摘 要：在我國經(jīng)濟快速發(fā)展的大背景下，能源（水、電、油）的消耗在企業(yè)中所占的比重越來越高，也受到愈來愈大的重視。同時也由于房地產(chǎn)的快速發(fā)展需求，中央空調(diào)的市場需求呈現(xiàn)強勁的增長。在市場容量不斷增大的吸引下，越來越多的廠家加入到商用中央空調(diào)的領(lǐng)域。變頻技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)，對提升中央空調(diào)自動化水平、降低能耗、減少對電網(wǎng)的沖擊、延長機械及管網(wǎng)的使用壽命，都具有重要的意義。 關(guān)鍵詞：中央空調(diào)系統(tǒng) 水泵 風(fēng)機 變頻器 [b]一、概述 [/b] 中央空調(diào)系統(tǒng)在現(xiàn)代企業(yè)及生活環(huán)境改善方面極為普遍，而且某些生活環(huán)境或生產(chǎn)工序中是屬必須的，即所謂人造環(huán)境，不僅是溫度的要求，還有濕度、潔凈度等。至所以要中央空調(diào)系統(tǒng)，目的是提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高人的舒適度，集中供冷供熱效率高，便管理，節(jié)省投資等原因，為此幾乎企業(yè)、高層商廈、商務(wù)大樓、會場、劇場、辦公室、圖書館、賓館、商場、超市、酒店、娛樂場、體育館等中大型建筑上都采用中央空調(diào)的，它是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一，電能的消耗非常之大，是用電大戶，幾乎占了用電量50%以上，日常開支費用很大。 由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負載并增加一定余量設(shè)計，而實際上在一年中，滿負載下運行最多只有十多天，甚至十多個小時，幾乎絕大部分時間負載都在70%以下運行。通常中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機的負荷能隨季節(jié)氣溫變化自動調(diào)節(jié)負載，而與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動調(diào)節(jié)負載，幾乎長期在100%負載下運行，造成了能量的極大浪費，也惡化了中央空調(diào)的運行環(huán)境和運行質(zhì)量。 隨著變頻技術(shù)的日益成熟，利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)水泵的輸出流量；采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能使商場室溫維持在所期望的狀態(tài)，讓人感到舒適滿意，可使整個系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定，更重要的是其節(jié)能效果高達30%以上，能帶來很好的經(jīng)濟效益。 [b]二、中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理 [/b] 中央空調(diào)系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成，如圖一所示： 1、冷凍機組：通往各個房間的循環(huán)水由冷凍機組進行“內(nèi)部熱交換”作用，使冷凍水降溫為5～7 ℃。并通過循環(huán)水系統(tǒng)向各個空調(diào)點提供外部熱交換源。內(nèi)部熱交換產(chǎn)生的熱量，通過冷卻水系統(tǒng)在冷卻塔中向空氣中排放。內(nèi)部熱交換系統(tǒng)是中央空調(diào)的“制冷源”。 2、冷凍水塔：用于為冷凍機組提供“冷卻水”。 3、“外部熱交換”系統(tǒng)：主要由兩個循環(huán)水系統(tǒng)組成： ⑴、冷凍水循環(huán)系統(tǒng) 由冷凍泵及冷凍管道組成。從冷凍機組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在各個房間內(nèi)進行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量，使房間內(nèi)的溫度下降。 ⑵、冷卻水循環(huán)系統(tǒng) 由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍機組進行熱交換，使水溫冷卻的同時，必將釋放大量的熱量，該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升高，冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入水塔，使之在冷卻塔中與大氣進行熱交換，然后再將降了溫的冷卻水，送回到冷凍機組，如此不斷循環(huán)，帶走冷凍機組成釋放的熱量。 4、冷卻風(fēng)機 ⑴、室內(nèi)風(fēng)機：安裝于所有需要降溫的房間內(nèi)，用于將由冷凍水冷卻了的冷空氣吹入房間，加速房間內(nèi)的熱交換； ⑵、冷卻塔風(fēng)機 用于降低冷卻塔中的水溫，加速將“回水”帶回的熱量散發(fā)到大氣中去。 中央空調(diào)系統(tǒng)的四個部分都可以實施節(jié)電改造。但冷凍水機組和冷卻水機組的改造改造后節(jié)電效果最為理想，文章中我們將重點闡述對冷凍機組和冷卻機組的變頻調(diào)速技術(shù)改造。次要說明冷卻風(fēng)機的變頻調(diào)速技術(shù)改造。 三、中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造方案 現(xiàn)將淅江省某電子集團公司辦公樓的中央空調(diào)系統(tǒng)采用變頻節(jié)能改造的具體方案做一介紹。 1．中央空調(diào)原系統(tǒng)簡介： 1.1該集團中央空調(diào)系統(tǒng)改造前的主要設(shè)備和控制方式：450冷噸冷氣主機2臺，型號為特靈二極式離心機，兩臺并聯(lián)運行；冷凍水泵2臺，揚程28米配有功率45KW，冷卻水泵有2臺，揚程35米，配用功率75KW。均采用兩用一備的方式運行。冷卻塔2臺，風(fēng)扇電機功率11KW，并聯(lián)運行。室內(nèi)風(fēng)機4臺，電機功率5.5KW。 1.2原系統(tǒng)的運行及存在問題：該集團是一家合資企業(yè)，為了給員工營造一個良好的工作環(huán)境，辦公樓大部空間采用全封密的，且公司大部分空間自然通風(fēng)效果不好，所以對夏季冷氣質(zhì)量的要求較高。所以除了一些節(jié)假日外，其它時間中央空調(diào)都是全開的。由于中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時必須按天氣最熱、負荷最大時設(shè)計，且留有10%-20%左右的設(shè)計余量。其中冷凍主機可以根據(jù)負載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負載變化作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。這樣，冷凍水、冷卻水系統(tǒng)幾乎長期在大流量、小溫差的狀態(tài)下運行，造成了能量的極大浪費。而且冷凍、冷卻水泵采用的均是Y—△起動方式，電機的起動電流均為其額定電流的3—4倍，在如此大的電流沖擊下，接觸器的使用壽命大大下降；同時，啟動時的機械沖擊和停泵時的水錘現(xiàn)象，容易對機械器件、軸承、閥門和管道等造成破壞，從而增加維修工作量、維修費用、設(shè)備也容易老化。另外由于冷凍泵軸輸送的冷量不能跟隨系統(tǒng)實際負荷的變化，其熱力工況的平衡只能由人工調(diào)整冷凍主機出水溫度，以及大流量小溫差來掩蓋。這樣，不僅浪費能量，也惡化了系統(tǒng)的運行環(huán)境、運行質(zhì)量。特別是在環(huán)境溫度偏低、某些末端設(shè)備溫控稍有失靈或靈敏度不高時，將會導(dǎo)致大面積空調(diào)室溫偏冷，感覺不適，嚴重干擾中央空調(diào)系統(tǒng)的運行質(zhì)量。因為空調(diào)偏冷的問題經(jīng)常接到員工的投訴，處理這些投訴造成不少人力資源的浪費。 根據(jù)實際情況，我們向該集團電氣負責(zé)人提出：利用變頻器、人機界面、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等構(gòu)成的溫差閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)。對冷凍、冷卻水泵進行改造，以節(jié)約電能、穩(wěn)定系統(tǒng)、延長設(shè)備壽命。 2．中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的具體方案 2．1 該中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)具體裝機清單如表二所示： 2．2 變頻節(jié)電原理： 變頻節(jié)能原理： 由流體傳輸設(shè)備（水泵、風(fēng)機）的工作原理可知：水泵、風(fēng)機的流量（風(fēng)量）與其轉(zhuǎn)速成正比；水泵、風(fēng)機的壓力（揚程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，而水泵、風(fēng)機的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風(fēng)機的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）。變頻器節(jié)能的效果是十分顯著的，這種節(jié)能回報是看到見的。特別是調(diào)節(jié)范圍大、啟動電流大的系統(tǒng)及設(shè)備，通過（圖三）可以直觀的看出在流量變化時只要對轉(zhuǎn)速（頻率）稍作改變就會使水泵軸功率有更大程度上的改變，就因此特點使得變頻調(diào)速裝置成為一種趨勢，而且不斷深入并應(yīng)用于各行各業(yè)的調(diào)速領(lǐng)域。 根據(jù)上述原理可知：改變水泵、風(fēng)機的轉(zhuǎn)速就可改變水泵、風(fēng)機的輸出功率。 圖中陰影部分為同一臺水泵的工頻運行狀態(tài)與變頻運行狀態(tài)在隨著流量變化所耗功率差。 2．3 系統(tǒng)電路設(shè)計和控制方式 根據(jù)中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻水系統(tǒng)的一般裝機，建議在冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)各裝兩套傳動之星SD-YP系列一體化變頻調(diào)速控制柜，其中冷卻變頻調(diào)速控制柜供兩臺冷卻水泵切換（循環(huán)）使用，冷凍變頻調(diào)速控制柜供兩臺冷凍水泵切換（循環(huán)）使用。變頻節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)是在保留原工頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝改裝的，變頻節(jié)能系統(tǒng)的聯(lián)動控制功能與原工頻系統(tǒng)的聯(lián)動控制功能相同，變頻節(jié)能系統(tǒng)與原工頻系統(tǒng)之間設(shè)置了聯(lián)鎖保護，以確保系統(tǒng)工作安全。利用變頻器、人機界面、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，為了達到節(jié)能目的提供了可靠的技術(shù)條件。如圖四所示： 1．系統(tǒng)主電路的控制設(shè)計 根據(jù)具體情況，同時考慮到成本控制，原有的電器設(shè)備盡可能的利用。冷凍水泵及冷卻水泵均采用一用一備的方式運行，因備用泵轉(zhuǎn)換時間與空調(diào)主機轉(zhuǎn)換時間一致，均為一個月轉(zhuǎn)換一次，切換頻率不高，決定將冷凍水泵和冷卻水泵電機的主備切換控制利用原有電器設(shè)備，通過接觸器、啟停按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)進行電氣和機械互鎖。確保每臺水泵只能由一臺變頻器拖動，避免兩臺變頻器同時拖動同一臺水泵造成交流短路事故；并且每臺變頻器任何時間只能拖動一臺水泵，以免一臺變頻器同時拖動兩臺水泵而過載。 2．系統(tǒng)功能控制方式 上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要通過人機界面完成對工藝參數(shù)的檢測、各機組的協(xié)調(diào)控制以及數(shù)據(jù)的處理、分析等任務(wù)，下位機PLC主要完成數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場設(shè)備的控制及連鎖等功能。具體工作流程： 開機：開啟冷水及冷卻水泵，由PLC控制冷水及冷卻水泵的啟停，由冷水及冷卻水泵的接觸器向制冷機發(fā)出聯(lián)鎖信號，開啟制冷機，由變頻器、溫度傳感器、溫度模塊組成的溫差閉環(huán)控制電路對水泵進行調(diào)速以控制工作流量，同時PLC控制冷卻塔根據(jù)溫度傳感器信號自動選擇開啟臺數(shù)。當過濾網(wǎng)前后壓差超出設(shè)定值時，PLC發(fā)出過濾堵塞報警信號。送風(fēng)機轉(zhuǎn)速的快慢是由回風(fēng)溫度與系統(tǒng)設(shè)定值相比較后，用PID方式控制變頻器，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)回風(fēng)溫度的目的。停機：關(guān)閉制冷機，冷水及冷卻水泵以及冷卻塔延時十五分鐘后自動關(guān)閉。 保護：由壓力傳感器控制冷水及冷卻水的缺水保護，壓力偏低時自動開啟補水泵補水。 2．4 系統(tǒng)節(jié)能改造原理 下圖為系統(tǒng)變頻節(jié)能改造流程圖圖五： 1、對冷凍泵進行變頻改造控制原理說明如下：PLC控制器通過溫度模塊及溫度傳感器將冷凍機的回水溫度和出水溫度讀入控制器內(nèi)存，并計算出溫差值；然后根據(jù)冷凍機的回水與出水的溫差值來控制變頻器的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)出水的流量，控制熱交換的速度；溫差大，說明室內(nèi)溫度高系統(tǒng)負荷大，應(yīng)提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)速度和流量，加快熱交換的速度；反之溫差小，則說明室內(nèi)溫度低，系統(tǒng)負荷小，可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度和流量，減緩熱交換的速度以節(jié)約電能； 2、對冷卻泵進行變頻改造由于冷凍機組運行時，其冷凝器的熱交換量是由冷卻水帶到冷卻塔散熱降溫，再由冷卻泵送到冷凝器進行不斷循環(huán)的。冷卻水進水出水溫差大，說明冷凍機負荷大，需冷卻水帶走的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，加大冷卻水的循環(huán)量；溫差小，則說明，冷凍機負荷小，需帶走的熱量小，可降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減小冷卻水的循環(huán)量，以節(jié)約電能。 3、冷卻塔風(fēng)機變頻控制 通過檢測冷卻塔水溫度對冷卻塔風(fēng)機進行變頻調(diào)速閉環(huán)控制，使冷卻塔水溫度恒定在設(shè)定溫度，可以有效地節(jié)省風(fēng)機的電能額外損耗，能達到最佳節(jié)電效果。 4、室內(nèi)風(fēng)機組變頻控制 通過檢測冷房溫度對變風(fēng)機組的風(fēng)機進行變頻調(diào)速閉環(huán)控制，實現(xiàn)冷房溫度恒定在設(shè)定溫度。室內(nèi)風(fēng)機組變頻控制后可達到理想的節(jié)電效果，并且空調(diào)效果較佳。 2．5 系統(tǒng)流量、壓力保障 本方案的調(diào)節(jié)方式采用閉環(huán)自動調(diào)節(jié)控制，冷卻水泵系統(tǒng)和冷凍水泵系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式基本相同，用溫度傳感器對冷卻（冷凍）水在主機上的出口水溫進行采樣，轉(zhuǎn)換成電量信號后送至溫控器將該信號與設(shè)定值進行比較運算后輸出一類比信號（一般為4—20MA、0—10V等）給PLC，由PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊進行溫差閉環(huán)控制，手動/自動切換和手動頻率上升、下降由PLC控制，最后把數(shù)據(jù)傳關(guān)到上位機人機界面實行監(jiān)視控制，工程技術(shù)人員也可以通過人機界面設(shè)置調(diào)整參數(shù)。變頻器根據(jù)PLC發(fā)出的類比信號決定其輸出頻率，以達到改變水泵轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)流量的目的。 冷卻（冷凍）水系統(tǒng)的變頻節(jié)能系統(tǒng)在實際使用中要考慮水泵的轉(zhuǎn)速與揚程的平方成正比的關(guān)系，以及水泵的轉(zhuǎn)速與管損平方成正比的關(guān)系；在水泵的揚程隨轉(zhuǎn)速的降低而降低的同時管道損失也在降低，因此，系統(tǒng)對水泵揚程的實際需求一樣要降低；而通過設(shè)定變頻器下限頻率的方法又可保證系統(tǒng)對水泵揚程的最低需求。供水壓力的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)量可以通過PID參數(shù)的調(diào)整。當供水需求量減少時，管道壓力逐漸升高，內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器輸出頻率降低，當變頻器輸出頻率低至0HZ時，而管道在一設(shè)定時間內(nèi)還高于設(shè)定壓力，變頻器切斷當前變頻控制泵，轉(zhuǎn)而控制下一個原工頻控制泵，變頻器在水泵控制轉(zhuǎn)換過程中，逐漸輪換使用水泵，使每個水泵的利用率均等，增加系統(tǒng)、管道壓力的穩(wěn)定性和可靠性。 四、中央空調(diào)系統(tǒng)進行變頻改造的優(yōu)點 變頻節(jié)能改造后除了可以節(jié)省大量的電能外還具有以下優(yōu)點： （1）、電機起動是軟起動，電流從OA到額定電流變化，減小了大電流對電機的沖擊； （2）、電機軟起動轉(zhuǎn)速從0開始緩慢升速，可以有效減少水泵或風(fēng)機的機械磨損； （3）、變頻器是高性能的電力電子設(shè)備，具有較強的電機保護功能，能延長系統(tǒng)的各部件使用壽命； （4）、使室溫維持恒定，讓人感到舒適； （5）、經(jīng)過改造后，可以使系統(tǒng)具有較高的可靠性，減少了環(huán)境噪音，減少了維修維護工作量。 五、傳動之星SD系列一體化變頻器的優(yōu)點 1.采用獨特的空間矢量（SVPWM）調(diào)制方式； 2.操作簡單，具有鍵盤鎖定功能，防止誤操作； 3.內(nèi)置PID功能，可接受多種給定、反遺信號； 4.具有節(jié)電、市電和停止三位鎖定開關(guān)，便于轉(zhuǎn)換及管理； 5.保護功能完善，可遠程控制； 6.超靜音優(yōu)化設(shè)計，降低電機噪聲； 7.安裝比較方便，不用破壞原有的配電設(shè)施及環(huán)境； 8.穩(wěn)定整個系統(tǒng)的正常運行，抗干擾能力強； 9.具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護功能及聲光報警功能。 六、結(jié)束語 在科技日新月異的今天，積極推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，使其轉(zhuǎn)化為社會生產(chǎn)力，是我們工程技術(shù)人員應(yīng)盡的社會責(zé)任。對落后的設(shè)備生產(chǎn)工藝進行技術(shù)革新，不僅可以提高生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。對節(jié)能、環(huán)保等社會效益同樣有著重要的意義。隨著變頻器應(yīng)用普及時代的來臨，我公司已將變頻器的應(yīng)用擴展到傳統(tǒng)中央空調(diào)改造的領(lǐng)域，不僅擴大了變頻器的應(yīng)用市場，而且為中央空調(diào)應(yīng)用也提出了新的課題。預(yù)計在不久的將來，由于變頻調(diào)速技術(shù)的介入，中央空調(diào)系統(tǒng)將真正地進入經(jīng)濟運行時代，希望上述工作對于同仁們在傳統(tǒng)的電氣傳動設(shè)備技術(shù)改造和推進高新技術(shù)產(chǎn)品的普及應(yīng)用工作中能有所啟示和借鑒。