谈暖通设计中的变频技术

王跃勇 刘虎平*

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

0 引言

随着我国经济发展模式由“粗放型”向“集约型”转变，节能观念开始深入人心。作为能耗大户，暖通空调在民用和工业领域的能耗问题日益凸显[1]。变频作为一种节能技术，在越来越多的暖通空调工程中得到应用。但是，在一些实际工程中，变频器被滥用或应用不当，不仅没有发挥变频技术的作用，反而影响了系统的正常使用，适得其反。如何在保证功能的前提下正确应用变频，减少暖通空调系统的能耗，是当代设计师需要深入研究的问题。

1 变频器的基本原理和作用

变频技术是伴随着三相异步电动机及负载的变速需求产生的，其原理是通过改变供电频率来实现电动机运转速度的调节功能。由电机学公式n=60f(1-s)/p可知，转速n与电源频率f成正比，改变频率即可改变转速。目前，采用变频器作为变频电源调节转速的手段已广泛应用于暖通行业。

在工程中，变频技术主要有三个方面的应用：调速、节能和变频启动。

1.1 变频调速

变频调速是节能的基础，但在很多情况下，工艺工况才是决定应用变频的首要因素。比如放化类实验室和电子厂房，很多工艺设备需要局部排风，在变频技术之前大多采用两种方式：一种是一台工艺设备一台排风机，风机台数众多，占地面积大、初投资高、运行噪声大；另一种是用一台定速风机服务多台工艺排风设备，通过调节阀节流的方式来实现不同工艺设备风量的分配，这种方式的弊端是控制不精确、风量分配不合理、运行能耗高。

在第二种方式的基础上增加变频调速后，调节范围扩大，与现有控制系统相结合，调节平稳，线性度可达0.99，控制精度高；随着系统中工艺设备启停台数的变化，通过对风管中压力的检测自动地调节风机转速，满足风量连续变化的要求，实现风量按需分配。

1.2 节能

暖通空调领域常用到的传输传动装置主要是水泵和风机，其电动机的转速、功率存在以下关系：

N1/N2=(n1/n2)3=(f1/f2)3

(1)

其中，N1，N2均为异步电动机的轴功率，W；n1，n2均为异步电动机的转速，r/min；f1，f2均为电动机的频率。

由式(1)可以看出，频率的变化对电机功率的影响很大，即变频调速有很好的节能潜力。理论上，设备使用变频器后的节能情况见表1。

表1 风机、水泵变频节能一览表

1.3 变频启动

变频启动是变频技术的另一种应用，属于软启动范畴。设备采用变频启动后，启动电流会从0 A平缓上升到额定电流，避免了启动电流过大造成的一系列问题，尤其适用于大功率电机。与直接启动相比，变频启动具有以下优点：1)减少了对电网的冲击，避免了峰谷差值过大的问题；2)减少了线损，提高了电网的有效利用率；3)减少了启动时机械传动部件的磨损，降低了设备的维护、保养和修理费用；4)变频启动的转速远小于额定转速，可有效降低设备启动时的噪声。

2 在暖通工程中的若干应用

2.1 中央空调系统

目前，中央空调系统是根据典型设计日的状态参数来确定机组装机容量和系统设计的，但以全年来说，大部分时间是部分负荷运行(据统计，50%负荷以下运行的时间超过70%[2])，系统能力远大于实际需求。节能的关键就在于如何使系统在全年运行周期内更为经济。变频技术的应用使得中央空调系统能够针对建筑使用情况的变化和全年气候的周期性变化及时做出调整，基本做到“按需分配”。中央空调系统变频控制方案一般有两种：1)冷热源制冷主机变频控制；2)水系统，主要是冷冻(却)水泵变频控制。

制冷机组的装机容量与建筑典型设计日最大冷负荷相匹配。采用压缩机变频控制的方法改变冷水机组的转速，实现主机出水温度随室内负荷的变化而变化(通过检测机组供水温度与设定值比较)，通过高精度控制，使其始终处于最佳运行状态。有研究报告指出，制冷机组采用变频技术后年均节能在30%以上，在低负荷运行时，可实现节能70%[3]。

与制冷机组根据负荷变化变频控制相对应，水系统主要是根据输送能耗的变化来改变冷冻(却)水循环水泵的电机转速来实现的。

2.2 洁净空调系统

在洁净厂房系统中，净化空调系统是耗电大户。相对于普通的中央空调系统，净化空调送风系统的风机功率大，运行时间长，能耗高，应用变频技术存在着很好的节能空间。

一方面，洁净空调系统常年保持连续运行，年耗电量大，而其中大约有30%～70%的时间是值班状态，此时系统的风量只有正常运行的30%～50%。为避免能源浪费，以往的设计是工作时定速运转，值班时关闭系统，上班前提前半小时开启，自净后再生产的方式。这种方式的主要弊端是值班时室内压差、温湿度无法保证，设备外表面易结露，自净过程降低生产效率等后果。采用变频技术后，正常工作状态下高速运行，满足生产工艺要求；值班状态时调至低速运转，仅维持室内一定的压差和温湿度要求，节电的同时还保证了较高的生产效率。

其次，净化空调送风系统中一般会设置初、中、高效三级过滤器，它们是系统主要的阻力部件，并且在运行过程中阻力是不断增加的。一般过滤器的终阻力取初阻力的1.5倍～2倍，对于高效过滤器，高低相差大于200 Pa，占系统总阻力的20%左右。同时，风机设计选型时还要附加10%～15%的余量。以往采用大风压风机、阀门调节的方式存在很大的浪费。采用压力反馈式的变频控制系统后，变频器根据传感器反馈的阻力信号，自动调节风机的转速，高增低降，在维持室内风量基本不变的同时，节约了大量电能，提高了系统的稳定性。此时选用陡降型的风机，更有利于节能。

2.3 节能改造

随着国家节能政策力度的加大，许多高能耗行业开始着手进行节能改造，其中变频技术的应用最为广泛。比如电厂，锅炉用风机是火电厂非常重要的设备，耗电量超过厂区用电的30%，各类水泵等给排水辅机系统的耗电量约占厂区用电的45%，两者是火电厂应用变频技术进行改造的首选和主要对象。以往多采用调节挡板、阀门开度的调节方式控制流量，电机的输出功率不随流量变化而变化，造成大量的能耗损失。近年来，火电厂在节能改造项目中引入变频技术，电机变频启动，流量随需求不同而变频调节，不仅提高了设备的稳定性，而且节能效果显著[4]。

相对于更换动力设备，改造项目采用变频技术具有工程改动量小、施工周期短、对现有生产影响小、投资回收期短等优点，在节能改造工程中应用广泛，并得到业主的认可。

3 设计中应注意的问题

虽然应用变频技术具有很好的节能效果，但是在实际工程中，存在滥用或误用变频器的情况。电机变频时的工作特性决定了变频并非万能。在使用变频器时，应合理分析工况特征，将节能与电机安全使用科学结合起来。

1)设备的扬程或风压与电机转速、频率存在如下关系：

P1/P2=(n1/n2)2=(f1/f2)2

(2)

其中，P1/P2为设备的扬程/风压；其余符号同式(1)。

由式(2)可知，扬程/风压与频率的平方成正比关系。当变频器变频至低频率时，设备的扬程/风压急剧降低，甚至不能满足实际工况的需求。在系统设计和设备运行时，应结合具体工程，分析设备的特性曲线，选择合理的变频区间，避免为追求节能，一味降频。

2)变频器虽然可以实现0 Hz～50 Hz无级变频，但只有在某个区间内使用才节能。当采用了变频技术的设备因工况变化确需降速运转时，应统筹考虑设备台数控制与变频调节两种手段，遵循“台数控制优先”的理念，通过减少运行设备台数的方式控制负荷区间，再在变频节能区间降速调节，最终达到合理、稳定、节能的运行效果。

为实现台数控制和变频调节的灵活应用，在设计阶段应详细分析负荷变化工况，合理选择设备台数。如负荷变化平缓，可配置规格相同的多台机组(尚应考虑具体的工程预算和设备用房面积)，变频调节；若典型工况的负荷变化较大，采用大、小机组搭配的方式则更加合理。

3)变频调节的范围一般不低于额定转速的50%。当风机、泵类等设备低频率工作时，效率显著下降，同时，电机发热量大，故障率高，变频反而不经济。

4)风机、水泵类设备采用变频控制时，尽量选用频率和输出电压的平方成正比的变频器。

5)在节能改造项目中，负荷变化大的电动机加装变频装置后节电效果明显。对于负荷变化较小的工程，节电不显著，且增加了中间损耗，不建议采用。如果系统低负荷运行时间较长，可考虑增设低负荷的设备，根据工况与原有设备交替使用，是一种切实可行的改造方案。

4 结语

目前，在暖通空调系统中应用变频技术已经非常普遍，取得了很好的工程效果。但是，对变频技术也要有清醒的认识，不能迷信。变频并非万能，认为只要安装变频器就能实现节能节电的观念是错误的。任何技术都存在弊端，应辩证地看待。作为暖通设计师，只有将变频技术的基本工作原理和特性搞清楚，才能在实际应用中“扬长避短”，充分发挥变频器的效能。

参考文献:

[1] 张 林.建筑耗能现状及建筑节能对策[J].高等教育研究，2008,25(2):53-55.

[2] 张 涛，张 丽，尚 希.基于PLC和变频技术的中央空调控制系统改造设计[J].电机与控制应用，2012,39(7):14-17.

[3] 胡雪梅，任艳艳．中央空调的变频控制设计及节能分析[J]．电机与控制应用，2011,38(7):34．

[4] 李 明，黄丕维．火电厂泵与风机变频改造技术及应用[J]．华电技术，2008,30(8):63．