中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的變頻控制設(shè)計(jì)及分析

郭彬

摘要：隨著中央空調(diào)的流行和普及，其暴露出的能耗問題日益明顯。傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用負(fù)荷估算法，以中央空調(diào)最大負(fù)荷為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，且其水系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)均采用定流量和定風(fēng)量運(yùn)行方式，致使中央空調(diào)系統(tǒng)電能消耗巨大，建筑運(yùn)行成本高昂。所以，對(duì)空調(diào)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研究顯得尤為必要。本文將闡述中央空調(diào)的節(jié)能原理，從空調(diào)各主要系統(tǒng)入手進(jìn)行變頻設(shè)計(jì)及改造，從而降低中央空調(diào)的能耗，實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約利用。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；變頻控制；節(jié)能技術(shù)

1 引言

1.1研究背景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑物能耗約占能源總消耗的30%，中央空調(diào)的能耗約占建筑物總能耗的70%，而且呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。由此可見，對(duì)中央空調(diào)的能耗系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以減少無效能耗、減少熱量排放，對(duì)于提高能源利用率具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的研究主要集中在冷水機(jī)組和空調(diào)系統(tǒng)拖動(dòng)設(shè)備的節(jié)能控制。冷水機(jī)組是中央空調(diào)系統(tǒng)的主要耗能部分，而且在冷水機(jī)組選型上，冷負(fù)荷往往估算過大。另一方面，大部分時(shí)間水系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)是工作在部分負(fù)荷工況下，采用變流量系統(tǒng)和變風(fēng)量系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)水系統(tǒng)的流量和吹向制冷房間的冷風(fēng)量，跟蹤空調(diào)末端冷負(fù)荷的變化，以達(dá)到節(jié)能的目的。

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)能源部對(duì)商業(yè)建筑能耗進(jìn)行調(diào)查表明，1980—1990年期間約占28%的建筑物擁有變頻控制系統(tǒng)。1990—1992年期間約占58%的建筑物擁有變頻控制系統(tǒng)。由于自控技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)節(jié)能要求的提高，近年來美國(guó)中央空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)得到了很快的發(fā)展及改進(jìn)[3]。

對(duì)于國(guó)內(nèi)中央空調(diào)的發(fā)展過程大致分為三代。由第二代開始，控制軟件處理已經(jīng)成為了節(jié)能系統(tǒng)的核心技術(shù)。而第三代技術(shù)，基于第二代的節(jié)能控制系統(tǒng)，采用整體優(yōu)化的思想，對(duì)中央空調(diào)整體進(jìn)行改造，其中包括空調(diào)主機(jī)制冷劑的替換、風(fēng)機(jī)盤管清潔等，且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，使中央空調(diào)整體達(dá)到25%—50%的節(jié)能效果，是最新興的節(jié)能研究方向之一[4]。

2 中央空調(diào)變頻節(jié)能改造原理及設(shè)計(jì)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），所以功率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。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，可以達(dá)到節(jié)能的效果。

2.2中央空調(diào)控制系統(tǒng)變頻方案

中央空調(diào)系統(tǒng)的變頻調(diào)速控制方案主要有如下幾種：

（1）壓縮機(jī)變頻控制

變頻壓縮機(jī)的原理是通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速而調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的單位時(shí)間內(nèi)的排氣量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)制冷量的目的。在實(shí)際運(yùn)行中，壓縮機(jī)輕載運(yùn)行的時(shí)間占的比例是非常高的，采用變頻調(diào)速可大大提高輕載運(yùn)行時(shí)的工作效率，而且可以方便地進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，保持壓力、流量、溫度等參數(shù)的穩(wěn)定。

（2）水泵變頻控制

對(duì)于中央空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)水系統(tǒng)的具體控制方法分述如下：

①冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的控制

由于冷水的出水溫度是冷凍機(jī)組“冷凍”的結(jié)果，常常是比較穩(wěn)定的?；厮疁囟鹊母叩途涂梢苑从撤块g內(nèi)的溫度：回水溫度高，房間溫度高，則提高冷凍泵的循環(huán)速度，降低溫度。反之亦然。

②冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制

由于冷卻塔的水溫是隨環(huán)境溫度而變化的，其單測(cè)水溫不能準(zhǔn)確地反映冷凍機(jī)組內(nèi)產(chǎn)生熱量的多少。所以，對(duì)于冷卻泵，以進(jìn)水和回水間的溫差作為控制依據(jù)：溫差大，提高冷卻泵轉(zhuǎn)速，增大冷卻水的循環(huán)速度；溫差小，降低冷卻泵轉(zhuǎn)速，減緩冷卻水的循環(huán)速度。

③風(fēng)機(jī)變頻控制

中央空調(diào)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)分為室內(nèi)風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)。室內(nèi)風(fēng)機(jī)的作用是加速房間內(nèi)的熱交換。冷卻塔風(fēng)機(jī)的作用是加速將“回水”帶回的熱量散發(fā)到大氣中去。

變頻器給出適當(dāng)?shù)碾妷汉皖l率給冷卻塔電機(jī)，來調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率，這樣形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，維持冷卻水溫度。隨著冷卻水溫度的不同，冷卻塔風(fēng)機(jī)輸出功率也隨之變化，達(dá)到節(jié)能的效果。

3 變頻調(diào)速設(shè)計(jì)實(shí)例

森蘭BTI2S變頻器對(duì)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由一臺(tái)變頻器控制三臺(tái)冷卻泵。運(yùn)行時(shí)，首先由1號(hào)泵作為主控泵，進(jìn)行變頻運(yùn)行，如頻率已經(jīng)升高到上限值且溫差仍偏大時(shí)，則將1號(hào)泵切換為工頻運(yùn)行，變頻器將與2號(hào)泵相接，使2號(hào)泵變頻運(yùn)行。當(dāng)變頻器的工作頻率已經(jīng)下降到下限值且溫差仍偏小時(shí)，1號(hào)泵停機(jī)，2號(hào)泵變頻運(yùn)行[1]。

工頻變頻切換控制由可編程邏輯控制器（PLC）控制接觸器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)切換開關(guān)切換為“變頻”位時(shí)，該泵將作為主泵，實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行； 若為“工頻”位時(shí)，該泵可通過起動(dòng)和停止按鈕進(jìn)行手動(dòng)控制，使電動(dòng)機(jī)在工頻下運(yùn)行。

回水管道處的兩個(gè)熱電阻溫度傳感器檢測(cè)回水溫度，之后將變頻器的反饋信號(hào)輸入IPF。目標(biāo)信號(hào)（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定的溫度值）和反饋信號(hào)進(jìn)行比較后送入變頻器內(nèi)的PID調(diào)節(jié)器，控制變頻器改變輸出頻率，當(dāng)冷卻水出水溫度高于溫度上限設(shè)定值時(shí)，頻率直接優(yōu)先上調(diào)至上限頻率。當(dāng)冷卻水出水溫度低于溫度下限設(shè)定值時(shí)，頻率直接優(yōu)先下調(diào)至下限頻率。當(dāng)冷卻水出水溫度介于兩設(shè)定值之間時(shí)，通過PID模塊計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)頻率的無級(jí)調(diào)速[2]。

4結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)查，現(xiàn)在絕大部分中央空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷在95%以上的運(yùn)行時(shí)間平均只占總工作時(shí)間的5%而負(fù)荷在62%～85%的運(yùn)行時(shí)間占總工作時(shí)間的70%以上，如果對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)中壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵進(jìn)行變頻控制，使空調(diào)系統(tǒng)適應(yīng)負(fù)荷變化，節(jié)能率一般能夠達(dá)到45%左右。另外，變頻控制可使系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速逐漸上升，停機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)速緩慢下降，減小對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，延長(zhǎng)其使用壽命，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]王廷才，胡雪梅.變頻器原理及應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)出版社，2010

[2]胡雪梅，任艷艷.中央空調(diào)變頻節(jié)能分析，變頻與調(diào)速，2011