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1、摘要在我國經濟快速發展的大背景下，能源（水、電、油）的消耗在企業中所占的比重越來越高，也受到愈來愈大的重視。同時由于房地產的快速發展需求，中央空調的市場需求呈現強勁的增長趨勢。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的領域。變頻技術應用于中央空調系統，對提升中央空調自動化水平、降低能耗、減少對電網的沖擊、延長機械及管網的使用壽命，都具有重要的意義。 關鍵字中央空調系統；水泵；風機；變頻器 Abstract Keywords 1 概述中央空調系統在現代企業及生活環境改善方面極為普遍，而且是某些生活環境或生產工序中所必須配備的，即所謂人造環境，不僅是溫度的要求，還有濕度、潔凈度2、等。之所以要求配置中央空調系統，目的在于提高產品質量，提高人的舒適度，而且集中供冷供熱效率高，便于管理，節省投資等。為此，幾乎所有企業、高層商廈、商務大樓、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，它是現代大型建筑物不可缺少的配套設施之一，但由于它的電能消耗非常之大，是用電大戶，幾乎占了用電量的50%以上，因此其日常開支費用很大。 中央空調系統都是按最大負載并增加一定余量設計的，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，絕大部分時間負載都在70%以下運行。通常，中央空調系統中冷凍主機的負荷能隨季節氣溫變化自動調節負載，而3、與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動調節負載，幾乎長期在100%負載下運行，造成了能量的極大浪費，也惡化了中央空調的運行環境和運行質量。隨著變頻技術的日益成熟，利用變頻器、PLC、D/A轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等部件的有機結合，可構成溫差閉環自動控制系統，自動調節水泵的輸出流量。采用變頻調速技術不僅能使商場室溫維持在所期望的狀態，讓人感到舒適滿意，使整個系統工作狀態平緩穩定，更重要的是其節能效果高達30%以上，能帶來很好的經濟效益。2 中央空調系統構成及工作原理如圖1所示，中央空調系統主要由以下幾個部分組成。2.1 冷凍機組通往各個房間的循環水經由冷凍機組進行“內部熱交換”作用，使4、冷凍水降溫為57。并通過循環水系統向各個空調點提供外部熱交換源。內部熱交換產生的熱量，通過冷卻水系統在冷卻塔中向空氣中排放。內部熱交換系統是中央空調的“制冷源”。2.2 冷凍水塔用于為冷凍機組提供“冷卻水”。2.3 “外部熱交換”系統此系統由兩個循環水系統組成：1）冷凍水循環系統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，在各個房間內進行熱交換，帶走房間內的熱量，使房間內的溫度下降；2）冷卻水循環系統由冷卻泵、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，促使冷卻水溫度升高，冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入水塔，使5、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，帶走冷凍機組所釋放的熱量。2.4 冷卻風機1）室內風機安裝于所有需要降溫的房間內，用于將由冷凍水冷卻了的冷空氣吹入房間，加速房間內的熱交換。2）冷卻塔風機用于降低冷卻塔中的水溫，加速將“回水”帶回的熱量散發到大氣中去。中央空調系統的四個部分都可以實施節電改造，但冷凍水機組和冷卻水機組改造后的節電效果最為理想。因此我們將重點闡述對冷凍機組和冷卻機組的變頻調速技術改造，次要說明冷卻風機的變頻調速技術改造。3 中央空調系統變頻改造的具體方案現將淅江省嘉興市某集團公司辦公樓的中央空調系統的變頻節能改造方案做一具體介紹。6、3.1 中央空調原系統存在的問題該集團中央空調系統改造前的主要設備和控制方式：1）450 t冷氣主機2臺，型號為特靈二極式離心機，兩臺并聯運行；2）冷凍水泵2臺，揚程28 m，配用功率45 kW；3）冷卻水泵有2臺，揚程35m，配用功率75 kW，冷凍水泵與冷卻水泵均采用一用一備的方式運行；4）冷卻塔2臺，風扇電機11 kW，并聯運行，室內風機4臺，5.5 kW，并聯運行。該集團是一家合資企業，為了給員工營造一個良好的工作環境，辦公樓大部分空間采用全封密的模式，因此公司大部分空間自然通風效果不好，所以對夏季冷氣質量的要求較高。除了一些節假日外，其它時間中央空調都是全開的。由于中央空調系統設計時7、按天氣最熱、負荷最大時設計，且留有10%20%的設計余量。其中冷凍主機可以根據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的調節。這樣，冷凍水、冷卻水系統幾乎長期在大流量、小溫差的狀態下運行，造成了能量的極大浪費。原系統中冷凍、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34 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象，容易對機械部件、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實際負荷的變化，其熱力工況的平衡只能由人工調整冷凍主機出水8、溫度，結果只能是用大流量獲得小溫差。這樣，不僅浪費能量，也惡化了系統的運行環境與運行質量。特別是在環境溫度偏低、某些末端設備溫控稍有失靈或靈敏度不高時，將會導致大面積空調室溫偏冷，感覺不適，嚴重干擾中央空調系統的運行質量。針對上述實際情況，對該集團的中央空調系統實施了利用變頻器、人機界面、PLC、數模轉換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等構成的溫差閉環自動調速系統的方案。主要對冷凍、冷卻水泵進行了變頻調速技術改造，達到節約電能、穩定系統、延長設備壽命，提高環境舒適度的目的。3.2 中央空調系統節能改造的具體方案對該中央空調節能系統進行變頻節能改造的具體裝機清單如表1所列。3.2.1 變頻節電原理由流9、體傳輸設備（水泵、風機）的工作原理可知：水泵、風機的流量（風量）與其轉速成正比；水泵、風機的壓力（揚程）與其轉速的平方成正比；而水泵、風機的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風機的軸功率與其轉速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）。變頻器節能的效果是十分顯著的，這種節能回報是看得見的。特別是調節范圍大、啟動電流大的系統及設備，通過圖2 可以直觀地看出在流量變化時只要對轉速（頻率）稍作改變就會使水泵軸功率有更大程度上的改變，此特點使得使用變頻器進行調速成為一種趨勢，而且不斷深入并應用于各行各業的調速領域。根據上述原理可知：改變水泵、風機的轉速就可改變水泵、風機的輸出功率。圖中陰影部分為10、同一臺水泵的工頻運行狀態與變頻運行狀態在隨著流量變化所消耗的功率差。3.2.2 系統電路設計和控制方式根據中央空調系統冷卻水系統的一般裝機形式，建議在冷卻水系統和冷凍水系統各裝兩套傳動之星SD-YP 系列一體化變頻調速控制柜，其中冷卻變頻調速控制柜供兩臺冷卻水泵切換（循環）使用，冷凍變頻調速控制柜供兩臺冷凍水泵切換（循環）使用。變頻節能調速系統是在保留原工頻系統的基礎上改裝的，變頻節能系統的聯動控制功能與原工頻系統的聯動控制功能相同，變頻節能系統與原工頻系統之間設置了聯鎖保護，以確保系統工作安全。利用變頻器、人機界面、PLC、數模轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結合，構成溫差閉環自動11、控制系統，自動調節水泵的輸出流量，為達到節能的目的提供了可靠的技術條件。如圖3所示，給出了主電路具體的改造方案。3.2.3 系統主電路的控制設計根據具體情況，同時考慮到成本控制，盡可能地利用原有的電器設備。冷凍水泵及冷卻水泵均采用一用一備的運行方式，因備用泵轉換時間與空調主機轉換時間一致，切換頻率不高，所以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備，通過接觸器、啟停按鈕、轉換開關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。3.2.4 系統功能控制方12、式上位機監控系統主要通過人機界面完成對工藝參數的檢測，各機組的協調控制以及數據的處理、分析等任務；下位機PLC主要完成數據采集，現場設備的控制及聯鎖等功能。具體工作過程中，開機時，開啟冷水及冷卻水泵，由PLC控制冷水及冷卻水泵的啟停，由控制冷水及冷卻水泵的接觸器向制冷機發出聯鎖信號，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控制電路對水泵進行調速以控制工作流量，同時PLC控制冷卻塔根據溫度傳感器信號自動選擇開啟臺數；當過濾網前后壓差超出設定值時，PLC發出過濾堵塞報警信號；送風機轉速的快慢是由回風溫度與系統設定值相比較后，用PID方式控制變頻器，從而調節風機的轉速，達到調節回風溫13、度的目的。停機時，關閉制冷機，冷水及冷卻水泵以及冷卻塔延時15 min 后自動關閉。保護時，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。3.3 系統節能改造原理變頻節能系統示意圖如圖4所示。1）對冷凍泵進行變頻改造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存，并計算出溫差值；然后根據冷凍機的回水與出水的溫差值來控制變頻器的轉速，調節出水的流量，控制熱交換的速度。溫差大，說明室內溫度高系統負荷大，應提高冷凍泵的轉速，加快冷凍水的循環速度，加大流量，加快熱交換的速度；反之溫差小，則說明室內溫度低，系統負荷小，可降低冷凍泵的轉速，減緩冷凍水14、的循環速度，減小流量，降低熱交換的速度以節約電能。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，應提高冷卻泵的轉速，加大冷卻水的循環量；溫差小，則說明，冷凍機負荷小，需帶走的熱量小，可降低冷卻泵的轉速，減小冷卻水的循環量，以節約電能。3）冷卻塔風機變頻控制通過檢測冷卻塔水的溫度對冷卻塔風機進行變頻調速閉環控制，使冷卻塔水溫恒定在設定溫度，可以有效地節省風機的電能額外損耗，能達到最佳節電效果。4）室內風機組變頻控制通過檢測冷房溫度對變風機組的風機進行變頻15、調速閉環控制，實現冷房溫度恒定在設定溫度。室內風機組變頻控制后可達到理想的節電效果，并且使空調效果更佳。3.4 系統流量、壓力保障本方案的調節方式采用閉環自動調節控制，冷卻水泵系統和冷凍水泵系統的調節方式基本相同，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，轉換成電量信號后送至溫控器將該信號與設定值進行比較運算后輸出一模擬信號（一般為420 mA、010 V等）給PLC，由PLC、D/A轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊進行溫差閉環控制，手動/自動切換和手動頻率上升、下降由PLC控制，最后把數據傳送到上位機人機界面實行監視控制。變頻器根據PLC 發出的模擬信號決定其輸出頻率，以達到改變16、水泵轉速并調節流量的目的。冷卻（冷凍）水系統的變頻節能系統在實際使用中要考慮水泵的轉速與揚程的平方成正比的關系，以及水泵的轉速與管損平方成正比的關系。在水泵的揚程隨轉速的降低而降低的同時管道損失也在降低，因此，系統對水泵揚程的實際需求一樣要降低；而通過設定變頻器下限頻率的方法又可保證系統對水泵揚程的最低需求。供水壓力的穩定和調節量可以通過PID參數的調整。當供水需求量減少時，管道壓力逐漸升高，內部PID調節器輸出頻率降低，當變頻器輸出頻率低至0 Hz時，而管道在一設定時間內還高于設定壓力，變頻器切斷當前變頻控制泵，轉而控制下一個原工頻控制泵，變頻器在水泵控制轉換過程中，逐漸輪換使用水泵，使每個17、水泵的利用率均等，增加系統、管道壓力的穩定性和可靠性。4 中央空調系統進行變頻改造的優點變頻節能改造后除了可以節省大量的電能外還具有以下優點：1）電機起動是軟起動，電流從0 A到額定電流變化，減小了大電流對電機的沖擊；2）電機軟起動轉速從0 開始緩慢升速，可以有效減少水泵或風機的機械磨損；3）變頻器是高性能的電力電子設備，具有較強的電機保護功能，能延長系統各部件的使用壽命；4）使室溫維持恒定，讓人感到舒適；5）經過改造后，可以使系統具有較高的可靠性，減少了環境噪音，減少了維修維護工作量。5 傳動之星SD-YP系列一體化變頻器的優點1）采用獨特的空間矢量（SVPWM）調制方式；2）操作簡單，具有18、鍵盤鎖定功能，防止誤操作；3）內置PID功能，可接受多種給定、反饋信號；4）具有節電、市電和停止三位鎖定開關，便于轉換及管理；5）保護功能完善，可遠程控制；6）超靜音優化設計，降低電機噪聲；7）安裝比較方便，不用改變原有的配電設施及環境；8）穩定整個系統的正常運行，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。6 結語在科技日新月異的今天，積極推廣變頻調速節能技術的應用，使其轉化為社會生產力，是我們工程技術人員應盡的社會責任。對落后的設備生產工藝進行技術革新，不僅可以提高生產質量、生產效率，創造可觀的經濟效益，對節能、環保等社會效益同樣有著重要的意義。隨著變頻器應用普及時代的來臨，不僅擴大了變頻器的應用市場，而且為中央空調應用也提出了新的課題。預計在不久的將來，由于變頻調速技術的介入，中央空調系統將真正地進入經濟運行時代，希望上述工作對于同仁們在傳統的電氣傳動設備技術改造和推進高新技術產品的普及應用工作中能有所啟示和借鑒。作者簡介： 劉佳暢，男，工程師，主要從事變頻技術與自動化系統技術與應用的開發工作。