中央空調(diào)變頻節(jié)能技術(shù)改造綜述

賈彤宙

（晉煤金石化工投資集團(tuán)有限公司，河北石家莊 050000）

中央空調(diào)變頻節(jié)能技術(shù)改造綜述

賈彤宙

（晉煤金石化工投資集團(tuán)有限公司，河北石家莊 050000）

介紹了中央空調(diào)變頻技術(shù)改造的意義、原理、優(yōu)點(diǎn)及改造注意事項(xiàng)。

中央空調(diào)；變頻技術(shù)；節(jié)能

1 中央空調(diào)變頻節(jié)能改造的意義

中央空調(diào)是現(xiàn)代化大廈、賓館、酒店、商場(chǎng)、車間等場(chǎng)所不可缺少的重要運(yùn)行設(shè)備之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。

中央空調(diào)系統(tǒng)主要由冷凍機(jī)組、冷卻水塔、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)、溫度檢測(cè)、冷凍機(jī)組拖動(dòng)系統(tǒng)、冷凍泵組拖動(dòng)系統(tǒng)、冷卻泵組拖動(dòng)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)（含室內(nèi)風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)）拖動(dòng)系統(tǒng)組成。在設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)方案時(shí)，一般均按現(xiàn)場(chǎng)最大冷量需求（最大工況）來(lái)考慮冷凍機(jī)組的選型，其冷卻泵組、冷凍泵組和風(fēng)機(jī)也是按最大工況來(lái)考慮的，它們的拖動(dòng)系統(tǒng)均不能調(diào)速，為普通電氣控制系統(tǒng)，只要運(yùn)行即工作在額定工況狀態(tài)下，但實(shí)際使用中，許多時(shí)間（如每天早晚和夜間及陰雨天氣等）它們都工作在非滿載狀態(tài)（即大馬拉小車），能源浪費(fèi)較大；而且為達(dá)到恒溫控制而采用閥門、電動(dòng)閥，這不但增大了系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力和節(jié)流損失，還由于對(duì)空調(diào)本身的調(diào)節(jié)是階段性的，減少損失的能力很有限，也使整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)工作在波動(dòng)狀態(tài)，使得中央空調(diào)系統(tǒng)總體效率較低，溫度調(diào)節(jié)精度不高，壽命有所下降，加之由于一些控制上的缺陷，使中央空調(diào)系統(tǒng)在帶來(lái)良好的內(nèi)部環(huán)境的同時(shí)，也帶來(lái)了巨大的能源消耗。

目前，隨著電價(jià)的不斷上漲，中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用急劇上升，致使它在賓館、大廈的整個(gè)營(yíng)運(yùn)成本中所占比例越來(lái)越大，加之各生產(chǎn)、服務(wù)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，多數(shù)企業(yè)利潤(rùn)空間不夠理想，因此電能費(fèi)用的控制顯然已經(jīng)成為經(jīng)營(yíng)管理者所關(guān)注的問(wèn)題。而通過(guò)在電氣控制系統(tǒng)中加裝變頻調(diào)速器，則可一勞永逸地解決好上述問(wèn)題，并可通過(guò)變頻節(jié)能收回改造投資。

2 中央空調(diào)變頻節(jié)能改造原理及方案

2.1 變頻節(jié)能基本原理

由流體力學(xué)可知，P（功率）＝Q（流量）×H（壓力），因流量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，故功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。如果效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速n可成比例的下降，而此時(shí)，軸輸出功率P成立方關(guān)系下降，即電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。

根據(jù)上述原理可知：改變水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)的頻率（轉(zhuǎn)速）就可改變水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)的功率，從而達(dá)到節(jié)能的效果。表1中列出了風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載應(yīng)用變頻器后，在不同轉(zhuǎn)速、流量、軸功率（額定值的相對(duì)百分?jǐn)?shù)）在某頻率值時(shí)的節(jié)能率。

表1 在某頻率值時(shí)的節(jié)能率Tab.1 Energy saving rate at a frequency value

2.2 變頻節(jié)能改造主體方案

4）由于變頻器和PLC本身的功能特點(diǎn)使得設(shè)備具有更完善的保護(hù)功能、程序優(yōu)化控制功能和報(bào)警功能，操作簡(jiǎn)單，安裝使用方便，可實(shí)現(xiàn)由中控室遠(yuǎn)程控制、顯示和操作，現(xiàn)場(chǎng)可以無(wú)人值守，起到減員增效的作用。

一般來(lái)講，對(duì)應(yīng)1臺(tái)制冷機(jī)組的冷凍水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)都由若干臺(tái)水泵組成1組，變頻改造時(shí)如資金充足，對(duì)應(yīng)每臺(tái)泵均采用變頻調(diào)速（備用泵除外）由PLC程序控制，調(diào)整各臺(tái)泵為最佳轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒溫差控制，此方案節(jié)能效果最好。其次可采用單臺(tái)泵變頻，其余工頻運(yùn)行由PLC控制，當(dāng)變頻泵頻率上升至上限值時(shí)（通常小于50Hz，如設(shè)定48Hz），工頻依次啟動(dòng)其他泵，當(dāng)頻率下降至下限值時(shí)（通常不低于25Hz），工頻依次停止其他泵，變頻泵可任意設(shè)定，此方案設(shè)備投資較少，但是節(jié)能效果也比全變頻方案稍差；而風(fēng)機(jī)變頻控制主要是一對(duì)一形式，重點(diǎn)改造大功率空調(diào)風(fēng)機(jī)，小房間空調(diào)風(fēng)機(jī)功率較小，暫不考慮加裝變頻器，節(jié)能效果不明顯，仍保持原有恒溫控制方式，即控制冷凍水流量的方式。而對(duì)于冷卻風(fēng)機(jī)，一般宜采用開環(huán)變頻調(diào)節(jié)，即無(wú)溫度反饋，由中控室在不同情況設(shè)定不同頻率。

1.2.2圖像質(zhì)量評(píng)價(jià) 利用GE AW 4.6工作站處理獲得的數(shù)據(jù)，并完成重建，包括最大密度投影（MIP）、多平面重建（MPR）以及容積再現(xiàn)（VR）等，安排2名經(jīng)驗(yàn)豐富的兒科影像學(xué)醫(yī)師對(duì)其進(jìn)行分別評(píng)估并作出診斷。

3 中央空調(diào)變頻節(jié)能改造的優(yōu)點(diǎn)

1）由于增加了變頻調(diào)速器及自動(dòng)控制系統(tǒng)，使得泵和風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，始終工作在最佳工作狀態(tài)，既滿足空調(diào)正常工作需要，又盡可能保持最低功率，因此提高了工作效率，降低了能耗，節(jié)電明顯，平均在40%左右，最高可達(dá)50%。

面對(duì)種種矛盾，油建二公司領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過(guò)反復(fù)研究討論，制定了一套嚴(yán)密的施工方案：首先，對(duì)施工中存在的困難，成立施工技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)小組，組織力量各個(gè)擊破；工程采用平行流水作業(yè)，即先挖溝，由管線施工隊(duì)沿管溝鋪管、組對(duì)、焊接、自檢，隨后由返修小隊(duì)處理不合格焊口，再進(jìn)行無(wú)損探傷，分段做氣密試驗(yàn)和水壓試驗(yàn)，通球小隊(duì)打壓、通球，最后由防腐隊(duì)進(jìn)行除銹防腐，經(jīng)一萬(wàn)伏電火花檢查，質(zhì)量合格后再下溝、回填；在整個(gè)施工過(guò)程中，要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，保證最終質(zhì)量檢查一次合格。

簡(jiǎn)析：據(jù)奧維云網(wǎng)（AVC）零售監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，線下消毒柜市場(chǎng)監(jiān)測(cè)銷量2.7萬(wàn)臺(tái)，同比下降26.4%，其中立式同比下降24.4%，嵌入式同比下降27.1%，臥式同比下降26.4%。

目前，許多廠家生產(chǎn)的冷凍機(jī)組均已在控制系統(tǒng)中對(duì)制冷機(jī)冷凍水的出水溫度實(shí)現(xiàn)了數(shù)字PID調(diào)節(jié)控制，達(dá)到冷凍水恒溫輸出，因此對(duì)冷凍泵、冷卻泵和風(fēng)機(jī)的變頻節(jié)能改造，主要是通過(guò)對(duì)冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)的進(jìn)水（口）和出水（口）的溫度差檢測(cè)并變送成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)反饋至PLC和變頻器，經(jīng)PID調(diào)節(jié)，輸出相應(yīng)頻率而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。

目前，城鎮(zhèn)區(qū)域綠化率達(dá)到了40.6%。每年還投入上百萬(wàn)元對(duì)農(nóng)田附近荒漠進(jìn)行防沙固沙處理，加大對(duì)沙漠化治理工作力度。團(tuán)場(chǎng)區(qū)域的風(fēng)沙天氣明顯減少，降水量由過(guò)去每年30多毫米增加到現(xiàn)在每年的90多毫米，團(tuán)部城鎮(zhèn)一改往日的臟亂差，團(tuán)場(chǎng)的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了翻天覆地的變化。

3）由于實(shí)現(xiàn)了數(shù)字PID調(diào)節(jié)和PLC程序自動(dòng)化控制，使得溫度調(diào)節(jié)平穩(wěn)，提高了空調(diào)控制精度和質(zhì)量，保證了空調(diào)最佳工作狀態(tài)，從而使人們享受更舒適的工作、生活環(huán)境。

2）由于泵和風(fēng)機(jī)都實(shí)現(xiàn)了平滑軟啟動(dòng)、軟停止，從而大大減少了啟動(dòng)沖擊電流和機(jī)械負(fù)載及管道的沖擊，從而降低了設(shè)備的故障率，減少了噪聲，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

5）由于自動(dòng)化程度的提高，系統(tǒng)可靠性提高了，設(shè)備運(yùn)行工況較好，不易損壞，從而大大降低了維修、保養(yǎng)費(fèi)用，節(jié)省了資金。

4 中央空調(diào)系統(tǒng)改造時(shí)的注意事項(xiàng)

1）由于是變頻節(jié)能技術(shù)改造，所以要保留原空調(diào)系統(tǒng)工頻手動(dòng)電氣控制部分，在設(shè)計(jì)方案中要保證變頻自動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)與工頻手動(dòng)時(shí)一樣滿足制冷機(jī)組啟動(dòng)、停止和工作中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制要求，并且變頻節(jié)能控制柜與原工頻手動(dòng)控制柜之間要設(shè)置硬件（最好軟件也設(shè)置）聯(lián)鎖，手動(dòng)與自動(dòng)能相互切換，以確保整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)工作安全、可靠。

2）冷凍水和冷卻水系統(tǒng)管網(wǎng)在變頻節(jié)能改造中要考慮水泵的轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程和管損同為正比的關(guān)系，在水泵的揚(yáng)程隨轉(zhuǎn)速的降低而降低的同時(shí)，管道損失也在降低；因此，系統(tǒng)對(duì)水泵揚(yáng)程的實(shí)際需求一樣要降低，而通過(guò)設(shè)定變頻器下限頻率即可保證系統(tǒng)對(duì)水泵揚(yáng)程的最低要求，一般設(shè)為30Hz，最低不小于25Hz。

2.2.4 重復(fù)性試驗(yàn) 取同批浸膏粉末1 g，精密稱定，按“2.2.1”項(xiàng)下方法制備供試品溶液，平行試驗(yàn)6份，測(cè)定峰面積，計(jì)算葛根素的含量。結(jié)果葛根素的平均含量為3.81 mg∕g，RSD值為0.40%，表明該方法重復(fù)性良好。

3）由于制冷機(jī)組在正常工作時(shí)要求冷水出口流量必須大于額定流量的50%，故在冷凍水出口管網(wǎng)應(yīng)加裝流量計(jì)或流量開關(guān)，并將采集的信號(hào)傳輸至PLC，以便在程序編制中保證冷凍水循環(huán)泵的總流量不低于冷凍機(jī)組要求的50%額定流量。

4）由于循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)是封閉的，與加壓供水不同，水幾乎不消耗，尤其是冷凍水系統(tǒng)由冷凍泵、各樓層風(fēng)機(jī)盤管及冷凍機(jī)組等構(gòu)成一個(gè)封閉的循環(huán)水管網(wǎng)，水流是連續(xù)的，全揚(yáng)程近似為零。循環(huán)水泵的主要作用是使循環(huán)水按一定流量流動(dòng)，這樣水泵出口與進(jìn)口之間，要有壓差ΔP，它是與流量成正比的，即ΔP＝QR，其中R為水網(wǎng)管阻，而流量是與轉(zhuǎn)速成正比的。而通過(guò)變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓差運(yùn)行時(shí)，ΔP恒定，根據(jù)功率

則有

式中：k為比例常數(shù)，n為轉(zhuǎn)速。這就表明水泵功率P只與流量或轉(zhuǎn)速的一次方成正比，故其節(jié)能效果與供水系統(tǒng)相比減小許多，此外恒壓差控制方式并未將環(huán)境溫度變化的因素考慮進(jìn)去，而房間溫度將隨環(huán)境溫度變化而變化，顯然，該控制方式不太合理。另一種選擇應(yīng)該以冷凍機(jī)的回水與出水溫差作為控制參量，通過(guò)變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒溫差運(yùn)行，當(dāng)溫差大時(shí)，應(yīng)加大冷凍水流量，溫差小應(yīng)減小流量，從而保持房間溫度相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)，由于ΔP不恒定，則有

即

也就是說(shuō)水泵功率P是和轉(zhuǎn)速的平方成正比的，故恒溫差控制方式節(jié)能效果要比恒壓差控制方式好，但仍低于供水系統(tǒng)節(jié)能效果。而最為合理的方式應(yīng)該是將壓差與溫差信號(hào)都采集出來(lái)，送至PLC綜合分析、處理，既保證使用溫度，又滿足工作壓力，從而達(dá)到最佳節(jié)能效果。

而今，且不說(shuō)整合重組的上海印刷集團(tuán)如何打破了當(dāng)時(shí)陷入困境的僵局，也不說(shuō)集團(tuán)為宣傳和推廣綠色印刷做出了多大的貢獻(xiàn)，單說(shuō)集團(tuán)在傳承百年品牌的同時(shí)推動(dòng)了多元化發(fā)展這一舉措，就足以讓業(yè)內(nèi)豎起大拇指。此行所見所感，也讓我們對(duì)上海印刷集團(tuán)如何賦予百年品牌新的內(nèi)涵與生命力，續(xù)寫下一段精彩，充滿了期待。

5）當(dāng)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制時(shí)，由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40%～50%時(shí)，其效率將明顯下降，風(fēng)量和風(fēng)壓較小，失去實(shí)際工作意義，因此，通常不低于50%，一般調(diào)速范圍在70%～100%為宜，此外還應(yīng)避開可能引起機(jī)械諧振的轉(zhuǎn)速范圍。

6）變頻器的輸入電流和輸出電流中，都具有較強(qiáng)的高次諧波成分，它們對(duì)其他控制設(shè)備形成干擾，影響正常工作，因此，其他設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離變頻器的輸入、輸出線，并且避免與它們平行布線，盡可能都使用屏蔽線，特別是模擬量的傳輸。信號(hào)線與電源線必須分開布線，交流、直流線要分開，輸入、輸出線要分開等等，此外，弱電地、強(qiáng)電地、屏蔽地要嚴(yán)格區(qū)分開來(lái)。

5 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，變頻技術(shù)作為高新技術(shù)、節(jié)能技術(shù)，在中國(guó)得到了很大的發(fā)展，并取得了良好的效果，變頻技術(shù)已被越來(lái)越多的用戶所接受。但是，中國(guó)在變頻技術(shù)的應(yīng)用方面，與發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)水平尚有很大差距。目前，中國(guó)在用的交流電動(dòng)機(jī)使用變頻調(diào)速運(yùn)行的僅6%左右，而工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已達(dá)60% ～70%；日本在風(fēng)機(jī)、水泵上變頻調(diào)速的采用率已達(dá)10%，在空調(diào)器變頻調(diào)速方面已達(dá)70%。中國(guó)的能源很緊缺，因此，有必要大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)。通過(guò)變頻技術(shù)來(lái)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、節(jié)約能源、提高產(chǎn)品質(zhì)量，可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；同時(shí)縮小與國(guó)外技術(shù)的差距，提高自主開發(fā)的能力，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)工程的需要。

Energy conservation of central air－conditioning based on converter technique

JIA Tong－zhou
（Jinmei Jinshi Chemical Investment Group Company Limited，Shijiazhuang Hebei 050000，China）

The converter technique is used for energy conservation reformation.The importance，the principle，the advantages and the matters needing attention are introduced.

central air－conditioning；converter technique；energyconservation

TU831

A

1008－1534（2012）03－0182－02

2011－12－31；

2012－03－13

馮 民

賈彤宙（1965－），男，山西潞城人，高級(jí)工程師，主要從事電氣自動(dòng)化方面的研究。