变频器在中央空调系统中的应用

一、引言

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，中央空调系统已广泛应用于宾馆、酒店、写字楼、商场、医院大楼、工业厂房等场合，其系统结构由制冷压缩机组、冷（热）媒循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等组成。 系统设计容量大多是按照建筑物最大制冷、制热负荷或新风交换量需求来选定的，且留有很大的裕量。 在使用过程中无法随着如季节的变化，昼夜的变化，人数的多少进行调整，电机长期在工频全速运行，出现“大马拉小车”的现象。 虽然系统采用了闸阀、档板等节流方式，但能量浪费十分严重，用电量占大厦总用电量的60%以上，其中，水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的40%左右，故有着很大的节能空间。 因此节约低负荷时主压缩机系统和水泵、风机系统的电能消耗，具有极其重要的经济意义。

二、中央空调系统的工作原理及组成结构

中央空调系统由主机、冷冻水循环系统、冷却水循环部分三大部分组成。 其冷却水泵控制原理图如下图所示:

中央空调系统按负载类型可将其分为两大类:

1、恒转矩型负载:如螺杆式或离心式制冷主压缩机系统的压缩机，不仅对轴输出的转矩具有最小值限定的需求，而且其转速与功率的关系也近似表现为线性特征。

2、平方转矩型负载:如冷却循环水系统、冷媒循环水系统（热泵循环水系统）、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的风机、水泵类负载，它们对轴转矩没有严格的需求，其轴功率与转速具有显著的立方关系特征。 不同的负载类型具有不同的转矩、功率关系特性，节能空间各有不同。

（1）制冷压缩机的节能调节原理

以蒸汽压缩式制冷循环为例，中央空调的制冷系统其制冷循环过程如上图所示。 螺杆压缩机的功率调节可以通过变频调节的方式，以降低螺杆的转速来实现。 （为防止排气端向排气孔形成的高压气体倒流现象的发生，如喷油现象，通常将最小排气量限定在10%左右）。 因此，螺杆压缩机的功率输出可以在10%～100%范围里实现无极调节。 有经验数据表明，当螺杆压缩机负荷在50%以上时其功率与负荷成线性正比关系，而低于40%负荷时其实际消耗功率远大于线性理论计算功率，所以采用变频技术时无法全负荷区间内获得理想节能效果，从而使变频控制技术的应用受到困扰。 由上分析可见，就中央空调制冷压缩机而言，压缩机本身业已采用了自动调节方式，故一般不建议对制冷压缩机进行节能改造。

（2）风机水泵节能调节原理

由流体力学理论可知，离心式流体传输设备（如离心式水泵、风机等）的输出流量Q与其转速n成正比； 输出压力P（扬程）与其转速n的平方成正比； 输出功率N与其转速n的三次方成正比，用数学公式可表示为：

Q∝N H∝N2 N∝N3

KW=Q*H∝N3

(Q代表流量，N代表转速，H代表扬程，KW代表轴功率)

例如：将供电频率由50HZ降为45HZ，则P45/P50=（45/50）3= 0.729，即P45=0.729 P50； 将供电频率由50HZ降为40HZ，则P40/P50=（40/50）3= 0.512，即P40=0.512 P50。

由上述原理可知，降低水泵的转速，水泵的输出功率就可以下降更多。 改造前我们需要判断系统是否具有节能潜力。 由于中央空调系统所具有的特殊性，主要从两个方面来考虑：首先是泵本身的额定流量与扬程指标和运行时实际输出表现； 其次是系统对实际供水需求量所要求的温度差，或压力与机组标准指标之间的偏差大小。 以冷冻泵为例，采用实时采集进出水温度数据，通过智能温度控制器控制运算处理，输出4—20mA的模拟信号，决定变频器对泵的调节方向与调节幅度。 为了避免出现“闷泵”或“断流”现象，泵的转速应限定在一定值以上，这个下限转速（最低供给扬程和流量）可以通过变频器的输出下限频率来设定，在保证足够的扬程和流量的前提下（避免中央空调系统低压检测报警动作），建议采用温度控制方式来实现。

三、变频节能系统电路控制改造线路示意图

1．变频器系统接线图

接线示意图

说明：该方案使用富凌DZB300系列通用变频器，“市电”“节电”旁路需要另配电控柜及电气配件。 按实际情况做一用两备或两用一备使用

2．参数设置

F0.01=1 运行指令端子控制

F0.03=5 频率指令PID控制

F0.05=48 运行频率上限

F0.06=15 运行频率下限

F0.10=2 禁止反转运行

F0.19=1 自由停车

F1.20=1 平方转矩V/F曲线

F2.01=1 正转运行

F2.07=0 两线式控制

F2.21=3 故障常开输出

F4.18=0 PID键盘给定

F4.19=50 键盘预置PID给定

F4.20=0 PID模拟通道VI反馈

F4.21=1 PID输出为负特性

F4.22=1 比例增益

F4.23=0.1 积分时间

F4.24=0.00 微分时间

F4.25=0.10 采样周期

F4.26=5.0 PID控制偏差极限

四、实际设备工况

1.冷冻媒水泵系统的闭环控制(检测进、出水温差)

中央空调系统冷冻循环水的标准进出水温度为：12℃/7℃，额定指标冷凝器标准进出水允许温差为5℃。如进出水温差为2℃，因此从温差现象角度上看，冷冻循环水的实际需求量仅为供给量的2℃/5℃=40%，在变频调速情况下，泵的实际转速只要工作在额定转速的40%就可以满足要求，泵的能耗仅约为额定能耗的10%以下，能量的交换不充分原因致使系统的制冷效果变差，因此节能空间非常大。在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率（一般取25HZ），将其设定为下限频率，锁定冷冻水泵的最低工作速度，通过智能温度控制器检测冷冻进出水温度差值，来控制变频器的频率增减控制方式，使冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。

2．制热模式下冷冻水泵系统的闭环控制(检测进出、水温差)

该模式是在中中央空调中热泵运行即制热时（秋、冬季），和冷冻水泵系统的控制方案一样，同上。

3．冷却循环水泵开环控制（检测进出、水温差)

中央空调系统标准冷却循环进出水温度差为：4℃～8℃，冷却塔标准进出水温差为：3℃～5℃，用于采暖的热水进出水温度为：50℃/60℃。 该部分由冷却泵、冷却水塔及冷凝器等组成。 冷冻水循环系统进行室内热交换的同时，并带走室内大量的热能，能量从主机内的冷媒传递给冷凝器，使冷却水温度升高； 冷却泵将升温后的冷却水输送至冷却水塔（出水），使之与大气进行能量交换，使冷却降低温度后再送回主机冷凝器（回水）。 因此，冷却水循环系统同时受室外环境温度及室内热负荷两方面影响，循环水管道单侧的水温不能准确反映该系统的热交换量。 需在冷却管进出出水主管上安装一个温差传感器如图1示，以出水与回水之间的温差作为控制室内温度的依据是合理的节能方式。 在外界环境温度不变的情况下，温差大，说明室内热负荷较大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水循环的速度； 相应的，温差小则减小冷却泵转速,此种方式将比单测回水温度节能空间大5-10%左右。 正是因为压力与流量的过剩作用使水流过速、热交换温差偏小，因此，可以通过降低热泵循环水的总供应流量来实现向标准温差参考值靠近，从而达到节约能量的目的。

因此，在对实际运行工况考察时，不能简单地依据电机运行电流的大小来判断，若只简单地从冷媒循环水系统的电机实际运行电流来看，就会发生没有多少节电空间的错误判断。 所以，应根据实际运行工况点数据做依据：如系统设备容量选型、不同季节、不同时间负荷变化等因素的影响，在实际投入运行的中央空调系统基本上没有与标准指标相一致的情况，大多数系统都存在着温差偏小、扬程过高、流量过大等现象，利用变频调速技术，把系统多余的流量、扬程节省下来，使系统工作在耗能最佳工况下（扬程和流量均无多余的状态下）， 从而达到既满足系统需求又使能耗减至最少。

4．盘管风机系统控制

每个房间1套盘管风机，电机0.40kW 220V，盘管风机最大送风温差为：10℃～15℃，（一般空气进出口温差取8℃）。 盘管风机系统是同时使用水和空气作为室内负荷热量传递介质的系统，但室内大部分主要冷、热负荷是由通过盘管中的冷媒水或热媒水来承担的，风机主要是以满足房间的卫生换气需求，以改善房间舒适度，仅承担一部分制冷或制热负荷。

风机由原来的人工通过三档调速开关启停控制风机，改为变频控制。 在实施变风量改造后，房间的温度在特别是冬季可稳定控制在17℃±1℃，与工频消耗电量相比，其日平均节约电能为80%，相当其额定功率的60%以上。 特别是改造后房间的噪声也明显地得到了改善。

5．冷却塔风机控制

冷却塔风机系统的现状分析（一般每套两台风机），原控制方式采用直接启动方式下的工频全速运行。 两台冷却塔风机均在全速运行，系统缺少有效的冷却效果检测，没有充分利用自然冷却状态下节约电能的机会，导致冷却塔风机处于两种极端状态：要么全速运转，或人工停止，尤其在春、秋、冬季，由于人工操作不能及时响应冷却塔出水温度的变化而启停风机，造成因操作管理上带来能量的极大浪费现象。 在改造时，对每套冷却塔实施以进水温度35℃为风机起始运行点，以30℃为停止运行点，在35℃～30℃温度区间作为风机频率调节依据，实行温度PID变风量调节。 经实际运行测试，在变风量控制方式下的能耗仅为工频启停控制方式的40%左右，况且变风量控制完全规避了人工启停工频运行方式下，因操作无实时性或管理不完善造成的能量浪费。 根据大量典型的中央空调系统节能改造案例统计数据表明，在成功的中央空调系统节能改造实现后，其冷却塔风机系统节能率均在40%以上，某些含有大容量冷却塔蓄水池装置的冷却塔系统则可达到50%以上。

五、变频节能系统特点

1.变频器界面为LED显示，监控参数丰富； 键盘布局简洁、操作方便；

2.温度/温差传感器为数字双屏LED显示，温度参数设定方便，易于监控；

3.变频器有过流、过载、过压、过热等多种电子保护装置，并具有丰富的故障报警输出功能，可有效保护供水系统的正常运作；

4.加装变频器后，电机具有软启动及无极调速功能，可使水泵和电机的机械磨损大为降低，延长管组寿命；

5.该系统实现了对温度的PID闭环调节，室内温度变化平稳，令舒适度大大提高。

六、结束语

目前，中央空调系统节能技术改造工程项目市场分布不仅广泛，而且数量众多，这为进行节能改造市场化应用推广奠定了基础前提。 根据统计显示，已投入运行的中央空调系统中，至少有70%以上未进行过任节能改造，且具有很好的节能空间。 将变频技术应用于中央空调系统，对提升中央空调自动化水平、降低能耗、减少对电网的冲击、延长机械及管网的使用寿命，都具有重要的意义。

审核编辑：汤梓红