中央空调的变频调速设计

    一、中央空调的构成    中央空调的结构如图8.5所示，中央空调系统主要由冷冻主机和冷却水塔、外部热交换系统等部分组成。    1．冷冻主机与冷却水塔    1) 冷冻主机    冷冻主机也叫制冷装置，是中央空调的“制冷源”，通往各个房间的循环水由冷冻主机进行“内部热交换”，降温为“冷冻水”。近年来，冷冻主机也有采用变频调速的，是由生产厂家原配的，不必再改造。
    图8.5    中央空调系统的组成    2)冷却水塔    冷冻主机在制冷过程中必然会释放热量，使机组发热。冷却水塔用于为冷冻主机提供 “冷却水”。冷却水在盘旋流过冷冻主机后，将带走冷冻主机所产生的热量，使冷冻主机  降温。    2．外部热交换系统    外部热交换系统由以下几个系统组成。    1) 冷冻水循环系统    冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。同时，房间内的热量被冷冻水吸收，使冷冻水的温度升高。温度升高了的循环水经冷冻主机后又变成冷冻水，如此循环不已。    从冷冻主机流出（进入房间）的冷冻水管称为“出水”，流经所有的房间后回到冷冻主机的冷冻水管称为“回水”。无疑，回水的温度将高于出水的温度，形成温差。    2) 冷却水循环系统    冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成了冷却水循环系统。冷却主机在进行交换、使水温冷却的同时，释放出大量的热量，该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。冷却泵将升温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水送回到冷却机组。如此不断循环，带走了冷冻主机释放的热量。    流进冷却主机的冷却水简称为“进水”，从冷却主机流回冷却塔的冷却水简称为“回水”。同样，回水的温度将高于进水的温度，形成温差。    3)冷却风机    (1)盘管风机。安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷冻水盘管冷却了的空气吹入房间，加速房间内的热交换。    (2)冷却塔风机。用于降低冷却浴中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。    可以看出，中央空调系统的工作过程是一个不断地进行热交换的能量转换过程。在这里，冷冻水和冷却水循环系统是能量的主要传递者，因此，对冷冻水和冷却水循环系统的控制是中央空调控制系统的重要组成部分。    二、循环水系统的特点    一般来说，水泵属于二次方律负载，工作过程中消耗的功率与转速的二次方成正比。这是因为，水泵的主要用途是供水，对于一般供水系统来说，上述结论无疑是正确的。然而，水泵的用途是多方面的，在某些非供水系统中，上述结论却未必是正确的。    1．循环水的特点    如图8.6所示，在水循环系统中，所用的水是并不消耗的。从水泵流出的水又将流回水泵的进口处，并且回水本身具有一定的动能和势能，将反馈到水泵的进口处。
    图8.6    循环水系统    2．调速特点    在循环水系统中，当通过改变转速来调节流量时，有以下两个特点．。    (1)水在封闭的管路中具有连续性，即使水泵的转速很低，循环水也能在管路中流动。    (2)在水泵转速为“0”的状态下，回水管与出水管中的最高水位永远是相等的。因此，水泵的转速只是改变水的流量，而与扬程无关。所以在循环水系统中，用扬程来描绘水泵的做功情形是不够准确的。    3．压差的概念    循环水系统的工作情形与电路十分相似，水泵的做功情形也可通过水泵出水与回水的压力差PD来描绘，即    PD=P1-P2    (8-7)式中：P1为出水压力；P2为回水压力。    4．功率计算    与电路的工作情形相类似，循环水系统中流量Q的大小与PD成正比，即    (8-8)式中：R为循环水路的管阻。    用水泵做功的功率P可计算如下，即    P= PDQ= Q²R    (8-9)    由于流量和转速成正比，所以在循环水系统里，水泵的功率与转速的二次方成正比，即    (8-10)式中：P1、P2为水泵转速前、后的功率；n1、n2为水泵转速前、后的转速。    可见，在循环水系统中，当通过改变转速来调节流量时，其节能效果与供水系统相比，是略有逊色的。    三、冷却水系统的变频调速    冷却水系统虽然并不如冷冻水系统那样是一个完全的闭合回路，但在计算节能效果方面，与闭合回路是基本一致的。    1．控制的主要依据    1) 基本情况    冷却水的进水温度也就是冷却水塔内水的温度，它取决于环境温度和冷却风机的工作情况；回水温度主要取决于冷冻主机的发热情况，但还与进水温度有关。    2)温度控制    在进行温度控制时，需要注意以下两点。    (1)如果回水温度太高，将影响冷冻主机的冷却效果。为了保护冷冻主机，当回水的温度超过一定值后，整个空调系统必须进行保护性跳闸。一般规定，回水温度不得超过37℃。因此，根据回水温度来决定冷却水的流量是可取的。    (2)即使进水和回水的温度很低，也不允许冷却水断流，所以在实行变频调速时，应预置一个下限工作频率。综合起来便是：当回水温度较低时，冷却泵以下限转速运行；当回水温度升高时，冷却泵的转速也逐渐升高；而当回水温度升高到某一个设定值（如37℃）时，应该采取进一步措施：或增加冷却泵的运行台数，或增加水塔冷却风机的运行台数。    3)温差控制    最能反映冷冻主机的发热情况、体现冷却效果的是回水温度t0与进水温度t1之间的“温差”△t，因为温差的大小反映了冷却水从冷冻主机带走的热量。所以把温差△t作为控制的主要依据，通过变频调速实现恒温差控制是可取的，如图8.7所示，即：温差大，说明主机产生的热量多，应提高冷却泵的转速，加快冷却水的循环；反之，温差小，说明主机产生的热量少，可以适当降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环。实际运行表明，把温差值控制在3～5℃的范围内是比较适宜的，如图8.8所示。
    图8.7    冷却水的温差控制
    图8.8    目标值范围    4)温差与进水温度的综合控制    由于进水温度是随环境温度而改变的，因此，把温差恒定为某值并非上策。因为当采用变频调速系统时，所考虑的不仅仅是冷却效果，还必须考虑节能效果。具体地说，就是：温差值定低了，水泵的平均转速上升，影响节能效果；温差值定高了，在进水温度偏高时，又会影响冷却效果。实践表明，根据进水温度来随时调整温差的大小是可取的。即：进水温度低时，应主要着眼于节能效果，温差的目标值可适当地高一点；而在进水温度高时，则必须保证冷却效果，温差的目标值应低一些。    2．控制方案    根据以上介绍的情况，冷却泵采用变频调速的控制方案可以有许多种。这里介绍的是利用变频器内置的PID调节功能，兼顾节能效果和冷却效果的控制方案如图8.9所示。
    图8.9    控制方案    1) 反馈信号    反馈信号是由温差控制器得到的与温差△t成正比的电流或电压信号。    2) 目标信号    目标信号是一个与进水温度tA有关的，并与目标温差成正比的值，如图8.8所示。其基本思路是：当进水温度高于32℃时，温差的目标值定为3℃；当进水温度低于24℃时，温差的目标值定为5℃，当进水温度在24～32℃之间变化时，温差的目标将按此曲线自动调速。    四、冷冻水系统的变频调速    1．冷冻水系统的变频调速控制的主要依据    在冷冻水系统的变频调速方案中，提出的变频控制依据主要有两个。    1) 压差控制    压差控制是以出水压力和回水压力之间的压差作为控制依据。其基本思路是：最高楼层的冷冻水能够保持足够的压力，如图8.10中的虚线所示。
    图8.10    冷冻水的控制    这种方案存在着以下两个问题。    (1)没有把环境温度变化的因素考虑进去。也就是说，冷冻水所带走的热量与房间温度无关，这明显地不大合理。    (2)根据式(8-9)，由于压差PD不变，循环水消耗功率的计算公式是    P= PDQ= Kp′n     (8-11)式中：Kp为比例常数。    式(8-11)表明，功率P的大小将只与流量Q和转速n的一次方成正比。在平均转速低于额定转速的情况下，其节能效果与供水系统相比将更为逊色。    2) 温度或压差控制    严格地说，冷冻主机的回水温度和出水温度之差表明了冷冻水从房间带走的热量，应该作为控制依据，如图8.10所示。但由于冷冻主机的出水温度一般较为稳定，故实际上只需根据回水温度进行控制就可以了。为了确保最高楼层具有足够的压力，在回水管上接一个压力表，如果回水压力低于规定值，电动机的转速将不再下降。    2．冷冻水系统变频调速的控制方案    综合上述分析，可以改进的控制方案有两种。    (1)压差为主、温度为辅的控制。以压差信号为反馈信号，进行恒压差控制。而压差的目标值可以在一定范围内根据回水温度进行适当调整。当房间温度较低时，使压差的目标值适当下降一些，减小冷冻泵的平均转速，提高节能效果。这样一来，既考虑到了环境温度的因素，又改善了节能效果。    (2)温度（差）为主、压差为辅的控制。以温度（或温差）信号为反馈信号，进行恒温度（差）控制，而目标信号可以根据压差大小作适当调整。当压差偏高时，说明负荷较重，应适当提高目标信号，增加冷冻泵的平均转速，确保最高楼层具有足够的压力。