變化的，其單測水溫不能準確地反映冷凍機組內產生熱量的多少。所以，對于冷卻泵，以進水和回水間的溫差作為控制依據：溫差大，提高冷卻泵轉速，增大冷卻水的循環速度；溫差小，降低冷卻泵轉速，減緩冷卻水的循環速度。

③風機變頻控制

中央空調系統中的風機分為室內風機和冷卻塔風機。室內風機的作用是加速房間內的熱交換。冷卻塔風機的作用是加速將“回水”帶回的熱量散發到大氣中去。

變頻器給出適當的電壓和頻率給冷卻塔電機，來調節冷卻塔風機轉速和輸出功率，這樣形成一個閉環反饋系統，維持冷卻水溫度。隨著冷卻水溫度的不同，冷卻塔風機輸出功率也隨之變化，達到節能的效果。

3 變頻調速設計實例

森蘭BTI2S變頻器對冷卻水循環系統由一臺變頻器控制三臺冷卻泵。運行時，首先由1號泵作為主控泵，進行變頻運行，如頻率已經升高到上限值且溫差仍偏大時，則將1號泵切換為工頻運行，變頻器將與2號泵相接，使2號泵變頻運行。當變頻器的工作頻率已經下降到下限值且溫差仍偏小時，1號泵停機，2號泵變頻運行[1]。

工頻變頻切換控制由可編程邏輯控制器（PLC）控制接觸器實現。當切換開關切換為“變頻”位時，該泵將作為主泵，實現變頻運行； 若為“工頻”位時，該泵可通過起動和停止按鈕進行手動控制，使電動機在工頻下運行。

回水管道處的兩個熱電阻溫度傳感器檢測回水溫度，之后將變頻器的反饋信號輸入IPF。目標信號（根據現場情況設定的溫度值）和反饋信號進行比較后送入變頻器內的PID調節器，控制變頻器改變輸出頻率，當冷卻水出水溫度高于溫度上限設定值時，頻率直接優先上調至上限頻率。當冷卻水出水溫度低于溫度下限設定值時，頻率直接優先下調至下限頻率。當冷卻水出水溫度介于兩設定值之間時，通過PID模塊計算可以實現頻率的無級調速[2]。

4結束語

經過市場調查，現在絕大部分中央空調系統負荷在95%以上的運行時間平均只占總工作時間的5%而負荷在62%～85%的運行時間占總工作時間的70%以上，如果對中央空調系統中壓縮機、風機、水泵進行變頻控制，使空調系統適應負荷變化，節能率一般能夠達到45%左右。另外，變頻控制可使系統起動時轉速逐漸上升，停機時轉速緩慢下降，減小對傳動系統的沖擊，延長其使用壽命，帶來良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]王廷才，胡雪梅.變頻器原理及應用，機械工業出版社，2010

[2]胡雪梅，任艷艷.中央空調變頻節能分析，變頻與調速，2011