暖通空调系统的变频节能原理

    1．节能的必要性

    一般而言，空调节能技术共分3种：一是节能元件与节能技术的应用；二是改善空调设计，优化结构参数；三是运行中的节能控制，即变容量控制技术，特别是变频技术。

    现代大厦都采用集中供冷，而分散的中央空调机组和众多的风机盘管，随时都在调节过程中，冷冻水使用量在不断变化过程中。如果没有自控措施，系统压力会很不稳定，甚至使系统不能正常工作。一般传统做法是在冷冻水的分水缸和集水缸之间加装一套压力旁通控制装置，这样做虽然也能解决压力平衡问题，但很不经济。如果改用变频调速技术来控制冷冻水循环泵的转速（即改变冷冻水流量）来跟踪冷冻水的需求量，便可以取消旁通水量，更好地解决压差平衡，并能大大地节约能源。这种控制方式就是运行中的节能控制。

    中央空调是大厦里的耗电大户，每年的电费中空调耗电占60%左右，因此中央空调的节能改造显得尤为重要。在中央空调系统中，冷冻水泵和冷却水泵的容量是根据建筑物最大设计热负荷选定的，且留有一定的设计余量。在没有使用调速的系统中，水泵一年四季在工频状态下全速运行，只好采用节流或回流的方式来调节流量，产生大量的节流或回流损失，且对水泵电机而言，由于它是在工频下全速运行，因此造成了能量的很大浪费。

    由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留10%～20%设计余量，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，存在较大的富余，所以节能的潜力就较大。其中，冷冻主机可以根据负载变化随时加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节，存在很大的浪费。

    水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成，因此，不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能，而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。为了解决这些问题需使水泵随着负载的变化调节水流量并关闭旁通。

    另外由于水泵采用的是Y-△启动方式，电机的启动电流均为其额定电流的5～7倍，一台90kW的电动机其启动电流将达到500A以上，在如此大的电流冲击下，接触器、电机的使用寿命大大下降，同时，启动时的机械冲击和停泵时水垂现象，容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、备件费用。

    综合以上原因，为了节约能源和费用，需对水泵系统进行改造，以便达到节能和延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命的目的。

    2．冷冻（媒）水泵系统的闭环控制

    冷冻（媒）水泵系统的闭环控制主要有以下两种情况。

   (1)制冷模式下冷冻水泵系统的闭环控制

    该方案在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减，控制方式是：冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。

   (2)制热模式下冷冻水泵系统的闭环控制

    该模式是在中央空调中热泵运行（即制热）时冷冻水泵系统的控制方案。同制冷模式控制方案一样，在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减。不同的是：冷冻回水温度小于设定温度时频率无极上调，当温度传感检测到的冷冻水回水温度越高，变频器的输出频率越低。

    3．冷却水系统的闭环控制

    目前，在冷却水系统进行改造的方案最为常见，节电效果也较为显著。该方案同样在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量，当中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，从而在保证中央空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的。

    现有的控制方式大都先确定一个冷却泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷却水泵的频率是取冷却管进、出水温度差和出水温度信号来调节，当进、出水温差大于设定值时，频率无极上调，当进、出水温差小于设定值时，频率无极下调，同时当冷却水出水温度高于设定值时，频率优先无极上调，当冷却水出水温度低于设定值时，按温差变化来调节频率。进、出水温差越大，变频器的输出频率越高；进、出水温差越小，变频器的输出频率越低。

    4．送风机的节能控制

    在中央空调系统中冷暖的输送介质，通常是水在末端将与热交换器充分接触的清洁空气，由风机直接送入室内，从而达到调节室温的目的。在输送介质水温度恒定的情况下，改变送风量可以改变带入室内的制冷热量，从而较方便地调节室内温度，这样便可以根据自己的要求，来设定需要的室温调整风机的转速，可以控制送风量。使用变频器对风机实现无级变速在变频的同时，输出端的电压亦随之改变，从而节约了能源，降低了系统噪声，其经济性和舒适性是不言而喻的。

    在室内适当的位置，安装手动调节控制终端调速电位器VR，并将运行开关KK置于控制终端盒，内变频器的集中供电由空气开关控制，需要送电时在配电控制室直接操作调整频率设定电位器VR，可以改变变频器的输出频率，从而控制风机的送风量关闭时断开。此方式成本低廉、随意性强。

    当室外温度变化或者冷/暖输送介质温度发生改变时可能造成室温随之改变。

    对环境舒适度要求较高的消费群体则可以采用自动恒温运行方式，选择内置PID软件模块的变频器控制终端的方式，手动方式电位器用来设定温度而不是调整频率变频器，通过采集来自反馈端的温度测量值与给定值作比较送入PID模块，运算时自动改变输出频率，调整送风量达到自动恒温运行。

    送风机的分布可能不是均匀的，对于稍大的室内空间则可以采集区域温度平均法策略调节送风量以满足特殊需要量场所。

    5．中央空调制冷系统的特点

   (1)制冷系统节能指标

    制冷系统的节能指标，意指在规定的参数，例如，冷水机组冷冻水进、出水温度，冷却水进、出水温度，室内外环境空气的温度、湿度等，在这些条件下，每生产1kW的制冷量所耗用能量应为最小，按目前的节能指标：每生产1kW制冷量的耗电量不得大于0.213kW。

    然而，空调的制冷系统仅仅考虑在设计工况下，即在满负荷条件下运行时的能耗指标是不够的，还应考虑空调制冷系统在部分负荷下运行的节能问题。

   (2)空调制冷系统在部分负荷下运行的概率

    一般空调制冷系统的设计都是以最大负荷为设计工况，但在实际运行中，综合所有的因素与设计工况相符合的情况是比较少的，因此空调制冷系统常常会在部分负荷下运行。据统计，空调制冷系统在满负荷情况下运行只占20%～30%，70%～80%的时间是在部分负载运行。这就给空调设计工程师们提出了一个新问题，在部分负荷运行情况下如何设计才能使空调制冷系统符合节能的原则。这比在设计工况下提出能耗指标更为重要。

   (3)离心式冷水机组运行时的节能特性

    离心式冷水机组的工作效率，除了考虑离心式压缩机本身的效率外，还与冷凝器和蒸发器的换热效率有关，所以判断离心式冷水机组的效率应该判断离心式压缩机及冷凝器和蒸发器的综合效率，这就为离心式冷水机组在部分负荷情况下的运行如何节能创造了条件。从各厂家离心式冷水机组运行特性曲线看，发现各种系列冷水机组特性曲线基本相同，差别很小。以美国约克公司生产的制冷量650Rt/h的离心式冷水机组特性曲线为例，在部分负荷运行，节能情况如表4.2所示。

    表4.2    650Rt/h的离心式冷水机组的节能情况

    从表4.2所列的数据可以看出负荷在100%～40%之间随着负荷的下降，每产生1kW冷量的耗电比满负荷时少，而负荷在10%～40%时，随着负荷的下降每产生1kW冷量的耗电均比满负荷大，因此，为了节能必须将冷水机组控制在100%～40%之间运行。

    6．其他供暖和通风

    除了制冷之外，暖通空调系统中还包含了大量的供暖或通风设备，其变频节能控制原理基本与制冷相同。