1.中央空調(diào)變頻節(jié)能改造的意義

中央空調(diào)是現(xiàn)代化大廈、賓館、酒店、商場、車間等場所不可缺少的重要運(yùn)行設(shè)備之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50％。

中央空調(diào)系統(tǒng)主要由冷凍機(jī)組、冷卻水塔、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)、溫度檢測、冷凍機(jī)組拖動(dòng)系統(tǒng)、冷凍泵組拖動(dòng)系統(tǒng)、冷卻泵組拖動(dòng)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)（含室內(nèi)風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)）拖動(dòng)系統(tǒng)組成。在設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)方案時(shí)，一般均按現(xiàn)場最大冷量需求（最大工況）來考慮冷凍機(jī)組的選型，其冷卻泵組、冷凍泵組和風(fēng)機(jī)也是按最大工況來考慮的，它們的拖動(dòng)系統(tǒng)均不能調(diào)速，為普通電氣控制系統(tǒng)，只要運(yùn)行即工作在額定工況狀態(tài)下，但實(shí)際使用中，許多時(shí)間（如每天早晚和夜間及陰雨天氣等）它們都工作在非滿載狀態(tài)（即大馬拉小車），能源浪費(fèi)較大；而且為達(dá)到恒溫控制而采用閥門、電動(dòng)閥，這不但增大了系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力和節(jié)流損失，還由于對(duì)空調(diào)本身的調(diào)節(jié)是階段性的，減少損失的能力很有限，也使整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)工作在波動(dòng)狀態(tài)，使得中央空調(diào)系統(tǒng)總體效率較低，溫度調(diào)節(jié)精度不高，壽命有所下降，加之由于一些控制上的缺陷，使中央空調(diào)系統(tǒng)在帶來良好的內(nèi)部環(huán)境的同時(shí)，也帶來了巨大的能源消耗。

2.1變頻節(jié)能基本原理

由流體力學(xué)可知，Ｐ(功率)＝Ｑ（流量）×Ｈ（壓力），因流量Ｑ與轉(zhuǎn)速ｎ的一次方成正比，壓力Ｈ與轉(zhuǎn)速ｎ的平方成正比，故功率Ｐ與轉(zhuǎn)速ｎ的立方成正比。如果效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速ｎ可成比例的下降，而此時(shí)，軸輸出功率Ｐ成立方關(guān)系下降，即電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。根據(jù)上述原理可知：改變水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)的頻率（轉(zhuǎn)速）就可改變水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)的功率，從而達(dá)到節(jié)能的效果。表１中列出了風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載應(yīng)用變頻器后，在不同轉(zhuǎn)速、流量、軸功率（額定值的相對(duì)百分?jǐn)?shù)）在某頻率值時(shí)的節(jié)能率。

2.2變頻節(jié)能改造主體方案

目前，許多廠家生產(chǎn)的冷凍機(jī)組均已在控制系統(tǒng)中對(duì)制冷機(jī)冷凍水的出水溫度實(shí)現(xiàn)了數(shù)字ＰＩＤ調(diào)節(jié)控制，達(dá)到冷凍水恒溫輸出，因此對(duì)冷凍泵、冷卻泵和風(fēng)機(jī)的變頻節(jié)能改造，主要是通過對(duì)冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)的進(jìn)水（口）和出水（口）的溫度差檢測并變送成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)反饋至ＰＬＣ和變頻器，經(jīng)ＰＩＤ調(diào)節(jié)，輸出相應(yīng)頻率而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。

一般來講，對(duì)應(yīng)1臺(tái)制冷機(jī)組的冷凍水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)都由若干臺(tái)水泵組成1組，變頻改造時(shí)如資金充足，對(duì)應(yīng)每臺(tái)泵均采用變頻調(diào)速（備用泵除外）由ＰＬＣ程序控制，調(diào)整各臺(tái)泵為最佳轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒溫差控制，此方案節(jié)能效果最好。其次可采用單臺(tái)泵變頻，其余工頻運(yùn)行由ＰＬＣ控制，當(dāng)變頻泵頻率上升至上限值時(shí)（通常小于50Ｈｚ，如設(shè)定48Ｈｚ），工頻依次啟動(dòng)其他泵，當(dāng)頻率下降至下限值時(shí)（通常不低于25Ｈｚ），工頻依次停止其他泵，變頻泵可任意設(shè)定，此方案設(shè)備投資較少，但是節(jié)能效果也比全變頻方案稍差；而風(fēng)機(jī)變頻控制主要是一對(duì)一形式，重點(diǎn)改造大功率空調(diào)風(fēng)機(jī)，小房間空調(diào)風(fēng)機(jī)功率較小，暫不考慮加裝變頻器，節(jié)能效果不明顯，仍保持原有恒溫控制方式，即控制冷凍水流量的方式。而對(duì)于冷卻風(fēng)機(jī)，一般宜采用開環(huán)變頻調(diào)節(jié)，即無溫度反饋，由中控室在不同情況設(shè)定不同頻率。

1）由于增加了變頻調(diào)速器及自動(dòng)控制系統(tǒng)，使得泵和風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，始終工作在最佳工作狀態(tài)，既滿足空調(diào)正常工作需要，又盡可能保持最低功率，因此提高了工作效率，降低了能耗，節(jié)電明顯，平均在40％左右，最高可達(dá)50％。

2）由于泵和風(fēng)機(jī)都實(shí)現(xiàn)了平滑軟啟動(dòng)、軟停止，從而大大減少了啟動(dòng)沖擊電流和機(jī)械負(fù)載及管道的沖擊，從而降低了設(shè)備的故障率，減少了噪聲，延長了設(shè)備的使用壽命。

3）由于實(shí)現(xiàn)了數(shù)字ＰＩＤ調(diào)節(jié)和ＰＬＣ程序自動(dòng)化控制，使得溫度調(diào)節(jié)平穩(wěn)，提高了空調(diào)控制精度和質(zhì)量，保證了空調(diào)最佳工作狀態(tài)，從而使人們享受更舒適的工作、生活環(huán)境。

4）由于變頻器和ＰＬＣ本身的功能特點(diǎn)使得設(shè)備具有更完善的保護(hù)功能、程序優(yōu)化控制功能和報(bào)警功能，操作簡單，安裝使用方便，可實(shí)現(xiàn)由中控室遠(yuǎn)程控制、顯示和操作，現(xiàn)場可以無人值守，起到減員增效的作用。

1）由于是變頻節(jié)能技術(shù)改造，所以要保留原空調(diào)系統(tǒng)工頻手動(dòng)電氣控制部分，在設(shè)計(jì)方案中要保證變頻自動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)與工頻手動(dòng)時(shí)一樣滿足制冷機(jī)組啟動(dòng)、停止和工作中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制要求，并且變頻節(jié)能控制柜與原工頻手動(dòng)控制柜之間要設(shè)置硬件（最好軟件也設(shè)置）聯(lián)鎖，手動(dòng)與自動(dòng)能相互切換，以確保整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)工作安全、可靠。

2）冷凍水和冷卻水系統(tǒng)管網(wǎng)在變頻節(jié)能改造中要考慮水泵的轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程和管損同為正比的關(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)定變頻器下限頻率即可保證系統(tǒng)對(duì)水泵揚(yáng)程的最低要求，一般設(shè)為30Ｈｚ，最低不小于25Ｈｚ。

3）由于制冷機(jī)組在正常工作時(shí)要求冷水出口流量必須大于額定流量的50％，故在冷凍水出口管網(wǎng)應(yīng)加裝流量計(jì)或流量開關(guān)，并將采集的信號(hào)傳輸至ＰＬＣ，以便在程序編制中保證冷凍水循環(huán)泵的總流量不低于冷凍機(jī)組要求的50％額定流量。

4）由于循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)是封閉的，與加壓供水不同，水幾乎不消耗，尤其是冷凍水系統(tǒng)由冷凍泵、各樓層風(fēng)機(jī)盤管及冷凍機(jī)組等構(gòu)成一個(gè)封閉的循環(huán)水管網(wǎng)，水流是連續(xù)的，全揚(yáng)程近似為零。循環(huán)水泵的主要作用是使循環(huán)水按一定流量流動(dòng)，這樣水泵出口與進(jìn)口之間，要有壓差ΔＰ，它是與流量成正比的，即ΔＰ＝ＱＲ，其中Ｒ為水網(wǎng)管阻，而流量是與轉(zhuǎn)速成正比的。而通過變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓差運(yùn)行時(shí)，ΔＰ恒定，根據(jù)功率

Ｐ＝ΔＰ×ｎ，

則有

Ｐ＝ｋ×ｎ，

式中：ｋ為比例常數(shù)，ｎ為轉(zhuǎn)速。這就表明水泵功率Ｐ只與流量或轉(zhuǎn)速的一次方成正比，故其節(jié)能效果與供水系統(tǒng)相比減小許多，此外恒壓差控制方式并未將環(huán)境溫度變化的因素考慮進(jìn)去，而房間溫度將隨環(huán)境溫度變化而變化，顯然，該控制方式不太合理。另一種選擇應(yīng)該以冷凍機(jī)的回水與出水溫差作為控制參量，通過變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒溫差運(yùn)行，當(dāng)溫差大時(shí)，應(yīng)加大冷凍水流量，溫差小應(yīng)減小流量，從而保持房間溫度相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)，由于ΔＰ不恒定，則有

Ｐ＝Ｑ２　Ｒ，

即

Ｐ＝ｎ２　Ｒ，

也就是說水泵功率Ｐ是和轉(zhuǎn)速的平方成正比的，故恒溫差控制方式節(jié)能效果要比恒壓差控制方式好，但仍低于供水系統(tǒng)節(jié)能效果。而最為合理的方式應(yīng)該是將壓差與溫差信號(hào)都采集出來，送至ＰＬＣ綜合分析、處理，既保證使用溫度，又滿足工作壓力，從而達(dá)到最佳節(jié)能效果。

5）當(dāng)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制時(shí)，由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40％～50％時(shí)，其效率將明顯下降，風(fēng)量和風(fēng)壓較小，失去實(shí)際工作意義，因此，通常不低于50％，一般調(diào)速范圍在70％～100％為宜，此外還應(yīng)避開可能引起機(jī)械諧振的轉(zhuǎn)速范圍。

中國在變頻技術(shù)的應(yīng)用方面，與發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平尚有很大差距。目前，中國在用的交流電動(dòng)機(jī)使用變頻調(diào)速運(yùn)行的僅6％左右，而工業(yè)發(fā)達(dá)國家已達(dá)60％ ～70％；日本在風(fēng)機(jī)、水泵上變頻調(diào)速的采用率已達(dá)10％，在空調(diào)器變頻調(diào)速方面已達(dá)70％。中國的能源很緊缺，因此，有必要大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)。通過變頻技術(shù)來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、節(jié)約能源、提高產(chǎn)品質(zhì)量，可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；同時(shí)縮小與國外技術(shù)的差距，提高自主開發(fā)的能力，滿足國民經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)工程的需要。