變頻節能技術在中央空調中的應用

摘要 ：本文從能源利用角度分析了中央空調系統的缺點以及冷凍水系統、冷卻水系統能耗大的根本原因，同時闡述了變頻調速技術在中央空調應用中的節能原理及節能措施，最后介紹在PLC控制下變頻調速節能技術在中央空調水系統應用中顯著的效果。

關鍵詞 ：中央空調系統 節能技術 變頻調速技術 PLC控制

引言

隨著我國經濟的持續發展、電力供應日趨緊張。中央空調以電能為動力，為人們提供了舒適的生活和工作環境，高層樓宇的中央空調是用電大戶，幾乎占了建筑物耗電量的60%；對于商場和綜合大樓則高達70%以上，日常開支費用很大。在歐美等一些發達國家中，空調耗電量甚至占了其城市總用電量的30%以上。因此節能已成為各行業的重要議題。隨著空調的應用和普及，中央空調節能已顯得越來越重要[1]。節能已成為中央空調系統設計開發中亟待解決的問題。

1.現有中央空調系統的缺點

中央空調系統是由一連串的流體機械和熱交換器組合而成的。它主要由制冷系統、冷卻水循環系統、冷凍水循環系統、風機盤管系統和冷卻水塔系統五部分組成。

現有中央空調系統的缺點：

（1）空調負荷要求的不均勻性。在中央空調設計時為保證在大氣溫度最高的情況下能滿足使用要求，所以按滿負荷計算并有一定的富裕量，而日常使用時由于氣象條件、人員數量、工作時間、活動內容的變化所需負荷是不斷變化的，往往達不到最大值。冷卻水泵的配置是按夏季的最大流量配置，必然存在大馬拉小車的問題，水泵的流量不能隨制冷主機而調節，必然存在很大的能量浪費。

（2）系統通過節流閥或調節閥來調節流量、壓力，存在較大節流損失和大流量小溫差的現象。不僅浪費大量電能，而且還可能造成空調運行大幅度偏離額定設計的情形，對系統設備帶來不利的影響。

（3）冷凍水循環系統能耗過大根據泵的流量計算公式，冷凍水的流量與冷凍水泵的轉速成正比，當冷凍水泵轉速高時，冷凍水的流量大，流速快。當冷凍水流過風機盤管機組時，還沒來得及將所帶的冷量全部釋放完，就已返回制冷機去了，造成冷凍水泵輸送和空調主機冷卻能量的過度損耗。

2.變頻節能技術的分析

目前，變頻調速技術是逐漸被人們重視并正在制冷空調系統中得到迅速發展和應用的一項節能技術，變頻調速技術可有效改良空調系統的不足，提高系統效率，降低設備能耗。通常，變頻調速技術主要是通過改變電機的轉速來改變設備工作狀態，電動機的轉速n正比于電源的頻值；泵的水流量Q正比于電動機的轉速n的一次方；外界的溫度差△T反比于電動機的轉速n的一次方；泵的轉矩T正比于電動機的轉速n的二次方；電動機的轉軸功率P正比于電動機的轉速n的三次方。水泵電機的容量是按照最大熱交換量的情況設計，一般冷凍水設計溫差為 5℃～7℃，冷卻水設計溫差為 4℃～6℃，在流量穩定情況下，中央空調系統絕大部分時間是在部分負荷下運行的，在全年絕大部分運行時間里一般中央空調水系統的供回水溫差僅為 1℃～3℃，實際熱交換量遠小于設計值。而熱交換量的大小取決于水的流量，水的流量又取決于水泵的轉速。若水泵電機的轉速能根據熱負荷來調整，當熱負荷減小時，電機的轉速也相應地降低，電機的耗電量就會大幅度下降，則電機的功耗將明顯減少，從而達到節電目的。

在中央空調冷卻水系統中，降低冷卻水溫度可以提高制冷系數，降低單位制冷量的能耗。冷卻水溫調控的目的是在滿足負荷的要求下，使冷卻水溫度盡可能低，同時不增加冷卻塔電機的功耗。而冷卻塔所提供的冷卻水除了與冷卻塔性能有關外，還與環境工況、風扇電機及水泵電機的轉速有關。因此，當環境工況有利于降低冷卻水溫度時，可以通過對冷卻塔風扇及水泵電機的轉速控制來達到節能的目的。當冷凍水的流速減慢后，單位時間內在蒸發器中交換的熱量也會減小，為保證出口溫度不變，壓縮機必須卸載。在蒸發器壓力（溫度）確定之后，壓縮機功耗就與冷凝壓力（溫度）的高低成正比，增大冷卻水流量有利于降低壓縮機功耗，但冷卻水泵功耗也會上升，因而應使冷卻水流量控制在總成本最低點上。采用交流變頻調速技術后，由于電機可在很寬的范圍內平滑調速，可將所有節流閥開至最大，使管道暢通，節流損失最小。通過改變電機轉速來改變冷卻水、冷凍水的流速，使其在滿足制冷機正常工作以及達到平衡熱負荷所需冷量的要求下，使冷卻水、冷凍水在冷卻塔及風機盤管中充分釋放與熱負荷大小相當的冷量，提高換熱效果。

在中央空調系統中，冷凍水系統、冷卻水系統和冷卻水塔風機分別采用變頻調速控制都可以取得顯著節能效果。在中央空調系統中，往往有多臺冷凍水泵和冷卻水泵分別構成管路并聯的冷凍水循環系統和冷卻水循環系統。在此類系統中，只需在冷卻水系統和冷凍水系統中分別采用1臺變頻調速器，分別使用1臺PLC控制器和切換控制器對一組冷凍泵電機和冷卻泵電機進行切換控制，使兩個系統均有1臺泵處于可調節狀態，當熱負荷較小時只需1臺電機工作在低于工頻狀態就能滿足要求，根據設計者的意愿，可通過 PLC 控制器和切換控制器使任1臺電機工作在變頻狀態，運行頻率可根據實際負荷的大小由變頻器自行調定。當熱負荷增大，開1臺電機不夠，而開兩臺電機又有余時，通過參數反饋控制給PLC 控制器發出起動另1臺電機的指令，PLC控制器和切換控制器會自動地將原來工作在變頻狀態的電機的頻率從運行頻率提高至工頻50Hz，然后將它從變頻器上切除并直接掛接到工頻電源上，再將第二臺電機連接到變頻器上，使第二臺電機實現平滑軟起動，運行頻率根據實際負荷需要由變頻器調定。當熱負荷進一步增大，上述切換控制過程不斷重復，直至所有電機全部投入。水系統能提供的最大容量是全部電機均工作在工頻滿負荷狀態。利用PLC控制器對變頻器進行切換控制，可取得最佳的節能效果，而且，減少了與傳統控制器相比的大量中間繼電器，提高了系統運行的可靠性，達到最少投資和最大回報的效果。

3.結論

（1）從以上分析可知采用變頻技術的中央空調水系統具有明顯的優勢1）節約能源。采用先進的控制技術、控制參數合理地反映系統負荷情況，使空調系統適應負荷變化，節能率一般在 45% 左右，甚至更高。

（2）水泵具有軟啟動和軟停止功能。切換平滑，沖擊電流小，提高了設備的使用壽命。

（3）較多臺泵并聯運行，可以實現一機多泵控制，減少水泵投入臺數，便于用戶系統擴展；同時可實現對制冷機的自動控制，水泵運行、啟停均由程序控制，便于管理。

（4）變頻系統一般具備標準接口，可以與上位機連接，便于實現樓宇的集中控制。

（5）可實現快速冷暖，溫度控制精度高，具有較好的舒適感。

參考文獻：

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作者簡介：

王樂，男 1986.3 學士學位 助理工程師 暖通專業.