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变频器用于中央空调节能改造
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随着生活水平的提高，人们已开始关注生活与工作环境 I-l 的舒适性。大型公共建筑 ( 如宾馆、酒店、写字楼等 ) 均设置有中央空调系统。据有关资料统计，中央空调的用电量占生活总用电量的 60 ％～ 70 ％。而在我国能源紧缺的今天，如何节约能源显得尤为重要。 目前很多中央空调系统由人工设定的钟控装置控制，如图 l 所示。系统定时启动和定时关闭，每天长时间全开或全关，轮流运行。这样对电网冲击频繁，浪费电能惊人，而且恒温效果不佳，让人感到不适。
寻找一种节能效果明显，性能稳定可靠的控制系统成为当务之急。风机和水泵是中央空调的重要部件，所以采用变频调速技术自然是最佳选择。采用变频调速技术不仅能基本保持室温恒定，让人感觉舒适，更重要的是其平均节能效果高达 30 ％以上。 中央空调系统的构成及工作原理 通常的中央空调系统主要由制冷机组、冷却水组循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和冷却塔组成，如图 2 所示。
制冷机组通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷；冷冻水泵将冷冻水送到各房间风机风口的冷却盘管中，和空气进行热交换，再由风机将冷空气吹送到房间中达到降温的目的。 而在制冷过程中制冷剂蒸发后会释放出大量热量，通过冷凝器与冷却循环水进行热交换，再由冷却泵将带走热量的冷却水送到冷却塔上，进行喷淋冷却，由冷却塔风扇加快其与大气之间的热交换，最终将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。 中央空调系统的变频改造方案 (1) 变频改造的可行性 从上述内容可以看到，在中央空调系统中，主要有以下拖动系统： a ．制冷机组拖动系统。 b ．冷冻泵拖动系统，由若干台水泵组成。 c ．冷却泵拖动系统，也由若干台水泵组成。 d ．风机 ( 包括室内风机和冷却塔风机 ) 拖动系统。 对于制冷机组，现常用的属于多机头制冷机组，即每套制冷机组有多台压缩机，这种机组自身配有冷量调节机构和卸载机构，运行时可根据冷冻水温度自动加载、减载，控制压缩机的开停台数，实现有级调节；同时，机组起动时可实现顺序起动各台压缩机，单台压缩机的功率小，对电网的冲击小，能量损失小，且机组在部分负荷时仍有较高的效率，已具有明显节能效果，再配置变频器进行无级调节，其节能效果不明显，因此通常不改造压缩机部分。 另外，一般分布在每个房间内的风机盘管系统 ( 立式明装 ) ，其风机的电动机为单相且功率小，风机转速是由室内温控器上的三速开关控制。通过三速开关控制风机电动机的输入电压，以调节风机转速来改变送入房间的冷量。这种设备节能改造的空间不大。再则，目前变频器都是三相的，对单相电动机来说不适用，因此不用变频器改造风机盘管系统。 而作为中央空调系统外部热交换的两个循环水系统，均是通过泵来完成的。通常系统设计时是按最大负荷来选取的，而实际使用中，年平均负荷远远小于系统的设计负荷能力。传统做法主要是通过调节阀门开度增大管阻来实现对流量的控制。这样的方法会导致大量的能量消耗在阀门上，造成极大地浪费。如果对循环水系统的泵进行变频改造，利用变频器改变电动机的转速来调节泵的流量，则既可以灵活地根据实际负荷的情况来调整流量，方便地实现恒温控制；又可以节约大量能量。所以，完全可以对冷冻泵和冷却泵进行变频改造。 同样，对冷却塔的散热风扇，由于季节、天气和时段的变化，并不是总需要风扇运行在工频对应的额定转速，可以根据实际情况通过变频器来调速，以达到良好的节能效果。 (2) 变频改造方案 从上述的分析可以看出，可以对中央空调系统中冷冻泵、冷却泵和冷却塔的散热风扇等进行变频改造，最大限度地实现节能运行。 A 冷冻泵的变频改造 冷冻泵用于完成冷冻水在系统中的循环。在冷冻水的循环系统中，经过制冷后变成一定温度的冷冻水从制冷机组流出 ( 简称为“出水” ) ，由冷冻泵送到各楼层、房间，流经各房间并进行热交换后，回到制冷机组 ( 简称为“回水” ) ，并如此反复循环。 冷冻水循环系统中，回水与出水的温差能反映出热交换的热量，也就反映了房间的温度。而由于冷冻水的出水温度一般是由制冻机组内部自动控制，通常是比较稳定的，所以实际上单凭回水温度的高低就足以反映房间内的温度。 如果对冷冻泵进行变频改造，根据回水温度就能够很方便地实现房间温度的恒定。当回水温度高，说明房间温度也高，这时就通过变频器提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度，使房间温度降低；反之，当回水温度低，说明房间温度低，则可以通过变频器降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，让房间温度升高。所以，冷冻泵的变频改造方案如图 3 所示。
需要注意的是，在各类制冷机组中，特别是压缩机制冷的设备中，冷冻水的流量调节范围有较为严格的限制。通常不能低于额定流量的 75 ％～ 80 ％，否则机组的安全保护系统会自动切断运行以保证系统不发生冻结。因此，不论使用何种调节方法，其流量调节的范围不应低于系统的报警阈值。可将变频器的下限频率设置在一个适当值以上来解决这一问题。 Ｂ 冷却泵的变频改造 冷却泵则用于完成冷却水在系统中的循环。在冷却水的循环系统中，水流进制冷机组 ( 简称为“进水” ) ，和其冷凝器进行热交换，带走制冷机组制冷过程中产生的热量，再由冷却泵送上冷却塔 ( 简称为“回水” ) ，在进行喷淋冷却后又流进制冷机组，并如此反复循环。 在冷却水循环系统中，由于冷却塔的水温是随环境温度而变的，其单侧水温度不能准确地反映制冷机组内产生热量的多少。所以，对于冷却泵的变频改造，应以回水和进水间的温差作为依据，实现恒温差控制是比较合理的。温差大，则说明制冷机组产生的热量多，应通过变频器提高冷却泵的转速，以加快冷却水的循环速度，带走更多热量；温差小，则说明冷冻机组产生的热量少，就可以通过变频器降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以节约能源。 冷却泵的变频改造方案如图 4 所示。
Ｃ 冷却塔散热风扇的变频改造 冷却塔的散热风扇主要是用来加快冷却水在喷淋过程中的散热速度。对于风扇的变频控制可以采用开环的方式，根据季节、天气的变化通过变频器手动来改变风扇的转速。天热的时候，转速调高一些；天凉时，转速调低一点，配合冷却泵的变频调节，达到最佳的节能效果。 冷却塔散热风扇的变频改造方案如图 4 所示。 下面就对冷冻水泵和冷却水泵变频改造的节能效果进行分析。 现在很多资料对选种系统的节能分析套用通常供水系统的节能摸式 其实，在中央空调系统中泵的工作方式和供水系统是有区别的，主要表现在以下方面。 (1) 用水特点 在供水系统中，用户抽用的水是消耗掉的。它并不回到水泵的进水口，对拖动系统毫无反馈作用。 对于中央空调系统，不管是冷冻水还是冷却水 都是循环水，在循环水系统中，所用的水是不消耗的．从水泵流出的水又将流回水泵的进口处。而且 回水本身具有一定的动能和位能，将反馈到永泵的进水口。 (2) 调速特点 在供水系统中，当通过改变转速 n 束调节流量时．扬程也随之改变 H 并且，扬程是和转速的平方成正比的，而在循环水系统中，改变转速来调节流量时．扬程井束发生变化
(3) 功率计算 在供水系统中，功率 P 扬程圩和流量口的乘积成正比，而流量与转速 n 成正比，扬程与转速的平方成正比，所以功率正比于转速的立方
而循环水系统的工作情况与电路十分相似．水泵的作功也通过水泵出来压力 P 2 和回水压力 P 2 的压力差△ P 来描述
与电路的工作情形相似，循环水系统中的流量 Q 、管阻 R 与压力差△ P 之间的关系为
而水泵作功的功率为
因为 系统改造实例 我们对深圳龙岗华为生产基地的一套中央空调系统实施了节能技术改造。该系统的冷却水循环系统由 3 台 18 5 kW 的电动机各带 1 台冷却水泵并联组成，冷冻水循环系统也是由 3 台 18 ． 5 kW 的电动机各带 1 台冷冻水泵并联组成的。 改造时，应用 EV2000-4T0185P 型号的变频器来控制冷冻泵和冷却泵．通过温度闭环束调节泵的流量，控制原理如图 5 和图 6 所示。 现以其中 1 台冷却泵电动机为例 在安装变频器前后实测的有关数据如附表所示 附表使用变频器前后 1# 冲却泵电动机的实剥电气参数对比表
安装变频器前消耗的功率为
安装变频器后捎耗的功率为
节电率为
以空调机 1 年使用 9 个月， 1 个月 30 天，每天使用 15h 按电价 0 ． 6 元／ kW · h 计算，则该泵 1 年可节约电费为
这样，不到 1 年时间就可以将变频器的成本收回．从投资回报率上分析是可行的。当然由于各阶层使用单位所处的地理境位置，地区电费、中央空调的运行周期及负荷情况有所差异，所带来的经济效益也有所不同，但总体说来，平均 1 ～ 1 ． 5 a 均可收回成本。 综合效益分析 1) 显著的节电效果，良好的经济效益 2) 使室内温度维持恒定，让人感觉舒适，且可随天气、热负荷的变化自动调节，温度变化小，调节迅速。 3) 操作方便，维护量小。 4) 变频调速使电动机大多数时间运行在工频之下，减少了环境噪声．并减轻了电动机轴承磨损 5) 电动机直接起动时，起动电流为额定电流的 4 ～ 6 倍，而变频调速后起动电流是额定电流的 1/4 ，从而大大改善了电动机的起动性能，减少了起动电流对电网的冲击．并延长了电动机的使用寿命。 |
，所以循环水系统水泵的功率 P 是和转速 n 的平方成正比的．会比供水系统的节能效果稍差一些。 
