EV100變頻器用于中央空調節能改造

█ 前言

中央空調是現代大廈物業、賓館、商場不可缺少的設施，它能帶給人們四季如春，溫馨舒適的每一天，由于中央空調功率大，耗能大，加上設計上存在“大馬拉小車”的現象，支付中央空調所用電費是用戶一項巨大的開支。因為季節的變化、晝夜的變化、賓館酒樓客人入住率的變化、娛樂場所開放時間的變化等等，從而導致中央空調系統對室內熱源吸收量的變化，再加之工藝設計上電機功率設計有相當的富裕量，因此，存在明顯的節電空間。將變頻技術引入中央空調系統，保持室內恒溫，對其進行的節能改造是降本增效的一條捷徑。

█ 中央空調系統

圖1所示為一典型中央空調機組系統圖，主要由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統及主機三部分組成：

圖1  中央空調系統原理圖

● 冷凍水循環系統

該部分由冷凍泵、室內風機及冷凍水管道等組成。從主機蒸發器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道（出水），進入室內進行熱交換，帶走房間內的熱量，最后回到主機蒸發器（回水）。室內風機用于將空氣吹過冷凍水管道，降低空氣溫度，加速室內熱交換。

● 冷卻水循環部分

該部分由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等組成。冷凍水循環系統進行室內熱交換的同時，必將帶走室內大量的熱能。該熱能通過主機內的冷媒傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔（出水），使之與大氣進行熱交換，降低溫度后再送回主機冷凝器（回水）。

● 主機

主機部分由壓縮機、蒸發器、冷凝器及冷媒（制冷劑）等組成，其工作循環過程如下：

首先低壓氣態冷媒被壓縮機加壓進入冷凝器并逐漸冷凝成高壓液體。在冷凝過程中冷媒會釋放出大量熱能，這部分熱能被冷凝器中的冷卻水吸收并送到室外的冷卻塔上，至始釋放到大氣中去。隨后冷凝器中的高壓液態冷媒在流經蒸發器前的節流降壓裝置時，因為壓力的突變而氣化，形成氣液混合物進入蒸發器。冷媒在蒸發器中不斷氣化，同時會吸收冷凍水中的熱量使其達到較低溫度。最后，蒸發器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體，重新進入了壓縮機，如此循環往復。

█節能理論

● 中央空調節能改造前的工況

在中央空調系統設計時，冷凍泵、冷卻泵的電機容量是根據建筑物的較大設計熱負荷選定的，都留有一定設計余量。由于四季氣候及晝夜溫差變化，中央空調工作時的熱負荷總是不斷變化。下圖2為一民用建筑物的平均熱負荷情況：

 

 

 

             

 

 

 

如上圖所示，該中央空調一年中負荷率在50%以下的時間超過了全部運行時間的50%。通常冷卻水管路的設計溫差為5～6℃，而實際應用表明大部分時間里冷卻水管路的溫差僅為2～4℃，這說明制冷所需的冷凍水、冷卻水流量通常都低于設計流量，這樣就形成了中央空調低溫差、低負荷、大工作流量的工況。

在沒有使用節能系統前，工頻供電下的水泵始終全速運行，管道中的供水流量只能通過閥門或回流方式調節，這必會產生大量的節流及回流損失，同時也增加了電機的負荷，白白消耗了許多電能。

中央空調水泵電機的耗電量約占中央空調系統總耗電量的30-40%，故對其進行節能改造具有很明顯的節能效果。

● 節能理論根據

由流體力學理論可知，離心式流體傳輸設備（如離心式水泵、風機等）的輸出流量Q與其轉速n成正比；輸出壓力P（揚程）與其轉速n的平方成正比；輸出功率N與其轉速n的三次方成正比，用數學公式可表示為：

Q ＝ K₁ × n

P ＝ K₂ × n²

N ＝ Q × P ＝ K₃ × n³    (K₁、 K₂ 、K₃為比例常數)

由上述原理可知，降低水泵的轉速，水泵的輸出功率就可以下降更多。如將電機的供電頻率由50Hz降為40Hz，則理論上，低頻40Hz與高頻50Hz的輸出功率之比為(40/50)³=0.512。

實踐證明，在中央空調系統中接入變頻節能系統，利用變頻技術改變水泵轉速來調節管道中的流量，以取代閥門調節及回流方式，能取得明顯的節能效果，一般節電率都在30％以上。同時變頻器的軟啟動功能及平滑調速的特點可實現對中央空調的平穩調節，并可延長機組及管組的使用壽命。

█ 節能方案分析

中央空調各循環水系統的回水與出水溫度之差，反映了整個系統需要進行的熱交換量。因此，根據回水與出水的溫度差來控制循環水的流量，從而控制熱交換的速度，是節能控制方法。

● 冷凍水循環系統

冷凍水的出水溫度是由主機的制冷效果決定的，通常比較穩定，因此冷凍回水溫度可以準確的反映室內的熱負荷情況。由此，對于冷凍水循環系統的節能改造，可以取回水溫度作為控制目標，通過變頻器對冷凍泵流量的自動調節來實現對室內溫度的控制。

● 冷卻水循環系統

冷卻水循環系統同時受室外環境溫度及室內熱負荷兩方面影響，循環水管道單側的水溫不能準確反映該系統的熱交換量，因此以出水與回水之間的溫差作為控制室內溫度的依據是合理的節能方式。在外界環境溫度不變的情況下，溫差大，說明室內熱負荷較大，應提高冷卻泵的轉速，增大冷卻水循環的速度；相應的，溫差小則減小冷卻泵轉速。

● 方案結構示意圖

根據上述分析，可得出整個節能工程結構示意圖如圖3所示：

 

圖3  中央空調系統節能改造結構示意圖

 

由上圖，該節能方案的基本思路為：

分別在主機蒸發器回水處、冷凝器出水及回水處安裝溫度傳感器，實時檢測管網的溫度，以模擬信號（0~10V或者4~20mA）反饋給變頻器，通過變頻器內置的PID運算輸出相應的頻率指令后自動調節水泵轉速，從而調節各循環水的熱交換速度，實現對室內恒溫度的控制。需要特別說明的是，變頻器內部在設計上集成了溫差反饋處理功能，系統無須另配專用控制模塊。

● 電路控制方案

某公司中央空調機組數據如下表：

機組		機型	常用數量	備用數量	總計數量
中央 空調	冷凍泵電機	45KW（380V）	2臺	1臺	3臺
	冷卻泵電機	75KW（380V）	2臺	1臺	3臺

三臺水泵中，春秋季節只用一臺，備用兩臺；夏季高峰時常用兩臺，一臺備用。

要求：一臺變頻運行，且可以通過人工方式進行切換，其他可通過人工方式直接啟動到工頻運行。

設計：3臺水泵電機選配1臺變頻器。工作時可選擇任意一臺水泵做主泵、由變頻器直接拖動并且變頻運行（由內置PID進行閉環控制）；其余兩臺水泵做輔泵、由人工依據制冷特點相應進行啟停控制，使電機工頻運行。如下圖所示：

 

該方案使用EV100系列通用變頻器，“市電”“節電”旁路需要另配電控柜及電氣配件。

● 變頻節能系統特點

1、變頻器界面為LED顯示，監控參數豐富；鍵盤布局簡潔、操作方便；

2、變頻器有過流、過載、過壓、過熱等多種電子保護裝置，并具有豐富的故障報警輸出功能，可有效保護供水系統的正常運作；

3、加裝變頻器后，電機具有軟啟動及無極調速功能，可使水泵和電機的機械磨損大為降低，延長管組壽命；

4、 變頻器內部裝有大容量濾波電容，可有效提高用電設備的功率因數；

5、 該系統實現了對溫度的PID閉環調節，室內溫度變化平穩，人體感覺舒適。

█ 總結

將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。