變頻器在中央空調系統的節能應用

深圳日業電氣有限公司生產的SY3200變頻器作為中央空調變頻器件的設計方案。
一、 水泵節能改造的必要性
　　中央空調是大廈里的耗電大戶，每年的電費中空調耗電占 60% 左右，因此中央空調的節能改造顯得尤為重要。
　　由于設計時，中央空調系統必須按天氣最熱、負荷最大時設計，并且留 10-20% 設計余量，然而實際上絕大部分時間空調是不會運行在滿負荷狀態下，存在較大的富余，所以節能的潛力就較大，其中，冷凍主機可以根據負載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負載變化作出相應調節，存在很大的浪費。
　　水泵系統的流量與壓差是靠閥門和旁通調節來完成，因此，不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現象，不僅大量浪費電能，而且還造成中央空調最末端達不到合理效果的情況。為了解決這些問題需使水泵隨著負載的變化調節水流量并關閉旁通。
　　再因水泵采用的是 Y- △起動方式，電機的起動電流均為其額定電流的 3 ～ 4 倍，一臺 90KW 的電動機其起動電流將達到 500A ，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機的使用壽命大大下降，同時，起動時的機械沖擊和停泵時水垂現象，容易對機械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞，從而增加維修工作量和備品、備件費用。
　　綜上，為了節約能源和費用，需對水泵系統進行改造，經市場調查與了解采用成熟的變頻器來實現，以便達到節能和延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。
　　這是因為變頻器能根據冷凍水泵和冷卻水泵負載變化隨之調整水泵電機的轉速，在滿足中央空調系統正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵作出相應調節，以達到節能目的。水泵電機轉速下降，電機從電網吸收的電能就會大大減少。
　　其減少的功耗 △ P=P0 〔 1-(N1/N0)3 〕 （ 1 ）式
　　減少的流量 △ Q=Q0 〔 1-(N1/N0) 〕 （ 2 ）式
　　其中 N1 為改變后的轉速， N0 為電機原來的轉速， P0 為原電機轉速下的電機消耗功率， Q0 為原電機轉速下所產生的水泵流量。
　　由上式可以看出流量的減少與轉速減少的一次方成正比，但功耗的減少卻與轉速減少的三次方成正比。如：假設原流量為 100 個單位，耗能也為 100 個單位，如果轉速降低 10 個單位，由（ 2 ）式△ Q=Q0 〔 1-(N1/N0) 〕 =100 ＊〔 1-(90/100) 〕 =10 可得出流量改變了 10 個單位，但功耗由（ 1 ）式△ P=P0[1-(N1/N0)3]=100 ＊〔 1-(90/100)3 〕 =27.1 可以得出，功率將減少 27.1 個單位，即比原來減少 27.1% 。
　　再因變頻器是軟啟動方式，采用變頻器控制電機后，電機在起動時及運轉過程中均無沖擊電流，而沖擊電流是影響接觸器、電機使用壽命最主要、最直接的因素，同時采用變頻器控制電機后還可避免水垂現象，因此可大大延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。
二、 水泵節能改造的方案
　　中央空調系統通常分為冷凍（媒）水和冷卻水兩個系統（如下圖，左半部分為冷凍（媒）水系統，右半部分為冷卻水系統）。根據國內外最新資料介紹，并多處通過對在中央空調水泵系統進行閉環控制改造的成功范例進行考察，現在水泵系統節能改造的方案大都采用變頻器來實現。

1 、 冷凍（媒）水泵系統的閉環控制
　　1、制冷模式下冷凍水泵系統的閉環控制
　　該方案在保證最末端設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，將其設定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調節是通過安裝在冷凍水系統回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再經由溫度控制器設定的溫度來控制變頻器的頻率增減，控制方式是：冷凍回水溫度大于設定溫度時頻率無極上調。
　　2、制熱模式下冷凍水泵系統的閉環控制
　　該模式是在中中央空調中熱泵運行（即制熱）時冷凍水泵系統的控制方案。同制冷模式控制方案一樣，在保證最末端設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，將其設定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調節是通過安裝在冷凍水系統回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再經由溫度控制器設定的溫度來控制變頻器的頻率增減。不同的是：冷凍回水溫度小于設定溫度時頻率無極上調，當溫度傳感檢測到的冷凍水回水溫越高，變頻器的輸出頻率越低。
　　深圳日業電氣有限公司生產的系列智能變頻器都具有以上功能，通過安裝在冷凍水系統回水主管上的溫度傳感器（如圖，安裝在冷凍水系統回水主管上的 A 處）來檢測冷凍水的回水溫度，并可直接通過設定變頻器參數使系統溫度調控在需要的范圍內。
　　另外，針對已往改造的方案中首次運行時溫度交換不充分的缺陷，深圳日業電氣有限公司生產的系列智能變頻器增加了首次起動全速運行功能，通過設定變頻器參數可使冷凍水系統充分交換一段時間，然后再根據冷凍回水溫度對頻率進行無極調速，并且變頻器輸出頻率是通過檢測回水溫度信號及溫度設定值經PID運算而得出的。
2 、 冷卻水系統的閉環控制
　　目前，在冷卻水系統進行改造的方案最為常見，節電效果也較為顯著。該方案同樣在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下，通過控制變頻器的輸出頻率來調節冷卻水流量，當中中央空調冷卻水出水溫度低時，減少冷卻水流量；當中中央空調冷卻水出水溫度高時，加大冷卻水流量，從而達到在保證中中央空調機組正常工作的前提下達到節能增效的目的。
　　現有的控制方式大都先確定一個冷卻泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設定為：
　　下限頻率并鎖定，變頻冷卻水泵的頻率是取冷卻管進、出水溫度差和出水溫度信號來調節，當進、出水溫差大于設定值時，頻率無極上調，當進、出水溫差小于設定值時，頻率無極下調，同時當冷卻水出水溫度高于設定值時，頻率優先無極上調，當冷卻水出水溫度低于設定值時，按溫差變化來調節頻率，進、出水溫差越大，變頻器的輸出頻率越高；進、出水溫差越小，變頻器的輸出頻率越低。
　　深圳日業電氣有限公司通過市場調查與了解，并經多方實踐應用與論證，現用于冷卻水系統閉環控制的系列智能變頻器采用同制冷模式下冷凍水泵系統閉環控制一樣的控制方式。
　　與其他廠家的控制方式相比，其優點有：
　　1 、 只需在中中央空調冷卻管出水端安裝一個溫度傳感器（如圖，安裝在冷卻水系統中中央空調冷卻水出水主管上的 B 處），簡單可靠。
　　2 、 當冷卻水出水溫度高于溫度上限設定值時，頻率直接優先上調至上限頻率。
　　3 、 當冷卻水出水溫度低于溫度下限設定值時，頻率直接優先下調至下限頻率。而采用冷卻管進、出水溫度差來調節很難達到這點。
　　4 、 當冷卻水出水溫度介于溫度下限設定值與溫度上限設定值時，通過對冷卻水出水溫度及溫度上、下限設定值進行PID計算，從而達到對頻率進行無極調速，閉環控制迅速準確。
　　5 、 節能效果更為明顯。當冷卻水出水溫度低于溫度上限設定值時，采用冷卻管進、出水溫度差來調節方式沒有將出水溫度低這一因素加入節能考慮范圍，而僅僅由溫度差來對頻率進行無極調速，而采用上、下限溫度來調節方式充分考慮這一因素，因而節能效果更為明顯，通過對多家用戶市場調查，平均節電率要提高 5 ％以上，節電率達到 20 ％以上。