变频节能技术在中央空调中的应用

摘要 ：本文从能源利用角度分析了中央空调系统的缺点以及冷冻水系统、冷却水系统能耗大的根本原因，同时阐述了变频调速技术在中央空调应用中的节能原理及节能措施，最后介绍在PLC控制下变频调速节能技术在中央空调水系统应用中显著的效果。

关键词 ：中央空调系统 节能技术 变频调速技术 PLC控制

引言

随着我国经济的持续发展、电力供应日趋紧张。中央空调以电能为动力，为人们提供了舒适的生活和工作环境，高层楼宇的中央空调是用电大户，几乎占了建筑物耗电量的60%；对于商场和综合大楼则高达70%以上，日常开支费用很大。在欧美等一些发达国家中，空调耗电量甚至占了其城市总用电量的30%以上。因此节能已成为各行业的重要议题。随着空调的应用和普及，中央空调节能已显得越来越重要[1]。节能已成为中央空调系统设计开发中亟待解决的问题。

1.现有中央空调系统的缺点

中央空调系统是由一连串的流体机械和热交换器组合而成的。它主要由制冷系统、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和冷却水塔系统五部分组成。

现有中央空调系统的缺点：

（1）空调负荷要求的不均匀性。在中央空调设计时为保证在大气温度最高的情况下能满足使用要求，所以按满负荷计算并有一定的富裕量，而日常使用时由于气象条件、人员数量、工作时间、活动内容的变化所需负荷是不断变化的，往往达不到最大值。冷却水泵的配置是按夏季的最大流量配置，必然存在大马拉小车的问题，水泵的流量不能随制冷主机而调节，必然存在很大的能量浪费。

（2）系统通过节流阀或调节阀来调节流量、压力，存在较大节流损失和大流量小温差的现象。不仅浪费大量电能，而且还可能造成空调运行大幅度偏离额定设计的情形，对系统设备带来不利的影响。

（3）冷冻水循环系统能耗过大根据泵的流量计算公式，冷冻水的流量与冷冻水泵的转速成正比，当冷冻水泵转速高时，冷冻水的流量大，流速快。当冷冻水流过风机盘管机组时，还没来得及将所带的冷量全部释放完，就已返回制冷机去了，造成冷冻水泵输送和空调主机冷却能量的过度损耗。

2.变频节能技术的分析

目前，变频调速技术是逐渐被人们重视并正在制冷空调系统中得到迅速发展和应用的一项节能技术，变频调速技术可有效改良空调系统的不足，提高系统效率，降低设备能耗。通常，变频调速技术主要是通过改变电机的转速来改变设备工作状态，电动机的转速n正比于电源的频值；泵的水流量Q正比于电动机的转速n的一次方；外界的温度差△T反比于电动機的转速n的一次方；泵的转矩T正比于电动机的转速n的二次方；电动机的转轴功率P正比于电动机的转速n的三次方。水泵电机的容量是按照最大热交换量的情况设计，一般冷冻水设计温差为 5℃～7℃，冷却水设计温差为 4℃～6℃，在流量稳定情况下，中央空调系统绝大部分时间是在部分负荷下运行的，在全年绝大部分运行时间里一般中央空调水系统的供回水温差仅为 1℃～3℃，实际热交换量远小于设计值。而热交换量的大小取决于水的流量，水的流量又取决于水泵的转速。若水泵电机的转速能根据热负荷来调整，当热负荷减小时，电机的转速也相应地降低，电机的耗电量就会大幅度下降，则电机的功耗将明显减少，从而达到节电目的。

在中央空调冷却水系统中，降低冷却水温度可以提高制冷系数，降低单位制冷量的能耗。冷却水温调控的目的是在满足负荷的要求下，使冷却水温度尽可能低，同时不增加冷却塔电机的功耗。而冷却塔所提供的冷却水除了与冷却塔性能有关外，还与环境工况、风扇电机及水泵电机的转速有关。因此，当环境工况有利于降低冷却水温度时，可以通过对冷却塔风扇及水泵电机的转速控制来达到节能的目的。当冷冻水的流速减慢后，单位时间内在蒸发器中交换的热量也会减小，为保证出口温度不变，压缩机必须卸载。在蒸发器压力（温度）确定之后，压缩机功耗就与冷凝压力（温度）的高低成正比，增大冷却水流量有利于降低压缩机功耗，但冷却水泵功耗也会上升，因而应使冷却水流量控制在总成本最低点上。采用交流变频调速技术后，由于电机可在很宽的范围内平滑调速，可将所有节流阀开至最大，使管道畅通，节流损失最小。通过改变电机转速来改变冷却水、冷冻水的流速，使其在满足制冷机正常工作以及达到平衡热负荷所需冷量的要求下，使冷却水、冷冻水在冷却塔及风机盘管中充分释放与热负荷大小相当的冷量，提高换热效果。

在中央空调系统中，冷冻水系统、冷却水系统和冷却水塔风机分别采用变频调速控制都可以取得显著节能效果。在中央空调系统中，往往有多台冷冻水泵和冷却水泵分别构成管路并联的冷冻水循环系统和冷却水循环系统。在此类系统中，只需在冷却水系统和冷冻水系统中分别采用1台变频调速器，分别使用1台PLC控制器和切换控制器对一组冷冻泵电机和冷却泵电机进行切换控制，使两个系统均有1台泵处于可调节状态，当热负荷较小时只需1台电机工作在低于工频状态就能满足要求，根据设计者的意愿，可通过 PLC 控制器和切换控制器使任1台电机工作在变频状态，运行频率可根据实际负荷的大小由变频器自行调定。当热负荷增大，开1台电机不够，而开两台电机又有余时，通过参数反馈控制给PLC 控制器发出起动另1台电机的指令，PLC控制器和切换控制器会自动地将原来工作在变频状态的电机的频率从运行频率提高至工频50Hz，然后将它从变频器上切除并直接挂接到工频电源上，再将第二台电机连接到变频器上，使第二台电机实现平滑软起动，运行频率根据实际负荷需要由变频器调定。当热负荷进一步增大，上述切换控制过程不断重复，直至所有电机全部投入。水系统能提供的最大容量是全部电机均工作在工频满负荷状态。利用PLC控制器对变频器进行切换控制，可取得最佳的节能效果，而且，减少了与传统控制器相比的大量中间继电器，提高了系统运行的可靠性，达到最少投资和最大回报的效果。

3.结论

（1）从以上分析可知采用变频技术的中央空调水系统具有明显的优势1）节约能源。采用先进的控制技术、控制参数合理地反映系统负荷情况，使空调系统适应负荷变化，节能率一般在 45% 左右，甚至更高。

（2）水泵具有软启动和软停止功能。切换平滑，冲击电流小，提高了设备的使用寿命。

（3）较多台泵并联运行，可以实现一机多泵控制，减少水泵投入台数，便于用户系统扩展；同时可实现对制冷机的自动控制，水泵运行、启停均由程序控制，便于管理。

（4）变频系统一般具备标准接口，可以与上位机连接，便于实现楼宇的集中控制。

（5）可实现快速冷暖，温度控制精度高，具有较好的舒适感。

参考文献：

[1]廖善传，叶振猷，卢紫珊.空调设备与系统节能控制[M].北京：中国建筑工业出版社， 1982：48

[2]孙一坚，空调水系统变流量节能控制[Jl].暖通空调，2001，31，（6）：6.

[3]刘东等. 变频技术与空调节能.节能技术，2001（6）：25

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[7]李建华等. 变频控制在中央空调系统的节能可行性分析.制冷与空调，2003（1）：45

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[9]黄尚华. 中央空调系统变频节电及余热回收技术.能源工程，2001（1）：25

作者简介：

王乐，男 1986.3 学士学位 助理工程师 暖通专业.