论变频技术在中央空调系统节能降耗的应用

吴嘉安

（佛山市节能减排服务管理中心有限公司，广东 佛山 528000）

中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，绝大部份中央空调系统满负载下运行的时间最多占总工作时间的5%左右，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常中央空调系统中末端用户能按需求利用冷量以及冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，几乎长期在100%负载下运行，造成了能源的极大浪费，增加经营的成本，也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。

1.中央空调系统的构成及工作原理简单介绍。构成空调系统的主要组件不外乎热交换器与流体机械二种。热交换器是作为高低温二种工作流体能量交换的设备，诸如冷冻水盘管、蒸发器、冷凝器与冷却水塔散热材等；在各循环中的流体机械则是推动工作流体循环的动力源，诸如风机、水泵与制冷剂压缩机等是主要消耗电力的部分。通过流机的一系列工作及将各种装置连接起来的流道（如风管、水管及制冷剂管）完成了能量的传输及转移，从而达到空气调节的目的。典型的中央空调系统是由下列五个循环相扣所形成的：（1）制冷剂循环：液态制冷剂在蒸发器中吸收冷冻水回水的热量之后，汽化成低温低压的气态制冷剂，被压缩机吸入、压缩成高压高温的气态制冷剂后排入冷凝器、在冷凝器中向冷却水放热，冷凝为高压液态制冷剂、经节流阀节流为低压低温的制冷剂、再次进入蒸发器吸热汽化，达到循环制冷的目的。这样，制冷剂在系统中经过蒸发、压缩、冷凝、节流四个基本过程完成一个制冷循环。(2)冷冻水循环：空气中之热负载经过冷却盘管时通过传导及对流等方式传至冷冻水中，使制冷机出来的低温冷冻水温度上升，之后由于冷冻水泵的驱动，升温后的冷冻水经由冷冻水回水管被送回蒸发器中与低温低压制冷剂做热交换 (冷却过程)，变成低温冷冻水后，再回到冷却盘管吸收空气热负载，而完成循环。(3)冷却水循环：制冷剂中之热负载经过冷凝器时以传导及对流等方式传至冷却水中，造成由冷凝器出来的冷却水温度上升。由于冷却水泵的驱动冷却水经由冷却水管被载到冷却水塔中之散热材中与流经散热材之空气做热交换(冷却过程)而降温后，再回到冷凝器吸收制冷剂热负载，而完成循环。(4）室外空气循环：冷却水中之热负载经过散热材时以传导及对流等方式传至经由导风板进入冷却塔之室外空气，造成进入塔内的室外空气温湿度上升。由于冷却风车的驱动，使高温高湿之室外空气被载到冷却水塔以外之空间与周围之室外空气混合，而将热负载排至大气(排热过程)，而完成循环。(5)室内空气循环：空调区中因为人员、设备、外气及太阳等所产生的热负载，以传导、对流、或是辐射等方式传至空气中，使室内空气温湿度上升(亦即增加空调负载)。由于风扇的驱动，室内空气经由风管被载到冷却盘管与冷冻水做热交换(冷却除湿过程)，变成"干"而冷的空气后，再回到空调区间吸收人员、设备、外气及太阳等所产生湿与热，而完成循环。

2.中央空调系统普遍存在的不足。空调系统不是标准化的工业产品，系统的制冷剂循环中压缩机负荷通常可以跟随系统负荷变化而变化，室内空气循环的末端用户通常也配置了温湿度自动控制系统做到按需供给。但通常在冷冻水泵，冷却水泵，冷却塔风机及大型末端空气处理器风机的建造上忽略了可变负荷的配置，造成日后运行过程中能源的浪费。主要存在的不足如下：

2.1 冷却水系统的不足。从设计角度考虑，冷却水泵电机的容量是按照最大换热量（即环境气温最高，且所有场所的空调都全开的情况下），再取一定的安全系数来确定的。而通常情况下，由于季节和昼夜气温的变化以及开机数目的不同，实际换热量远小于设计值，因此，电机容量远大于实际负荷，容易出现了大马拉小车的情况。

2.2 冷冻水系统的不足。冷冻水泵通常也是在额定工况下恒速运行，由于末端负荷因外部环境的变化会出现需求的变化，这时就可能出现冷冻水的流量大，流速也快，当冷冻水流过末端处理设施时，还没有充分的时间将所携冷量全部释放完，就又返回制冷机（空调主机）去了，容易出现大流量，小温差的现象，因此冷冻水泵电机做了很多无用功，这些都是不必要的能耗。

2.3 冷却水塔风机的不足。水塔风扇是平方转矩负载，当季节和昼夜变化时，环境气温降低，通过喷淋的冷却水已能和大气充分地交换热量，风扇转速可以降低，因此，多数风扇电机耗电也存在浪费的现象。

2.4 末端中央空气处理器的不足。末端中央空气处理器（AHU）在大型中央空调里使用比较多，末端中央空气处理系统通常由冷却盘管，送回风机，过滤器，风管，及自控系统等组成，主要耗电的设备是风机，初始设计的时候也是按定负荷运行。随着运行时间的变化，系统风阻会随过滤器阻力的变化而变化。风机的恒速运转也存在较大的能量浪费。

通过对上述四个循环的分析理解，如何将恒负荷运行的冷冻水泵，冷却水泵，冷却水塔风机，及末端设备的循环风机改造成可变负荷运行，跟随制冷主机及末端负荷变化而实行按需供应的运行模式，避免不必要的浪费，将是节能改造的关键。中央空调系统的四个部分都可以实施变频节电改造。但冷冻水和冷却水循环泵改造后节电效果最为理想。

3.节能原理。变频器节能主要表现在水泵、风机的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调节方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。

由流体力学理论可知,水泵流量Q与转速n，扬程H及电机轴功率P的关系如下：

流量与转速成一次方关系：Q1/Q2=n1/n2；

扬程与转速成二次方关系：H1/H2=(n1/n2)2

电机轴功率与转速成三次方关系：P1/P2=(n1/n2)3

对于变频调速来说,转速与电源频率成正比,当电源频率降低,电动机转速也降低,所需功率就随转速的三次方迅速降低，即如果水泵转速下降20%，水泵电机的节能率可达48.8%，所以,当负荷变化时,调节带动水泵、风机的电动机,转速随之变化,可有效降低功耗,节约电能。变频调速控制水量与传统的调节阀门控制水量的节能原理可通过图1进行比较说明。

图1

如图1.曲线所示：A0是一水泵系统本来的特性曲线；A1是通过系统阀门调节使流量减小的系统特性曲线；N1是变频后的水泵特性曲线，NO是水泵标准工况特性曲线；系统本来的特性曲线与水泵标准工况特性曲线交于B0点。当水泵流量需要减小时，用调节系统阀门的方法时(水泵标准工况特性曲线不变)，交与B2点；用水泵变频的方法时 (系统本来的特性曲线不变)，交与Bl点，则Cl、C2、Bl、B2间的面积就是水泵变频所节约的电能。比较采用阀门开度调节和水泵转速控制，显然使用水泵转速控制更为有效合理，具有显着的节能效果。

对于风机来说,其物理特性与水泵相似。同样可以利用变频调速进行节能改造。

4.水泵变频节能改造案例。某90年代初建造的大型电子产品生产企业，中央空调系统配置了5台900冷吨双机头制冷机，一对一分别配置了5台90kW冷冻水循环泵和5台90kW冷却水循环泵，以及5台冷却塔各配2台15KW风机，末端配置了35台套的空气处理(AHU)系统（含自控系统），冷冻水除供给厂房洁净空调外还供给工艺冷却用水。通常夏季最多开三台，冬季有时可以一台机组单机头运行，以满足工艺冷却水要求。调查发现，由于设计余量过大及设备选型不足，造成运行过程中冷冻、冷却水泵均要通过关小水泵出口阀门调节运行电流，以免电机过载，冬天虽然空调不用冷负荷，但由于工艺要用冷却水，也要开启冷冻机组。在冬天及过渡季节，造成冷冻水供回水温差只有2摄氏度，甚至更低，整个系统存在典型的大马拉小车，大流量小温差的状况。

4.1 改造目的和方案。改造的目的利用变频器良好的调速性能消除用阀门调节造成的能源浪费，同时使得中央空调的各个拖动系统，适应于实际的运行工况以及环境情况，自动的调整拖动系统中电机的转速以及运行，实现全自动闭环控制，从而实现流量可控，达到节能降耗的目的。

冷冻水系统改造方案。根据变频器应用于泵和风机的特性，方案分别为每台冷冻水泵配置一台90kW的变频器，及一套压差变送器。变频器的控制方法可采用恒温差控制或恒压差控制。由于该系统水力管网比较大，为了避免因恒温差控制的过渡调节可能造成的水力不平衡现象，该项目采用恒压差控制模式。利用变频器自带的PⅠD控制模块，压差变送的4-20mA电信号输入变频器，以调整变频器的频率输出，从而改变水泵的转速，达到冷冻水输送流量跟随末端需求的变化而变化。这样不仅解决用阀门调节水量而浪费能源，也避免了大马拉小车的现象，缓解了大流量小温差的浪费能源问题。

冷却水系统改造方案。冷却水泵系统变频器与冷冻水泵一样，配置了冷却水进出口温差传感器，测量冷却水的进出水温差，利用变频器自带的PⅠD控制模块，采用恒温差（通常50C）控制控制冷却水泵的流量跟随制冷机负荷的变化，达到节能目的。

冷却塔风机控制方案。可以安装变频器采用冷却水出水温度来控制风机转速，被控量(出水温度)与设定值的差值经过变频器内置的PⅠD控制器后,最终调节冷却塔风机的转速。或采用冷却水出水温度来控制风机运行数量及开停的控制，达到节能目的。

末端中央空气处理装置的控制方案。可以利用送风机的静压控制来实施节能改造，如在空气送风干管设置一个或多个静压传感器，达到风机的闭环控制。

4.2 改造系统结构。本文只对水系统改造作详细解析。保留原水泵的自耦降压起动装置，如节能装置需要检修，可立即切换到原市电方式动作，不影响设备的正常使用。冷冻水泵改造的系统图见图2。冷却水泵改造与冷冻水一样，但将压差传感器改为温差传感器。

图2

4.3 改造效果

实施改造后，水泵调节阀全开，使得中央空调的水循环系统的循环量，跟随着空调主机、外界环境、以及用户的需求量的变化而变化。改变原来单一的工频速度循环为可控的自动调整的循环系统。在满足空调以及用户需求的情况下大幅度的节能降耗，特别是在制冷负荷相对较低的秋冬季节，下表为项目改造前后冷却水及冷冻水系统用电量的变化情况：

从表中看出，实施节能改造后为企业带来了良好的经济效益及社会效益。

5,结束语

1、水泵变频调速控制，采用变流量运行具有很大的节能潜力。对中央空调实行节能改造，既节省了大量的电能，又保护了环境，更为重要的是为企业带来了巨大的经济效益。2、要从系统的角度分析,以不影响空调系统稳定性为目的选择合适的控制模式，如恒温差，恒压差，恒静压，恒温控制等等。在保证使用效果的前提下,达到节能的目的。3、建议积极实施节能改造的同时，相关设计及建造单位将相关节能的理念应用到项目前期的设计及施工中去。

[1]巫莉.PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用[J].电工技术,2010,(12).

[2]陈建东.中央空调系统水泵变频节能技术的应用分析[J]制冷技术,2006,(04).

[3]台湾.《空调系统能源查核与节约能源案例手册》.