一、引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于賓館、酒店、寫字樓、商場、醫(yī)院大樓、工業(yè)廠房等場合，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由制冷壓縮機(jī)組、冷（熱）媒循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等組成。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量大多是按照建筑物最大制冷、制熱負(fù)荷或新風(fēng)交換量需求來選定的，且留有很大的裕量。 在使用過程中無法隨著如季節(jié)的變化，晝夜的變化，人數(shù)的多少進(jìn)行調(diào)整，電機(jī)長期在工頻全速運(yùn)行，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。 雖然系統(tǒng)采用了閘閥、檔板等節(jié)流方式，但能量浪費(fèi)十分嚴(yán)重，用電量占大廈總用電量的60%以上，其中，水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的40%左右，故有著很大的節(jié)能空間。 因此節(jié)約低負(fù)荷時主壓縮機(jī)系統(tǒng)和水泵、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的電能消耗，具有極其重要的經(jīng)濟(jì)意義。

二、中央空調(diào)系統(tǒng)的工作原理及組成結(jié)構(gòu)

中央空調(diào)系統(tǒng)由主機(jī)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)部分三大部分組成。 其冷卻水泵控制原理圖如下圖所示:

中央空調(diào)系統(tǒng)按負(fù)載類型可將其分為兩大類:

1、恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載:如螺桿式或離心式制冷主壓縮機(jī)系統(tǒng)的壓縮機(jī)，不僅對軸輸出的轉(zhuǎn)矩具有最小值限定的需求，而且其轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系也近似表現(xiàn)為線性特征。

2、平方轉(zhuǎn)矩型負(fù)載:如冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷媒循環(huán)水系統(tǒng)（熱泵循環(huán)水系統(tǒng)）、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等的風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載，它們對軸轉(zhuǎn)矩沒有嚴(yán)格的需求，其軸功率與轉(zhuǎn)速具有顯著的立方關(guān)系特征。 不同的負(fù)載類型具有不同的轉(zhuǎn)矩、功率關(guān)系特性，節(jié)能空間各有不同。

（1）制冷壓縮機(jī)的節(jié)能調(diào)節(jié)原理

以蒸汽壓縮式制冷循環(huán)為例，中央空調(diào)的制冷系統(tǒng)其制冷循環(huán)過程如上圖所示。 螺桿壓縮機(jī)的功率調(diào)節(jié)可以通過變頻調(diào)節(jié)的方式，以降低螺桿的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。 （為防止排氣端向排氣孔形成的高壓氣體倒流現(xiàn)象的發(fā)生，如噴油現(xiàn)象，通常將最小排氣量限定在10%左右）。 因此，螺桿壓縮機(jī)的功率輸出可以在10%～100%范圍里實(shí)現(xiàn)無極調(diào)節(jié)。 有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)螺桿壓縮機(jī)負(fù)荷在50%以上時其功率與負(fù)荷成線性正比關(guān)系，而低于40%負(fù)荷時其實(shí)際消耗功率遠(yuǎn)大于線性理論計(jì)算功率，所以采用變頻技術(shù)時無法全負(fù)荷區(qū)間內(nèi)獲得理想節(jié)能效果，從而使變頻控制技術(shù)的應(yīng)用受到困擾。 由上分析可見，就中央空調(diào)制冷壓縮機(jī)而言，壓縮機(jī)本身業(yè)已采用了自動調(diào)節(jié)方式，故一般不建議對制冷壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。

（2）風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能調(diào)節(jié)原理

由流體力學(xué)理論可知，離心式流體傳輸設(shè)備（如離心式水泵、風(fēng)機(jī)等）的輸出流量Q與其轉(zhuǎn)速n成正比； 輸出壓力P（揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速n的平方成正比； 輸出功率N與其轉(zhuǎn)速n的三次方成正比，用數(shù)學(xué)公式可表示為：

Q∝N H∝N2 N∝N3

KW=Q*H∝N3

(Q代表流量，N代表轉(zhuǎn)速，H代表揚(yáng)程，KW代表軸功率)

例如：將供電頻率由50HZ降為45HZ，則P45/P50=（45/50）3= 0.729，即P45=0.729 P50； 將供電頻率由50HZ降為40HZ，則P40/P50=（40/50）3= 0.512，即P40=0.512 P50。

由上述原理可知，降低水泵的轉(zhuǎn)速，水泵的輸出功率就可以下降更多。 改造前我們需要判斷系統(tǒng)是否具有節(jié)能潛力。 由于中央空調(diào)系統(tǒng)所具有的特殊性，主要從兩個方面來考慮：首先是泵本身的額定流量與揚(yáng)程指標(biāo)和運(yùn)行時實(shí)際輸出表現(xiàn)； 其次是系統(tǒng)對實(shí)際供水需求量所要求的溫度差，或壓力與機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)之間的偏差大小。 以冷凍泵為例，采用實(shí)時采集進(jìn)出水溫度數(shù)據(jù)，通過智能溫度控制器控制運(yùn)算處理，輸出4—20mA的模擬信號，決定變頻器對泵的調(diào)節(jié)方向與調(diào)節(jié)幅度。 為了避免出現(xiàn)“悶泵”或“斷流”現(xiàn)象，泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)限定在一定值以上，這個下限轉(zhuǎn)速（最低供給揚(yáng)程和流量）可以通過變頻器的輸出下限頻率來設(shè)定，在保證足夠的揚(yáng)程和流量的前提下（避免中央空調(diào)系統(tǒng)低壓檢測報警動作），建議采用溫度控制方式來實(shí)現(xiàn)。

三、變頻節(jié)能系統(tǒng)電路控制改造線路示意圖

1．變頻器系統(tǒng)接線圖

接線示意圖

說明：該方案使用富凌DZB300系列通用變頻器，“市電”“節(jié)電”旁路需要另配電控柜及電氣配件。 按實(shí)際情況做一用兩備或兩用一備使用

2．參數(shù)設(shè)置

F0.01=1 運(yùn)行指令端子控制

F0.03=5 頻率指令PID控制

F0.05=48 運(yùn)行頻率上限

F0.06=15 運(yùn)行頻率下限

F0.10=2 禁止反轉(zhuǎn)運(yùn)行

F0.19=1 自由停車

F1.20=1 平方轉(zhuǎn)矩V/F曲線

F2.01=1 正轉(zhuǎn)運(yùn)行

F2.07=0 兩線式控制

F2.21=3 故障常開輸出

F4.18=0 PID鍵盤給定

F4.19=50 鍵盤預(yù)置PID給定

F4.20=0 PID模擬通道VI反饋

F4.21=1 PID輸出為負(fù)特性

F4.22=1 比例增益

F4.23=0.1 積分時間

F4.24=0.00 微分時間

F4.25=0.10 采樣周期

F4.26=5.0 PID控制偏差極限

四、實(shí)際設(shè)備工況

1.冷凍媒水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制(檢測進(jìn)、出水溫差)

中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍循環(huán)水的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫度為：12℃/7℃，額定指標(biāo)冷凝器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水允許溫差為5℃。如進(jìn)出水溫差為2℃，因此從溫差現(xiàn)象角度上看，冷凍循環(huán)水的實(shí)際需求量僅為供給量的2℃/5℃=40%，在變頻調(diào)速情況下，泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速只要工作在額定轉(zhuǎn)速的40%就可以滿足要求，泵的能耗僅約為額定能耗的10%以下，能量的交換不充分原因致使系統(tǒng)的制冷效果變差，因此節(jié)能空間非常大。在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率（一般取25HZ），將其設(shè)定為下限頻率，鎖定冷凍水泵的最低工作速度，通過智能溫度控制器檢測冷凍進(jìn)出水溫度差值，來控制變頻器的頻率增減控制方式，使冷凍回水溫度大于設(shè)定溫度時頻率無極上調(diào)。

2．制熱模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制(檢測進(jìn)出、水溫差)

該模式是在中中央空調(diào)中熱泵運(yùn)行即制熱時（秋、冬季），和冷凍水泵系統(tǒng)的控制方案一樣，同上。

3．冷卻循環(huán)水泵開環(huán)控制（檢測進(jìn)出、水溫差)

中央空調(diào)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)冷卻循環(huán)進(jìn)出水溫度差為：4℃～8℃，冷卻塔標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫差為：3℃～5℃，用于采暖的熱水進(jìn)出水溫度為：50℃/60℃。 該部分由冷卻泵、冷卻水塔及冷凝器等組成。 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)熱交換的同時，并帶走室內(nèi)大量的熱能，能量從主機(jī)內(nèi)的冷媒傳遞給冷凝器，使冷卻水溫度升高； 冷卻泵將升溫后的冷卻水輸送至冷卻水塔（出水），使之與大氣進(jìn)行能量交換，使冷卻降低溫度后再送回主機(jī)冷凝器（回水）。 因此，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)同時受室外環(huán)境溫度及室內(nèi)熱負(fù)荷兩方面影響，循環(huán)水管道單側(cè)的水溫不能準(zhǔn)確反映該系統(tǒng)的熱交換量。 需在冷卻管進(jìn)出出水主管上安裝一個溫差傳感器如圖1示，以出水與回水之間的溫差作為控制室內(nèi)溫度的依據(jù)是合理的節(jié)能方式。 在外界環(huán)境溫度不變的情況下，溫差大，說明室內(nèi)熱負(fù)荷較大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水循環(huán)的速度； 相應(yīng)的，溫差小則減小冷卻泵轉(zhuǎn)速,此種方式將比單測回水溫度節(jié)能空間大5-10%左右。 正是因?yàn)閴毫εc流量的過剩作用使水流過速、熱交換溫差偏小，因此，可以通過降低熱泵循環(huán)水的總供應(yīng)流量來實(shí)現(xiàn)向標(biāo)準(zhǔn)溫差參考值靠近，從而達(dá)到節(jié)約能量的目的。

因此，在對實(shí)際運(yùn)行工況考察時，不能簡單地依據(jù)電機(jī)運(yùn)行電流的大小來判斷，若只簡單地從冷媒循環(huán)水系統(tǒng)的電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流來看，就會發(fā)生沒有多少節(jié)電空間的錯誤判斷。 所以，應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)數(shù)據(jù)做依據(jù)：如系統(tǒng)設(shè)備容量選型、不同季節(jié)、不同時間負(fù)荷變化等因素的影響，在實(shí)際投入運(yùn)行的中央空調(diào)系統(tǒng)基本上沒有與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)相一致的情況，大多數(shù)系統(tǒng)都存在著溫差偏小、揚(yáng)程過高、流量過大等現(xiàn)象，利用變頻調(diào)速技術(shù)，把系統(tǒng)多余的流量、揚(yáng)程節(jié)省下來，使系統(tǒng)工作在耗能最佳工況下（揚(yáng)程和流量均無多余的狀態(tài)下）， 從而達(dá)到既滿足系統(tǒng)需求又使能耗減至最少。

4．盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)控制

每個房間1套盤管風(fēng)機(jī)，電機(jī)0.40kW 220V，盤管風(fēng)機(jī)最大送風(fēng)溫差為：10℃～15℃，（一般空氣進(jìn)出口溫差取8℃）。 盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是同時使用水和空氣作為室內(nèi)負(fù)荷熱量傳遞介質(zhì)的系統(tǒng)，但室內(nèi)大部分主要冷、熱負(fù)荷是由通過盤管中的冷媒水或熱媒水來承擔(dān)的，風(fēng)機(jī)主要是以滿足房間的衛(wèi)生換氣需求，以改善房間舒適度，僅承擔(dān)一部分制冷或制熱負(fù)荷。

風(fēng)機(jī)由原來的人工通過三檔調(diào)速開關(guān)啟停控制風(fēng)機(jī)，改為變頻控制。 在實(shí)施變風(fēng)量改造后，房間的溫度在特別是冬季可穩(wěn)定控制在17℃±1℃，與工頻消耗電量相比，其日平均節(jié)約電能為80%，相當(dāng)其額定功率的60%以上。 特別是改造后房間的噪聲也明顯地得到了改善。

5．冷卻塔風(fēng)機(jī)控制

冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析（一般每套兩臺風(fēng)機(jī)），原控制方式采用直接啟動方式下的工頻全速運(yùn)行。 兩臺冷卻塔風(fēng)機(jī)均在全速運(yùn)行，系統(tǒng)缺少有效的冷卻效果檢測，沒有充分利用自然冷卻狀態(tài)下節(jié)約電能的機(jī)會，導(dǎo)致冷卻塔風(fēng)機(jī)處于兩種極端狀態(tài)：要么全速運(yùn)轉(zhuǎn)，或人工停止，尤其在春、秋、冬季，由于人工操作不能及時響應(yīng)冷卻塔出水溫度的變化而啟停風(fēng)機(jī)，造成因操作管理上帶來能量的極大浪費(fèi)現(xiàn)象。 在改造時，對每套冷卻塔實(shí)施以進(jìn)水溫度35℃為風(fēng)機(jī)起始運(yùn)行點(diǎn)，以30℃為停止運(yùn)行點(diǎn)，在35℃～30℃溫度區(qū)間作為風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)依據(jù)，實(shí)行溫度PID變風(fēng)量調(diào)節(jié)。 經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測試，在變風(fēng)量控制方式下的能耗僅為工頻啟停控制方式的40%左右，況且變風(fēng)量控制完全規(guī)避了人工啟停工頻運(yùn)行方式下，因操作無實(shí)時性或管理不完善造成的能量浪費(fèi)。 根據(jù)大量典型的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造案例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在成功的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造實(shí)現(xiàn)后，其冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能率均在40%以上，某些含有大容量冷卻塔蓄水池裝置的冷卻塔系統(tǒng)則可達(dá)到50%以上。

五、變頻節(jié)能系統(tǒng)特點(diǎn)

1.變頻器界面為LED顯示，監(jiān)控參數(shù)豐富； 鍵盤布局簡潔、操作方便；

2.溫度/溫差傳感器為數(shù)字雙屏LED顯示，溫度參數(shù)設(shè)定方便，易于監(jiān)控；

3.變頻器有過流、過載、過壓、過熱等多種電子保護(hù)裝置，并具有豐富的故障報警輸出功能，可有效保護(hù)供水系統(tǒng)的正常運(yùn)作；

4.加裝變頻器后，電機(jī)具有軟啟動及無極調(diào)速功能，可使水泵和電機(jī)的機(jī)械磨損大為降低，延長管組壽命；

5.該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對溫度的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，室內(nèi)溫度變化平穩(wěn)，令舒適度大大提高。

六、結(jié)束語

目前，中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造工程項(xiàng)目市場分布不僅廣泛，而且數(shù)量眾多，這為進(jìn)行節(jié)能改造市場化應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)前提。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，已投入運(yùn)行的中央空調(diào)系統(tǒng)中，至少有70%以上未進(jìn)行過任節(jié)能改造，且具有很好的節(jié)能空間。 將變頻技術(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(jī)械及管網(wǎng)的使用壽命，都具有重要的意義。

審核編輯：湯梓紅