中央空调的变频控制设计及节能分析*

胡雪梅， 任艳艳

(1.河南工业职业技术学院，河南南阳 473000;2.济源职业技术学院，河南济源 454650)

0 引言

随着人们生活水平的不断提高，在各类建筑物中越来越多地应用到中央空调。中央空调在给人们创造舒适环境的同时，其能耗也不容被忽视。据统计，中央空调系统的耗电一般要占整座建筑电耗的60%～70%以上。高能耗已经成为制约中央空调健康发展的一大瓶颈。根据国家倡导创建低碳社会的要求，节约用电是节能的一个重要环节，因此，如何有效地降低空调的运行费用成为目前迫切需要解决的问题。从目前国内外中央空调运行技术来看，较为有效的节能措施就是采用变频调速技术［1］。

1 中央空调系统的组成

如图1所示，中央空调系统主要由主机制冷系统、冷冻水循环系统、冷却水循环系统等组成。

主机制冷系统是中央空调系统的心脏——“致冷源”，由冷冻主机、压缩机、蒸发器和冷凝器组成。在蒸发器里，制冷剂和冷冻水发生热量交换，将冷冻水降温制冷，制冷剂吸收热量后蒸发;在冷凝器里，蒸发后的制冷剂和冷却水发生热量交换，制冷剂释放出热量，被冷却水带走。

冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻主机流出的冷冻水(出水)，由冷冻泵加压送入冷冻水管道，送到各风机风口的冷却盘管中，由盘管风机吹送冷风带走房间内的热量，达到冷却空气的目的。同时，吸收热量后温度升高的冷冻水(回水)，再流回冷冻主机。

冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷却泵将吸收热量后温度升高的冷却水(出水)压入冷却塔中，由冷却塔风机对其进行喷淋冷却，与大气进行热交换，再将降温了的冷却水(回水)送回到冷冻机组的冷凝器中，去吸收制冷剂放出的热量，使冷冻主机降温。回水的温度高于出水的温度，形成了温差［2］。

图1 中央空调系统的组成框图

2 变频调速的节能原理

由于中央空调系统在设计时是按现场最大需求量时设计的，冷冻机组按照最大负荷配置，并且留10%～20%的设计余量，因此在实际使用中，冷冻机组、冷却泵和冷冻泵有超过90% 的时间都工作在非满载状态下，所以节能的潜力较大。

风机、水泵类负载的特性如下:

式中:n1，n2——电机转速;

G1，G2——水流量;

H1，H2——水泵扬程;

P1，P2——水泵轴功率。

即流量与转速成正比，压力正比于水泵扬程，与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。

转速公式:

式中:f——电源频率;

p——极对数;

s——转差率。

即电机转速正比于电源频率。

由式(1)和式(2)可知，调节电机电源的频率即可改变电机转速，进而调节泵的转速、流量和轴功率。由此可见，通过频率改变，使风机、水泵转速下降时消耗的功率也大大下降，达到节能的目的。

3 中央空调变频控制设计

3.1 主机制冷系统变频控制设计

制冷循环系统是中央空调系统的心脏，其能耗达到总能耗的60%以上，因此制冷循环系统的节能是整个系统节能的重要环节。

(1)对压缩机进行变频控制。采用变频控制的压缩机实现了软起动、软制动，大大降低了起动电流，运行噪声减小、温升降低、振动减少，能检测负载轻微的变化，并迅速调整输出。其功耗是以流量降低的三次方比例降低，且运行参数的控制精度更高，让机组始终处于最佳的运行状态，可以实现年均节能30%以上。在低负荷时，节能约可达70%，达到了大幅节能的效果。

(2)同时，压缩机也可采用多机并联制冷方式。即每次开机时，首先投入全部压缩机运行，使冷冻水出口温度降至8℃以下，1～1.5 h后部分关闭压缩机，剩余压缩机变频运行维持制冷量，此时，冷冻水出口温度会在9℃ ～12℃之间波动，但制冷效果依然较好，节能效果非常显著［2-3］。

3.2 水循环系统的变频控制设计

采用变频调速技术改变冷冻水、冷却水循环系统中水泵电机的转速，使输送能耗随流量的增减而增减。

图2所示为冷冻水循环系统的变频控制。在制冷机组冷冻水回水管上装设温度传感器，再与PID调节器、变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差来控制变频器的频率，以控制电机转速。调节冷冻水的出水量，以便让冷冻水在风机组件中有充分的时间释放与热负荷大小相当的冷量，水泵电机的功耗就可大大降低。以制冷模式为例，温差大，表明空调房间内温度高，室内负荷大，应提高冷冻泵的转速，即频率上调;温差小，则表明室内温度低，室内负荷小，可降低冷冻水泵的转速，即频率下调。这样，使冷冻水泵机组的转速随着热负载的变化而变化。当第一台电机已达到额定功率时，如果还达不到要求则可起动第二台电机。变频运行，后面几台的操作也是如此。这样，不断调整控制，可使其达到最佳效果［3-4］。

图2 冷冻水循环系统变频控制简图

冷却水系统变频控制可采用冷冻水循环系统一样的控制方式，即检测冷却水回水温度组成闭环系统进行调节。温差大，说明机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，即频率上调，增大冷却水的循环速度;温差小，说明机组产生的热量小，可降低冷却泵的转速，即频率下调，减缓冷却水的循环速度［5-6］。

3.3 送风系统的变频控制设计

送风系统要考虑系统末端的新风机、回风机、变风量风机、盘管风机等送风设备的运行控制方式。使用变频器，即可有效改变风机的转速。变频风机运行稳定，节电效果明显、控制灵活，可有效避免冷冻水水漫顶棚的麻烦，是实现中央空调风系统节能的根本途径。对于舒适性等要求较高而空间又不是太大的空调区域内，变频风机可以采用恒温PID控制。在大型的空调应用环境中，常根据节假日运行需求，采用多段速变风量控制。该控制方式是在基于对风量需求进行经验估算的基础上进行的程序控制，如用风量明显减少时，可改变吸风机转速，控制风量，减少风机的能耗［7］。

4 变频调速设计实例

采用森兰BTl2S变频器对冷却水循环系统进行变频控制设计［8］，如图3所示。

图3 冷却水循环系统森兰变频控制框图

由一台变频器控制三台冷却泵，实现一拖三(二用一备)控制。运行时，首先由1号泵作为主控泵，进行变频运行，如频率已经升高到上限值，而温差仍偏大时，则将1号泵切换为工频运行，变频器将与2号泵相接，使2号泵处于变频运行状态。当变频器的工作频率已经下降到下限值，而温差仍偏小时，令1号泵停机，2号泵仍处于变频运行的状态。图4所示为两台水泵供水时顺序运行过程。

图4 两台水泵供水时顺序运行过程

工频变频切换控制由可编程逻辑控制器(Programmable Logical Controller，PLC)控制接触器实现。当切换开关切换为“变频”位时，该泵将作为主泵，实现变频运行;若为“工频”位时，该泵可通过起动和停止按钮进行手动控制，使电动机在工频下运行。接触器KM2(KM3)、KM4(KM5)、KM6(KM7)分别控制1号泵、2号泵、3号泵进行工频(变频)运行。KM1用于接通变频器的电源。

在回水管道处，分别安装两个热电阻Rt构成温度传感器，以检测回水温度，由温度传感器转换成与温度大小成正比的电流信号，作为变频器的反馈信号，接至反馈信号输入端IPF。目标信号是根据实际测试而确定的一个温度设定值，可通过操作面板设置。目标信号和反馈信号进行比较后送入变频器内的PID调节器，控制变频器改变输出频率，当冷却水出水温度高于温度上限设定值时，频率直接优先上调至上限频率。当冷却水出水温度低于温度下限设定值时，频率直接优先下调至下限频率。当冷却水出水温度介于温度下限设定值与温度上限设定值时，通过对冷却水出水温度及温度上、下限设定值进行PID计算，从而达到对频率进行无级调速，闭环控制迅速准确。

5 变频调速后的节能分析

经变频调速后，水泵电机转速下降，电机从电网吸收的电能就会大大减少，其减少的功耗为

减少的流量为

式中:n1——改变后的转速;

n0——电机原来的转速;

P0——原电机转速下的电机消耗功率;

Q0——原电机转速下所产生的水泵流量。

由式(1)和式(2)可看出:流量的减少与转速减少的一次方成正比，但功耗的减少却与转速减少的三次方成正比。如:假设原流量为100个单位，耗能也为100个单位，如果转速降低10个单位，由式(4)△Q=Q0［1－(n1/n0)］=100×［1－(90/100)］=10，可得出流量改变了10个单位。但功耗由式(3)△P=P0［1－ (n1/n0)3］=100×［1－(90/100)3］=27.1 可以得出，功率将减少27.1个单位，即比原来减少27.1%。

6 结语

采用变频控制，能有效控制主机及空调系统工作效率，降低空调能耗，达到增收节支、降低运营成本的目的。同时，实现电机软起动和设备软运行，并实现了过压、过流、缺相等多种保护功能，消除了电流、电弧冲击，避免水垂现象，大幅减少了设备损耗，降低了温升及噪声，因此，可大大延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命，从而保护了电网系统，减少了可能发生事故的次数，减少了维修费用。中央空调采用变频调速技术，必然能带来良好的经济效益和社会效益，在实际应用中有着广阔的前景。

［1］刘旭东，叶明哲.变频调速在空调中的应用［J］.中国高新技术企业，2010(18):30-33.

［2］邹玉东.中央空调节能技术研究［J］.工程技术，2009(3):93-94.

［3］潘多.PLC控制中央空调水泵变频调速系统的设计［J］.农业科技与装备，2010(2):37-39.

［4］陈剑萍，王坚敏，钟晓波.变频节能技术在中央空调中的应用［J］.轻工机械，2009(4):101-103.

［5］孙东辉，王宏宇，赵秀芬.变频技术在中央空调冷却水压差控制中的应用［J］.低压电器，2009(6):27-29.

［6］林永进.中央空调水系统中变频控制技术的应用［J］.机电工程，2009(6):108-110.

［7］刘静纨，魏东，刘熙.变风量空调系统温度模糊PID控制［J］.土木建筑与环境工程，2009(8):98-102.

［8］王廷才，胡雪梅.变频器原理及应用［M］.北京:机械工业出版社，2010.