變頻調(diào)速技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

倪宗鉉

【摘要】本文主要論述了在提供方便舒適的生活環(huán)境下，盡量的節(jié)約能源，空調(diào)是現(xiàn)代化樓字中不可缺少的一部分，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人們的生活水平也不斷提高，能耗也非常大，降低能耗就非常的重要。

【關(guān)鍵詞】變頻調(diào)速 技術(shù) 中央空調(diào)

一、變頻調(diào)速技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用的來源、選題的目的和意義

現(xiàn)如今的社會(huì)，講究環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展，如何在給人類提供方便舒適的生活環(huán)境下而盡量的節(jié)約能源成為了社會(huì)的熱點(diǎn)話題，空調(diào)是現(xiàn)代化樓宇中不可缺少的一部分。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，中央空調(diào)的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。但是空調(diào)的能耗非常大，約占整個(gè)建筑總用電量的60%-70%，對空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能研究、節(jié)能改造顯得尤為重要。

空調(diào)系統(tǒng)必須按天氣最熱、負(fù)荷最大時(shí)設(shè)計(jì)，并且留10-20設(shè)計(jì)余量，然而實(shí)際上絕大部分時(shí)間空調(diào)是不會(huì)運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)下，存在較大的富余，所以節(jié)能的潛力就較大。其中，冷凍主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負(fù)載變化做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，存在很大的浪費(fèi)。水泵系統(tǒng)的流量與壓差是靠閥門和旁通調(diào)節(jié)來完成，因此，不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，不僅大量浪費(fèi)電能，而且還造成空調(diào)最末端達(dá)不到合理效果的情況。

而水泵采用的是Y-△起動(dòng)方式，電機(jī)的起動(dòng)電流均為其額定電流的3-4倍，一臺90KW的電動(dòng)機(jī)其起動(dòng)電流將達(dá)到500A，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機(jī)的使用壽命大大下降，同時(shí)，起動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊和停泵時(shí)水垂現(xiàn)象，容易對機(jī)械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞，從而增加維修工作量和費(fèi)用。

為了節(jié)約能源和費(fèi)用，需對水泵系統(tǒng)進(jìn)行改造，經(jīng)市場調(diào)查與了解采用成熟的變頻器來實(shí)現(xiàn)，以便達(dá)到節(jié)能和延長電機(jī)、接觸器及機(jī)械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。這是因?yàn)樽冾l器能根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵負(fù)載變化隨之調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在滿足中央空調(diào)系統(tǒng)正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)能目的。

二、變頻調(diào)速技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用在國內(nèi)外的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

（一）變頻調(diào)速技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用在國內(nèi)外的現(xiàn)狀

空調(diào)在正常運(yùn)行時(shí)，需要根據(jù)室內(nèi)外的工作環(huán)境溫度、使用空調(diào)的空間大小和設(shè)定的溫度、冷卻水溫度的變化量等變量的變化，不斷調(diào)整自身的運(yùn)行狀況，從而實(shí)現(xiàn)既能保證空調(diào)的舒適性又能盡量降低能耗的雙重目標(biāo)。故此，空調(diào)的控制系統(tǒng)對于一個(gè)空調(diào)的性能起了至關(guān)重要的作用。

大部分中央空調(diào)的冷水機(jī)組基本都是由人工設(shè)定的鐘控裝置控制，系統(tǒng)定時(shí)啟動(dòng)和定時(shí)關(guān)閉，每天長時(shí)間全開或者全關(guān)，輪流運(yùn)行，這樣對電網(wǎng)頻繁的沖擊，不僅恒溫效果不佳，讓人感到不舒適，同時(shí)也浪費(fèi)了大量的電能，設(shè)計(jì)人員在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方面研究中，目前往往偏重于設(shè)備的運(yùn)行控制管理辦法，具體的控制方法上，基本采用PID控制，得到了廣泛的應(yīng)用。

（二）變頻調(diào)速技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢

變頻節(jié)能空調(diào)近幾年來成為我國空調(diào)市場上的新寵。擁有變頻調(diào)速系統(tǒng)的空調(diào)能夠通過溫度反饋改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速使制冷量和環(huán)境達(dá)到一個(gè)平衡，具有更節(jié)能、更舒適、更環(huán)保的特點(diǎn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘考s4億多KW，其用電量占當(dāng)年全國發(fā)電量的60%-70%，而風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備裝機(jī)總功率達(dá)1.6億KW，年耗電量3200KW·h，約占當(dāng)年全國電力消耗總量的1/3。而應(yīng)用變頻器節(jié)電率一般在20%-60%，投資回收期1-3年，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。所以大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)不僅是當(dāng)前推進(jìn)企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量重要手段，而且也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長方式轉(zhuǎn)變的必然要求。

三、變頻調(diào)速技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用的主要工作

（一）空調(diào)冷水機(jī)組系統(tǒng)的組成以及工作原理

空調(diào)的冷水機(jī)組主要有兩個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，即冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)。壓縮機(jī)不斷地從蒸發(fā)器中抽取制冷劑氣，低壓制冷劑氣在壓縮機(jī)內(nèi)部被壓縮為高壓氣后進(jìn)入冷凝器中，制冷劑和冷卻水在冷凝器中進(jìn)行熱交換，制冷劑放熱后變?yōu)楦邏阂后w，通過熱力膨脹閥后，液態(tài)制冷劑壓力急劇下降，變?yōu)榈蛪阂簯B(tài)制冷劑后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中，低壓液態(tài)制冷劑通過與冷凍水的熱交換吸收冷凍水的熱量，冷凍水通過盤管吹出冷風(fēng)以達(dá)到降溫的目的，溫度升高了的循環(huán)水回到冷凍主機(jī)又成為了冷凍水，而變?yōu)榈蛪赫魵獾闹评鋭谕ㄟ^回氣管重新吸入壓縮機(jī)，開始新的一輪制冷循環(huán)。而冷卻水在與制冷劑完成熱交換之后，由冷卻水泵加壓，通過冷卻水管道到達(dá)散熱塔與外界進(jìn)行熱交換，降溫后的冷卻水重新流入冷凍主機(jī)開始下一輪的循環(huán)。

（二）水泵的變頻節(jié)能原理

空調(diào)進(jìn)行熱交換的大小由冷凍水的流量控制，通常采用的流量控制方法有閥門控制和調(diào)速控制。閥門控制是通過增加管道的阻抗而達(dá)到控制流量的目的，因而浪費(fèi)了能量。如果采用調(diào)速控制，冷凍水的流量由冷凍泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，電機(jī)的耗電量決定電機(jī)的輸出功率，輸出功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比，而電機(jī)轉(zhuǎn)速與供電頻率成正比，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速稍有下降，即稍微降低供電頻率，輸出功率將大幅下降，若電機(jī)轉(zhuǎn)速能根據(jù)實(shí)際所需的熱交換量來調(diào)整，電機(jī)的功率將大大減少，從而顯著節(jié)約電能。

（三）水泵的變頻節(jié)能改造方案

1.節(jié)能改造方案選擇

冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成了冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。冷凍主機(jī)在進(jìn)行熱交換、使水溫冷卻的同時(shí)，必將釋放大量的熱量，該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進(jìn)行熱交換，然后再將降了溫的冷卻水送回到冷凍機(jī)組。回水的溫度將高于進(jìn)水的溫度，形成溫差，所以對于冷卻泵，通過檢測進(jìn)水和回水的溫變差來實(shí)現(xiàn)恒溫差控制是可行的。溫差大，說明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量大，可以提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水的循環(huán)速度;溫差小，說明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量小，可以降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

從冷凍主機(jī)流出的冷凍水流經(jīng)所有的房間后回到冷凍主機(jī)。回水的溫度將高于出水的溫度，形成溫差。出水管和回水管上裝有檢測溫度的變送器。與PLC和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過冷凍水的溫差來控制泵的轉(zhuǎn)速，回水溫度高，說明房間溫度高，應(yīng)該提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)速度。反之，回水溫度低，說明房間溫度低，可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

2.主電路控制方案

一臺變頻器控制一臺水泵，首先“1號泵”啟動(dòng)，進(jìn)行變頻控制，當(dāng)“1號泵”變頻器的輸出己經(jīng)上升到50HZ，而溫差仍高于設(shè)定值時(shí)，“2號泵”啟動(dòng)并升速，使“1號泵”和“2號泵”同時(shí)進(jìn)行變頻控制。

當(dāng)“1號泵”變頻器的輸出頻率下降到下限頻率30HZ時(shí)，“2號泵”減速并停止運(yùn)行，系統(tǒng)又進(jìn)入到由“1號泵”單獨(dú)進(jìn)行變頻控制。

為了平衡兩臺水泵的工作情況，可進(jìn)行相互切換，使兩臺水泵輪流擔(dān)任主泵。

四、變頻調(diào)速節(jié)能原理

在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)、水泵類機(jī)械的風(fēng)量、流量控制，過去很少有采用轉(zhuǎn)速控制方式的，多是由鼠籠式異步電機(jī)拖動(dòng)，進(jìn)行恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)需要調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量時(shí)，實(shí)際采用的辦法是調(diào)節(jié)擋板或節(jié)流閥，這種控制雖然簡單，但從節(jié)省能源的觀點(diǎn)來看，是很不經(jīng)濟(jì)的。采用變頻器對風(fēng)機(jī)、水泵類機(jī)械進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制來調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量的方法，對節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

五、空調(diào)系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)電效果

采用一臺37kw的水泵及一臺變頻器，經(jīng)測試后，變頻調(diào)速消耗功率為9.42kw（f=28Hz），閥門調(diào)節(jié)控制消耗功率為36.42kw，節(jié)電率為74.1%，年節(jié)電量為21.6萬Kw.h，電價(jià)按0.5元/（kwh）計(jì)，則年節(jié)約資金為10.8萬元;選用價(jià)格為3.85萬元的VFA-050-3型變頻器，則靜態(tài)投資回收期為4.3個(gè)月。

理論和實(shí)踐證明，在空調(diào)系統(tǒng)中采用變頻器具有顯著的節(jié)能效果，在空調(diào)系統(tǒng)中變頻器控制空調(diào)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行節(jié)電率可以達(dá)到39%。變頻器除了可以節(jié)電以外，還有許多優(yōu)點(diǎn)。由于變頻器采用微機(jī)控制，具有16種電壓一頻率特征曲線可供選擇，因而拖動(dòng)各種不同性質(zhì)的負(fù)荷均能進(jìn)入最佳運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)的加速和減速時(shí)間能根據(jù)負(fù)荷的要求來調(diào)整，在啟動(dòng)運(yùn)行過程中做到了軟起動(dòng)，避免了泵的抽空現(xiàn)象。變頻調(diào)速又屬于無級調(diào)速方式，在運(yùn)行穩(wěn)態(tài)過程和運(yùn)行調(diào)節(jié)過程中能起到顯著的節(jié)能效果。此外還可降低起動(dòng)電流，提高功率因數(shù)，對電機(jī)有多種保護(hù)功能。所以變頻調(diào)速技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中必將得到廣泛應(yīng)用

參考文獻(xiàn)：

[1]葉森林.變頻變壓技術(shù)在日本高層建筑動(dòng)力節(jié)電中的應(yīng)用.1989.

[2]廖傳善.空調(diào)設(shè)備與節(jié)能系統(tǒng)控制[M].中國建筑工業(yè)出版社，1994.

[3]吳繼紅.中央空調(diào)工程設(shè)計(jì)與施工[M].高等教育出版社，1997.