中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造方案
一、概述
中央空調(diào)系統(tǒng)在現(xiàn)代企業(yè)及生活環(huán)境改善方面極為普遍，而且某此生活環(huán)境或生產(chǎn)工序中是屬必須的，即所謂人造環(huán)境，不僅是溫度的要求，還有濕度、潔凈度等。至所以要中央空調(diào)系統(tǒng)，目的是提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高人的舒適度，集中供冷供熱效率高，便管理，節(jié)省投資等原因，為此幾乎企業(yè)、高層商廈、商務(wù)大樓、會(huì)場(chǎng)、劇場(chǎng)、辦公室、圖書館、賓館、商場(chǎng)、超市、酒店、娛樂場(chǎng)、體育館等中大型建筑上都采用中央空調(diào)的，它是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一，電能的消耗非常之大，是用電大戶，幾乎占了用電量50%以上，日常開支費(fèi)用很大。
由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì)，而實(shí)際上在一年中，滿負(fù)載下運(yùn)行最多只有十多天，甚至十多個(gè)小時(shí)，幾乎絕大部分時(shí)間負(fù)載都在70%以下運(yùn)行。通常中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機(jī)的負(fù)荷能隨季節(jié)氣溫變化自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，而與冷凍主機(jī)相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，幾乎長(zhǎng)期在100%負(fù)載下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)，也惡化了中央空調(diào)的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行質(zhì)量。
隨著變頻技術(shù)的日益成熟，利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量；采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能使商場(chǎng)室溫維持在所期望的狀態(tài)，讓人感到舒適滿意，可使整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定，更重要的是其節(jié)能效果高達(dá)30%以上，能帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)效益。
二、中央空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
1、冷凍機(jī)組：通往各個(gè)房間的循環(huán)水由冷凍機(jī)組進(jìn)行“內(nèi)部熱交換”作用，使冷凍水降溫為5~7℃。并通過循環(huán)水系統(tǒng)向各個(gè)空調(diào)點(diǎn)提供外部熱交換源。內(nèi)部熱交換產(chǎn)生的熱量，通過冷卻水系統(tǒng)在冷卻塔中向空氣中排放。內(nèi)部熱交換系統(tǒng)是中央空調(diào)的“制冷源”。
2、冷凍水塔：用于為冷凍機(jī)組提供“冷卻水”。
3、“外部熱交換”系統(tǒng)：由兩個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)組成：
⑴、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由冷凍泵及冷凍管道組成。從冷凍機(jī)組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在各個(gè)房間內(nèi)進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量，使房間內(nèi)的溫度下降。
?、?、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍機(jī)組進(jìn)行熱交換，使水溫冷卻的同時(shí)，必將釋放大量的熱量，該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升高，冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入水塔，使之在冷卻塔中與大氣進(jìn)行熱交換，然后再將降了溫的冷卻水，送回到冷凍機(jī)組，如此不斷循環(huán)，帶走冷凍機(jī)組成釋放的熱量。
4、冷卻風(fēng)機(jī)
?、拧⑹覂?nèi)風(fēng)機(jī)：安裝于所有需要降溫的房間內(nèi)，用于將由冷凍水冷卻了的冷空氣吹入房間，加速房間內(nèi)的熱交換；
?、?、冷卻塔風(fēng)機(jī)用于降低冷卻塔中的水溫，加速將“回水”帶回的熱量散發(fā)到大氣中去。
中央空調(diào)系統(tǒng)的四個(gè)部分都可以實(shí)施節(jié)電改造。但冷凍水機(jī)組和冷卻水機(jī)組的改造改造后節(jié)電效果最為理想，文章中我們將重點(diǎn)闡述對(duì)冷凍機(jī)組和冷卻機(jī)組的變頻調(diào)速技術(shù)改造。
次要說(shuō)明冷卻風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)改造。
三、中央空調(diào)變頻系統(tǒng)具體改造方案
現(xiàn)將淅江省嘉興市某集團(tuán)公司辦公樓的中央空調(diào)系統(tǒng)的變頻節(jié)能改造方案做一具體介紹。
1．中央空調(diào)原系統(tǒng)簡(jiǎn)介：
1.1該集團(tuán)中央空調(diào)系統(tǒng)改造前的主要設(shè)備和控制方式：450冷噸冷氣主機(jī)2臺(tái)，型號(hào)為特靈二極式離心機(jī)，兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行；冷凍水泵2臺(tái)，揚(yáng)程28米配有功率45KW，冷卻水泵有2臺(tái)，揚(yáng)程35米，配用功率75KW。均采用兩用一備的方式運(yùn)行。冷卻塔2臺(tái)，風(fēng)扇電機(jī)11KW，并聯(lián)運(yùn)行。室內(nèi)風(fēng)機(jī)4臺(tái)，5.5KW，并聯(lián)運(yùn)行。
1.2原系統(tǒng)的運(yùn)行及存在問題：該集團(tuán)是一家合資企業(yè)，為了給員工營(yíng)造一個(gè)良好的工作環(huán)境，辦公樓大部空間采用全封密的，且公司大部分空間自然通風(fēng)效果不好，所以對(duì)夏季冷氣質(zhì)量的要求較高。所以除了一些節(jié)假日外，其它時(shí)間中央空調(diào)都是全開的。由于中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須按天氣最熱、負(fù)荷最大時(shí)設(shè)計(jì)，且留有10%-20%左右的設(shè)計(jì)余量。其中冷凍主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。這樣，冷凍水、冷卻水系統(tǒng)幾乎長(zhǎng)期在大流量、小溫差的狀態(tài)下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)。而且冷凍、冷卻水泵采用的均是Y—△起動(dòng)方式，電機(jī)的起動(dòng)電流均為其額定電流的3—4倍，在如此大的電流沖擊下，接觸器的使用壽命大大下降；同時(shí)，啟動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊和停泵時(shí)的水錘現(xiàn)象，容易對(duì)機(jī)械器件、軸承、閥門和管道等造成破壞，從而增加維修工作量、維修費(fèi)用、設(shè)備也容易老化。另外由于冷凍泵軸輸送的冷量不能跟隨系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷的變化，其熱力工況的平衡只能由人工調(diào)整冷凍主機(jī)出水溫度，以及大流量小溫差來(lái)掩蓋。這樣，不僅浪費(fèi)能量，也惡化了系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行質(zhì)量。特別是在環(huán)境溫度偏低、某些末端設(shè)備溫控稍有失靈或靈敏度不高時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致大面積空調(diào)室溫偏冷，感覺不適，嚴(yán)重干擾中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。因?yàn)榭照{(diào)偏冷的問題經(jīng)常接到員工的投訴，處理這些投訴造成不少人力資源的浪費(fèi)。
根據(jù)實(shí)際情況，我們向該集團(tuán)負(fù)責(zé)人提出：利用變頻器、人機(jī)界面、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等構(gòu)成的溫差閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)冷凍、冷卻水泵進(jìn)行改造，以節(jié)約電能、穩(wěn)定系統(tǒng)、延長(zhǎng)設(shè)備壽命。
2．中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的具體方案
2．1該中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)具體裝機(jī)清單如表二：
2．2介紹變頻節(jié)電原理：
變頻節(jié)能原理：由流體傳輸設(shè)備（水泵、風(fēng)機(jī)）的工作原理可知：水泵、風(fēng)機(jī)的流量（風(fēng)量）與其轉(zhuǎn)速成正比；水泵、風(fēng)機(jī)的壓力（揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，而水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）。變頻器節(jié)能的效果是十分顯著的，這種節(jié)能回報(bào)是看到見的。特別是調(diào)節(jié)范圍大、啟動(dòng)電流大的系統(tǒng)及設(shè)備，通過圖三可以直觀的看出在流量變化時(shí)只要對(duì)轉(zhuǎn)速（頻率）稍作改變就會(huì)使水泵軸功率有更大程度上的改變，就因此特點(diǎn)使得變頻調(diào)速裝置成為一種趨勢(shì)，而且不斷深入并應(yīng)用于各行各業(yè)的調(diào)速領(lǐng)域。
根據(jù)上述原理可知：改變水泵、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可改變水泵、風(fēng)機(jī)的輸出功率。
圖中陰影部分為同一臺(tái)水泵的工頻運(yùn)行狀態(tài)與變頻運(yùn)行狀態(tài)在隨著流量變化所耗功率差。
2．3介紹系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)和控制方式
根據(jù)中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻水系統(tǒng)的一般裝機(jī)，建議在冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)各裝兩套傳動(dòng)之星SD-YP系列一體化變頻調(diào)速控制柜，其中冷卻變頻調(diào)速控制柜供兩臺(tái)冷卻水泵切換（循環(huán)）使用，冷凍變頻調(diào)速控制柜供兩臺(tái)冷凍水泵切換（循環(huán)）使用。變頻節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)是在保留原工頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝改裝的，變頻節(jié)能系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制功能與原工頻系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制功能相同，變頻節(jié)能系統(tǒng)與原工頻系統(tǒng)之間設(shè)置了聯(lián)鎖保護(hù)，以確保系統(tǒng)工作安全。利用變頻器、人機(jī)界面、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，為了達(dá)到節(jié)能目的提供了可靠的技術(shù)條件。如圖四所示：
1．系統(tǒng)主電路的控制設(shè)計(jì)
根據(jù)具體情況，同時(shí)考慮到成本控制，原有的電器設(shè)備盡可能的利用。冷凍水泵及冷卻水泵均采用一用一備的方式運(yùn)行，因備用泵轉(zhuǎn)換時(shí)間與空調(diào)主機(jī)轉(zhuǎn)換時(shí)間一致，均為一個(gè)月轉(zhuǎn)換一次，切換頻率不高，決定將冷凍水泵和冷卻水泵電機(jī)的主備切換控制利用原有電器設(shè)備，通過接觸器、啟停按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行電氣和機(jī)械互鎖。確保每臺(tái)水泵只能由一臺(tái)變頻器拖動(dòng)，避免兩臺(tái)變頻器同時(shí)拖動(dòng)同一臺(tái)水泵造成交流短路事故；并且每臺(tái)變頻器任何時(shí)間只能拖動(dòng)一臺(tái)水泵，以免一臺(tái)變頻器同時(shí)拖動(dòng)兩臺(tái)水泵而過載。
2．系統(tǒng)功能控制方式
上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要通過人機(jī)界面完成對(duì)工藝參數(shù)的檢測(cè)、各機(jī)組的協(xié)調(diào)控制以及數(shù)據(jù)的處理、分析等任務(wù)，下位機(jī)PLC主要完成數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制及連鎖等功能。具體工作流程：開機(jī)：開啟冷水及冷卻水泵，由PLC控制冷水及冷卻水泵的啟停，由冷水及冷卻水泵的接觸器向制冷機(jī)發(fā)出聯(lián)鎖信號(hào)，開啟制冷機(jī)，由變頻器、溫度傳感器、溫度模塊組成的溫差閉環(huán)控制電路對(duì)水泵進(jìn)行調(diào)速以控制工作流量，同時(shí)PLC控制冷卻塔根據(jù)溫度傳感器信號(hào)自動(dòng)選擇開啟臺(tái)數(shù)。當(dāng)過濾網(wǎng)前后壓差超出設(shè)定值時(shí)，PLC發(fā)出過濾堵塞報(bào)警信號(hào)。送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢是由回風(fēng)溫度與系統(tǒng)設(shè)定值相比較后，用PID方式控制變頻器，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)回風(fēng)溫度的目的。停機(jī)：關(guān)閉制冷機(jī)，冷水及冷卻水泵以及冷卻塔延時(shí)十五分鐘后自動(dòng)關(guān)閉。保護(hù)：由壓力傳感器控制冷水及冷卻水的缺水保護(hù)，壓力偏低時(shí)自動(dòng)開啟補(bǔ)水泵補(bǔ)水。
2．4介紹系統(tǒng)節(jié)能改造原理
1、對(duì)冷凍泵進(jìn)行變頻改造控制原理說(shuō)明如下：PLC控制器通過溫度模塊及溫度傳感器將冷凍機(jī)的回水溫度和出水溫度讀入控制器內(nèi)存，并計(jì)算出溫差值；然后根據(jù)冷凍機(jī)的回水與出水的溫差值來(lái)控制變頻器的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)出水的流量，控制熱交換的速度；溫差大，說(shuō)明室內(nèi)溫度高系統(tǒng)負(fù)荷大，應(yīng)提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)速度和流量，加快熱交換的速度；反之溫差小，則說(shuō)明室內(nèi)溫度低，系統(tǒng)負(fù)荷小，可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度和流量，減緩熱交換的速度以節(jié)約電能；
2、對(duì)冷卻泵進(jìn)行變頻改造由于冷凍機(jī)組運(yùn)行時(shí)，其冷凝器的熱交換量是由冷卻水帶到冷卻塔散熱降溫，再由冷卻泵送到冷凝器進(jìn)行不斷循環(huán)的。
冷卻水進(jìn)水出水溫差大，說(shuō)明冷凍機(jī)負(fù)荷大，需冷卻水帶走的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，加大冷卻水的循環(huán)量；溫差小，則說(shuō)明，冷凍機(jī)負(fù)荷小，需帶走的熱量小，可降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減小冷卻水的循環(huán)量，以節(jié)約電能。
3、冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻控制通過檢測(cè)冷卻塔水溫度對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速閉環(huán)控制，使冷卻塔水溫度恒定在設(shè)定溫度，可以有效地節(jié)省風(fēng)機(jī)的電能額外損耗，能達(dá)到最佳節(jié)電效果。
4、室內(nèi)風(fēng)機(jī)組變頻控制通過檢測(cè)冷房溫度對(duì)變風(fēng)機(jī)組的風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)冷房溫度恒定在設(shè)定溫度。室內(nèi)風(fēng)機(jī)組變頻控制后可達(dá)到理想的節(jié)電效果，并且空調(diào)效果較佳。
2．5系統(tǒng)流量、壓力保障
本方案的調(diào)節(jié)方式采用閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，冷卻水泵系統(tǒng)和冷凍水泵系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式基本相同，用溫度傳感器對(duì)冷卻（冷凍）水在主機(jī)上的出口水溫進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)后送至溫控器將該信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算后輸出一類比信號(hào)（一般為4—20MA、0—10V等）給PLC，由PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊進(jìn)行溫差閉環(huán)控制，手動(dòng)/自動(dòng)切換和手動(dòng)頻率上升、下降由PLC控制，最后把數(shù)據(jù)傳關(guān)到上位機(jī)人機(jī)界面實(shí)行監(jiān)視控制。變頻器根據(jù)PLC發(fā)出的類比信號(hào)決定其輸出頻率，以達(dá)到改變水泵轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)流量的目的。
冷卻（冷凍）水系統(tǒng)的變頻節(jié)能系統(tǒng)在實(shí)際使用中要考慮水泵的轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程的平方成正比的關(guān)系，以及水泵的轉(zhuǎn)速與管損平方成正比的關(guān)系；在水泵的揚(yáng)程隨轉(zhuǎn)速的降低而降低的同時(shí)管道損失也在降低，因此，系統(tǒng)對(duì)水泵揚(yáng)程的實(shí)際需求一樣要降低；而通過設(shè)定變頻器下限頻率的方法又可保證系統(tǒng)對(duì)水泵揚(yáng)程的最低需求。供水壓力的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)量可以通過PID參數(shù)的調(diào)整。當(dāng)供水需求量減少時(shí)，管道壓力逐漸升高，內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器輸出頻率降低，當(dāng)變頻器輸出頻率低至0HZ時(shí)，而管道在一設(shè)定時(shí)間內(nèi)還高于設(shè)定壓力，變頻器切斷當(dāng)前變頻控制泵，轉(zhuǎn)而控制下一個(gè)原工頻控制泵，變頻器在水泵控制轉(zhuǎn)換過程中，逐漸輪換使用水泵，使每個(gè)水泵的利用率均等，增加系統(tǒng)、管道壓力的穩(wěn)定性和可靠性。
四、中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造的優(yōu)點(diǎn)
變頻節(jié)能改造后除了可以節(jié)省大量的電能外還具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）、電機(jī)起動(dòng)是軟起動(dòng)，電流從OA到額定電流變化，減小了大電流對(duì)電機(jī)的沖擊；（2）、電機(jī)軟起動(dòng)轉(zhuǎn)速?gòu)?開始緩慢升速，可以有效減少水泵或風(fēng)機(jī)的機(jī)械磨損；（3）、變頻器是高性能的電力電子設(shè)備，具有較強(qiáng)的電機(jī)保護(hù)功能，能延長(zhǎng)系統(tǒng)的各部件使用壽命；
（4）、使室溫維持恒定，讓人感到舒適；
?。?）、經(jīng)過改造后，可以使系統(tǒng)具有較高的可靠性，減少了環(huán)境噪音，減少了維修維護(hù)工作量。
五、傳動(dòng)之星SD-YP系列一體化變頻器的優(yōu)點(diǎn)
1.采用獨(dú)特的空間矢量（SVPWM）調(diào)制方式；
2.操作簡(jiǎn)單，具有鍵盤鎖定功能，防止誤操作；
3.內(nèi)置PID功能，可接受多種給定、反遺信號(hào)；
4.具有節(jié)電、市電和停止三位鎖定開關(guān)，便于轉(zhuǎn)換及管理；
5.保護(hù)功能完善，可遠(yuǎn)程控制；
6.超靜音優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低電機(jī)噪聲；
7.安裝比較方便，不用破壞原有的配電設(shè)施及環(huán)境；
8.穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)；
9.具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動(dòng)保護(hù)功能及聲光報(bào)警功能。
六、結(jié)束語(yǔ)
在科技日新月異的今天，積極推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，使其轉(zhuǎn)化為社會(huì)生產(chǎn)力，是我們工程技術(shù)人員應(yīng)盡的社會(huì)責(zé)任。對(duì)落后的設(shè)備生產(chǎn)工藝進(jìn)行技術(shù)革新，不僅可以提高生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)節(jié)能、環(huán)保等社會(huì)效益同樣有著重要的意義。隨著變頻器應(yīng)用普及時(shí)代的來(lái)臨，我公司已將變頻器的應(yīng)用擴(kuò)展到傳統(tǒng)中央空調(diào)改造的領(lǐng)域，不僅擴(kuò)大了變頻器的應(yīng)用市場(chǎng)，而且為中央空調(diào)應(yīng)用也提出了新的課題。預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，由于變頻調(diào)速技術(shù)的介入，中央空調(diào)系統(tǒng)將真正地進(jìn)入經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)代，希望上述工作對(duì)于同仁們?cè)趥鹘y(tǒng)的電氣傳動(dòng)設(shè)備技術(shù)改造和推進(jìn)高新技術(shù)產(chǎn)品的普及應(yīng)用工作中能有所啟示和借鑒。
中央空調(diào)系統(tǒng)在現(xiàn)代企業(yè)及生活環(huán)境改善方面極為普遍，而且某此生活環(huán)境或生產(chǎn)工序中是屬必須的，即所謂人造環(huán)境，不僅是溫度的要求，還有濕度、潔凈度等。至所以要中央空調(diào)系統(tǒng)，目的是提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高人的舒適度，集中供冷供熱效率高，便管理，節(jié)省投資等原因，為此幾乎企業(yè)、高層商廈、商務(wù)大樓、會(huì)場(chǎng)、劇場(chǎng)、辦公室、圖書館、賓館、商場(chǎng)、超市、酒店、娛樂場(chǎng)、體育館等中大型建筑上都采用中央空調(diào)的，它是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一，電能的消耗非常之大，是用電大戶，幾乎占了用電量50%以上，日常開支費(fèi)用很大。
由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì)，而實(shí)際上在一年中，滿負(fù)載下運(yùn)行最多只有十多天，甚至十多個(gè)小時(shí)，幾乎絕大部分時(shí)間負(fù)載都在70%以下運(yùn)行。通常中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機(jī)的負(fù)荷能隨季節(jié)氣溫變化自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，而與冷凍主機(jī)相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，幾乎長(zhǎng)期在100%負(fù)載下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)，也惡化了中央空調(diào)的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行質(zhì)量。
隨著變頻技術(shù)的日益成熟，利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量；采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能使商場(chǎng)室溫維持在所期望的狀態(tài)，讓人感到舒適滿意，可使整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定，更重要的是其節(jié)能效果高達(dá)30%以上，能帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)效益。
二、中央空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
1、冷凍機(jī)組：通往各個(gè)房間的循環(huán)水由冷凍機(jī)組進(jìn)行“內(nèi)部熱交換”作用，使冷凍水降溫為5~7℃。并通過循環(huán)水系統(tǒng)向各個(gè)空調(diào)點(diǎn)提供外部熱交換源。內(nèi)部熱交換產(chǎn)生的熱量，通過冷卻水系統(tǒng)在冷卻塔中向空氣中排放。內(nèi)部熱交換系統(tǒng)是中央空調(diào)的“制冷源”。
2、冷凍水塔：用于為冷凍機(jī)組提供“冷卻水”。
3、“外部熱交換”系統(tǒng)：由兩個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)組成：
⑴、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由冷凍泵及冷凍管道組成。從冷凍機(jī)組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在各個(gè)房間內(nèi)進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量，使房間內(nèi)的溫度下降。
?、?、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍機(jī)組進(jìn)行熱交換，使水溫冷卻的同時(shí)，必將釋放大量的熱量，該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升高，冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入水塔，使之在冷卻塔中與大氣進(jìn)行熱交換，然后再將降了溫的冷卻水，送回到冷凍機(jī)組，如此不斷循環(huán)，帶走冷凍機(jī)組成釋放的熱量。
4、冷卻風(fēng)機(jī)
?、拧⑹覂?nèi)風(fēng)機(jī)：安裝于所有需要降溫的房間內(nèi)，用于將由冷凍水冷卻了的冷空氣吹入房間，加速房間內(nèi)的熱交換；
?、?、冷卻塔風(fēng)機(jī)用于降低冷卻塔中的水溫，加速將“回水”帶回的熱量散發(fā)到大氣中去。
中央空調(diào)系統(tǒng)的四個(gè)部分都可以實(shí)施節(jié)電改造。但冷凍水機(jī)組和冷卻水機(jī)組的改造改造后節(jié)電效果最為理想，文章中我們將重點(diǎn)闡述對(duì)冷凍機(jī)組和冷卻機(jī)組的變頻調(diào)速技術(shù)改造。
次要說(shuō)明冷卻風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)改造。
三、中央空調(diào)變頻系統(tǒng)具體改造方案
現(xiàn)將淅江省嘉興市某集團(tuán)公司辦公樓的中央空調(diào)系統(tǒng)的變頻節(jié)能改造方案做一具體介紹。
1．中央空調(diào)原系統(tǒng)簡(jiǎn)介：
1.1該集團(tuán)中央空調(diào)系統(tǒng)改造前的主要設(shè)備和控制方式：450冷噸冷氣主機(jī)2臺(tái)，型號(hào)為特靈二極式離心機(jī)，兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行；冷凍水泵2臺(tái)，揚(yáng)程28米配有功率45KW，冷卻水泵有2臺(tái)，揚(yáng)程35米，配用功率75KW。均采用兩用一備的方式運(yùn)行。冷卻塔2臺(tái)，風(fēng)扇電機(jī)11KW，并聯(lián)運(yùn)行。室內(nèi)風(fēng)機(jī)4臺(tái)，5.5KW，并聯(lián)運(yùn)行。
1.2原系統(tǒng)的運(yùn)行及存在問題：該集團(tuán)是一家合資企業(yè)，為了給員工營(yíng)造一個(gè)良好的工作環(huán)境，辦公樓大部空間采用全封密的，且公司大部分空間自然通風(fēng)效果不好，所以對(duì)夏季冷氣質(zhì)量的要求較高。所以除了一些節(jié)假日外，其它時(shí)間中央空調(diào)都是全開的。由于中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須按天氣最熱、負(fù)荷最大時(shí)設(shè)計(jì)，且留有10%-20%左右的設(shè)計(jì)余量。其中冷凍主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。這樣，冷凍水、冷卻水系統(tǒng)幾乎長(zhǎng)期在大流量、小溫差的狀態(tài)下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)。而且冷凍、冷卻水泵采用的均是Y—△起動(dòng)方式，電機(jī)的起動(dòng)電流均為其額定電流的3—4倍，在如此大的電流沖擊下，接觸器的使用壽命大大下降；同時(shí)，啟動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊和停泵時(shí)的水錘現(xiàn)象，容易對(duì)機(jī)械器件、軸承、閥門和管道等造成破壞，從而增加維修工作量、維修費(fèi)用、設(shè)備也容易老化。另外由于冷凍泵軸輸送的冷量不能跟隨系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷的變化，其熱力工況的平衡只能由人工調(diào)整冷凍主機(jī)出水溫度，以及大流量小溫差來(lái)掩蓋。這樣，不僅浪費(fèi)能量，也惡化了系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行質(zhì)量。特別是在環(huán)境溫度偏低、某些末端設(shè)備溫控稍有失靈或靈敏度不高時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致大面積空調(diào)室溫偏冷，感覺不適，嚴(yán)重干擾中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。因?yàn)榭照{(diào)偏冷的問題經(jīng)常接到員工的投訴，處理這些投訴造成不少人力資源的浪費(fèi)。
根據(jù)實(shí)際情況，我們向該集團(tuán)負(fù)責(zé)人提出：利用變頻器、人機(jī)界面、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等構(gòu)成的溫差閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)冷凍、冷卻水泵進(jìn)行改造，以節(jié)約電能、穩(wěn)定系統(tǒng)、延長(zhǎng)設(shè)備壽命。
2．中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的具體方案
2．1該中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)具體裝機(jī)清單如表二：
2．2介紹變頻節(jié)電原理：
變頻節(jié)能原理：由流體傳輸設(shè)備（水泵、風(fēng)機(jī)）的工作原理可知：水泵、風(fēng)機(jī)的流量（風(fēng)量）與其轉(zhuǎn)速成正比；水泵、風(fēng)機(jī)的壓力（揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，而水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）。變頻器節(jié)能的效果是十分顯著的，這種節(jié)能回報(bào)是看到見的。特別是調(diào)節(jié)范圍大、啟動(dòng)電流大的系統(tǒng)及設(shè)備，通過圖三可以直觀的看出在流量變化時(shí)只要對(duì)轉(zhuǎn)速（頻率）稍作改變就會(huì)使水泵軸功率有更大程度上的改變，就因此特點(diǎn)使得變頻調(diào)速裝置成為一種趨勢(shì)，而且不斷深入并應(yīng)用于各行各業(yè)的調(diào)速領(lǐng)域。
根據(jù)上述原理可知：改變水泵、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可改變水泵、風(fēng)機(jī)的輸出功率。
圖中陰影部分為同一臺(tái)水泵的工頻運(yùn)行狀態(tài)與變頻運(yùn)行狀態(tài)在隨著流量變化所耗功率差。
2．3介紹系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)和控制方式
根據(jù)中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻水系統(tǒng)的一般裝機(jī)，建議在冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)各裝兩套傳動(dòng)之星SD-YP系列一體化變頻調(diào)速控制柜，其中冷卻變頻調(diào)速控制柜供兩臺(tái)冷卻水泵切換（循環(huán)）使用，冷凍變頻調(diào)速控制柜供兩臺(tái)冷凍水泵切換（循環(huán)）使用。變頻節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)是在保留原工頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝改裝的，變頻節(jié)能系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制功能與原工頻系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制功能相同，變頻節(jié)能系統(tǒng)與原工頻系統(tǒng)之間設(shè)置了聯(lián)鎖保護(hù)，以確保系統(tǒng)工作安全。利用變頻器、人機(jī)界面、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，為了達(dá)到節(jié)能目的提供了可靠的技術(shù)條件。如圖四所示：
1．系統(tǒng)主電路的控制設(shè)計(jì)
根據(jù)具體情況，同時(shí)考慮到成本控制，原有的電器設(shè)備盡可能的利用。冷凍水泵及冷卻水泵均采用一用一備的方式運(yùn)行，因備用泵轉(zhuǎn)換時(shí)間與空調(diào)主機(jī)轉(zhuǎn)換時(shí)間一致，均為一個(gè)月轉(zhuǎn)換一次，切換頻率不高，決定將冷凍水泵和冷卻水泵電機(jī)的主備切換控制利用原有電器設(shè)備，通過接觸器、啟停按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行電氣和機(jī)械互鎖。確保每臺(tái)水泵只能由一臺(tái)變頻器拖動(dòng)，避免兩臺(tái)變頻器同時(shí)拖動(dòng)同一臺(tái)水泵造成交流短路事故；并且每臺(tái)變頻器任何時(shí)間只能拖動(dòng)一臺(tái)水泵，以免一臺(tái)變頻器同時(shí)拖動(dòng)兩臺(tái)水泵而過載。
2．系統(tǒng)功能控制方式
上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要通過人機(jī)界面完成對(duì)工藝參數(shù)的檢測(cè)、各機(jī)組的協(xié)調(diào)控制以及數(shù)據(jù)的處理、分析等任務(wù)，下位機(jī)PLC主要完成數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制及連鎖等功能。具體工作流程：開機(jī)：開啟冷水及冷卻水泵，由PLC控制冷水及冷卻水泵的啟停，由冷水及冷卻水泵的接觸器向制冷機(jī)發(fā)出聯(lián)鎖信號(hào)，開啟制冷機(jī)，由變頻器、溫度傳感器、溫度模塊組成的溫差閉環(huán)控制電路對(duì)水泵進(jìn)行調(diào)速以控制工作流量，同時(shí)PLC控制冷卻塔根據(jù)溫度傳感器信號(hào)自動(dòng)選擇開啟臺(tái)數(shù)。當(dāng)過濾網(wǎng)前后壓差超出設(shè)定值時(shí)，PLC發(fā)出過濾堵塞報(bào)警信號(hào)。送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢是由回風(fēng)溫度與系統(tǒng)設(shè)定值相比較后，用PID方式控制變頻器，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)回風(fēng)溫度的目的。停機(jī)：關(guān)閉制冷機(jī)，冷水及冷卻水泵以及冷卻塔延時(shí)十五分鐘后自動(dòng)關(guān)閉。保護(hù)：由壓力傳感器控制冷水及冷卻水的缺水保護(hù)，壓力偏低時(shí)自動(dòng)開啟補(bǔ)水泵補(bǔ)水。
2．4介紹系統(tǒng)節(jié)能改造原理
1、對(duì)冷凍泵進(jìn)行變頻改造控制原理說(shuō)明如下：PLC控制器通過溫度模塊及溫度傳感器將冷凍機(jī)的回水溫度和出水溫度讀入控制器內(nèi)存，并計(jì)算出溫差值；然后根據(jù)冷凍機(jī)的回水與出水的溫差值來(lái)控制變頻器的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)出水的流量，控制熱交換的速度；溫差大，說(shuō)明室內(nèi)溫度高系統(tǒng)負(fù)荷大，應(yīng)提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)速度和流量，加快熱交換的速度；反之溫差小，則說(shuō)明室內(nèi)溫度低，系統(tǒng)負(fù)荷小，可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度和流量，減緩熱交換的速度以節(jié)約電能；
2、對(duì)冷卻泵進(jìn)行變頻改造由于冷凍機(jī)組運(yùn)行時(shí)，其冷凝器的熱交換量是由冷卻水帶到冷卻塔散熱降溫，再由冷卻泵送到冷凝器進(jìn)行不斷循環(huán)的。
冷卻水進(jìn)水出水溫差大，說(shuō)明冷凍機(jī)負(fù)荷大，需冷卻水帶走的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，加大冷卻水的循環(huán)量；溫差小，則說(shuō)明，冷凍機(jī)負(fù)荷小，需帶走的熱量小，可降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減小冷卻水的循環(huán)量，以節(jié)約電能。
3、冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻控制通過檢測(cè)冷卻塔水溫度對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速閉環(huán)控制，使冷卻塔水溫度恒定在設(shè)定溫度，可以有效地節(jié)省風(fēng)機(jī)的電能額外損耗，能達(dá)到最佳節(jié)電效果。
4、室內(nèi)風(fēng)機(jī)組變頻控制通過檢測(cè)冷房溫度對(duì)變風(fēng)機(jī)組的風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)冷房溫度恒定在設(shè)定溫度。室內(nèi)風(fēng)機(jī)組變頻控制后可達(dá)到理想的節(jié)電效果，并且空調(diào)效果較佳。
2．5系統(tǒng)流量、壓力保障
本方案的調(diào)節(jié)方式采用閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，冷卻水泵系統(tǒng)和冷凍水泵系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式基本相同，用溫度傳感器對(duì)冷卻（冷凍）水在主機(jī)上的出口水溫進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)后送至溫控器將該信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算后輸出一類比信號(hào)（一般為4—20MA、0—10V等）給PLC，由PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊進(jìn)行溫差閉環(huán)控制，手動(dòng)/自動(dòng)切換和手動(dòng)頻率上升、下降由PLC控制，最后把數(shù)據(jù)傳關(guān)到上位機(jī)人機(jī)界面實(shí)行監(jiān)視控制。變頻器根據(jù)PLC發(fā)出的類比信號(hào)決定其輸出頻率，以達(dá)到改變水泵轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)流量的目的。
冷卻（冷凍）水系統(tǒng)的變頻節(jié)能系統(tǒng)在實(shí)際使用中要考慮水泵的轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程的平方成正比的關(guān)系，以及水泵的轉(zhuǎn)速與管損平方成正比的關(guān)系；在水泵的揚(yáng)程隨轉(zhuǎn)速的降低而降低的同時(shí)管道損失也在降低，因此，系統(tǒng)對(duì)水泵揚(yáng)程的實(shí)際需求一樣要降低；而通過設(shè)定變頻器下限頻率的方法又可保證系統(tǒng)對(duì)水泵揚(yáng)程的最低需求。供水壓力的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)量可以通過PID參數(shù)的調(diào)整。當(dāng)供水需求量減少時(shí)，管道壓力逐漸升高，內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器輸出頻率降低，當(dāng)變頻器輸出頻率低至0HZ時(shí)，而管道在一設(shè)定時(shí)間內(nèi)還高于設(shè)定壓力，變頻器切斷當(dāng)前變頻控制泵，轉(zhuǎn)而控制下一個(gè)原工頻控制泵，變頻器在水泵控制轉(zhuǎn)換過程中，逐漸輪換使用水泵，使每個(gè)水泵的利用率均等，增加系統(tǒng)、管道壓力的穩(wěn)定性和可靠性。
四、中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造的優(yōu)點(diǎn)
變頻節(jié)能改造后除了可以節(jié)省大量的電能外還具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）、電機(jī)起動(dòng)是軟起動(dòng)，電流從OA到額定電流變化，減小了大電流對(duì)電機(jī)的沖擊；（2）、電機(jī)軟起動(dòng)轉(zhuǎn)速?gòu)?開始緩慢升速，可以有效減少水泵或風(fēng)機(jī)的機(jī)械磨損；（3）、變頻器是高性能的電力電子設(shè)備，具有較強(qiáng)的電機(jī)保護(hù)功能，能延長(zhǎng)系統(tǒng)的各部件使用壽命；
（4）、使室溫維持恒定，讓人感到舒適；
?。?）、經(jīng)過改造后，可以使系統(tǒng)具有較高的可靠性，減少了環(huán)境噪音，減少了維修維護(hù)工作量。
五、傳動(dòng)之星SD-YP系列一體化變頻器的優(yōu)點(diǎn)
1.采用獨(dú)特的空間矢量（SVPWM）調(diào)制方式；
2.操作簡(jiǎn)單，具有鍵盤鎖定功能，防止誤操作；
3.內(nèi)置PID功能，可接受多種給定、反遺信號(hào)；
4.具有節(jié)電、市電和停止三位鎖定開關(guān)，便于轉(zhuǎn)換及管理；
5.保護(hù)功能完善，可遠(yuǎn)程控制；
6.超靜音優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低電機(jī)噪聲；
7.安裝比較方便，不用破壞原有的配電設(shè)施及環(huán)境；
8.穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)；
9.具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動(dòng)保護(hù)功能及聲光報(bào)警功能。
六、結(jié)束語(yǔ)
在科技日新月異的今天，積極推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，使其轉(zhuǎn)化為社會(huì)生產(chǎn)力，是我們工程技術(shù)人員應(yīng)盡的社會(huì)責(zé)任。對(duì)落后的設(shè)備生產(chǎn)工藝進(jìn)行技術(shù)革新，不僅可以提高生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)節(jié)能、環(huán)保等社會(huì)效益同樣有著重要的意義。隨著變頻器應(yīng)用普及時(shí)代的來(lái)臨，我公司已將變頻器的應(yīng)用擴(kuò)展到傳統(tǒng)中央空調(diào)改造的領(lǐng)域，不僅擴(kuò)大了變頻器的應(yīng)用市場(chǎng)，而且為中央空調(diào)應(yīng)用也提出了新的課題。預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，由于變頻調(diào)速技術(shù)的介入，中央空調(diào)系統(tǒng)將真正地進(jìn)入經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)代，希望上述工作對(duì)于同仁們?cè)趥鹘y(tǒng)的電氣傳動(dòng)設(shè)備技術(shù)改造和推進(jìn)高新技術(shù)產(chǎn)品的普及應(yīng)用工作中能有所啟示和借鑒。
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