趙 辛

（遼寧工業(yè)大學土木建筑工程學院，遼寧錦州 121001）

變頻控制技術(shù)在中央空調(diào)水系統(tǒng)中的應用

趙 辛

（遼寧工業(yè)大學土木建筑工程學院，遼寧錦州 121001）

隨著人民生活水平的提高，現(xiàn)代建筑中中央空調(diào)系統(tǒng)的使用率越來越高。在傳統(tǒng)的中空調(diào)水系統(tǒng)中采用定速泵，進入空調(diào)主機的循環(huán)水為定流量，能耗較大。隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展，變頻控制技術(shù)已經(jīng)廣泛的應用于中央空調(diào)水系統(tǒng)中。根據(jù)空調(diào)水系統(tǒng)工作原理、水泵變頻調(diào)速原理及變頻器、變頻調(diào)速技術(shù)工作原理確定水系統(tǒng)中采用的變頻調(diào)速控制方案?？刂品桨阜譃榭照{(diào)主機進行優(yōu)化設計方案和冷凍水泵、冷卻水泵的變頻控制方案。采用變頻泵控制流量可以大大減少能耗。根據(jù)不同的設計需要，中央空調(diào)水系統(tǒng)中采用的3種變頻泵控制系統(tǒng)，分別是二次泵系統(tǒng)、一次泵變流量系統(tǒng)、變頻泵與工頻泵并聯(lián)系統(tǒng)。

變頻控制技術(shù)；中央空調(diào)；水系統(tǒng)；水泵

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展、國民生活質(zhì)量的提高、空調(diào)系統(tǒng)使用的普及、城市建筑能耗呈現(xiàn)快速增長趨勢。現(xiàn)階段，我國建筑使用的中央空調(diào)系統(tǒng)普遍存在能耗過高的問題，每年中央空調(diào)的耗電量接近400億千瓦時，幾乎占到了所有供電部門總電量的40%左右［1］。因此，中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能意義很大。

1 預備知識

一般中央空調(diào)系統(tǒng)是根據(jù)冷（熱）滿負荷運行工況進行設計的，但實際上絕大部分時間空調(diào)系統(tǒng)是在部分負荷下運行（通常在50%負荷以下的運行時間超過70%）［2］。空調(diào)主機有完善的能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在非滿負荷工況下運行時，雖然主機的冷量已按實際負荷供給，但傳統(tǒng)水系統(tǒng)中的水泵都是定速的。水泵都在全速運行，水泵的能耗并沒隨之發(fā)生相應的變化，從而造成水泵電機能耗的浪費。目前，變頻控制技術(shù)正逐漸被人們重視，并在中央空調(diào)水系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。

1.1 中央空調(diào)系統(tǒng)的簡介

中央空調(diào)系統(tǒng)由空調(diào)主機、冷卻塔、冷凍泵、冷卻泵、末端設備及管路系統(tǒng)等組成［3］，如圖1所示。

1.2 變頻技術(shù)的概念

變頻器的工作原理就是把工頻電源（50Hz或60Hz）的頻率進行平滑轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)設備中電機的變速運行，主電路總體通過控制電路進行控制，先通過整流電路將交流電變換成直流電，再通過直流濾波電路保障整流電路輸出為平滑穩(wěn)定的直流電，最后通過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率的交流電［4］。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)工作原理

變頻調(diào)速技術(shù)通過逐漸提升電機的輸入頻率來使電機的工作電流從零逐漸提高到額定工作電流，避免了電機直接啟動對電網(wǎng)的沖擊，減少了設備損耗，在不同工況下通過變頻器對設備進行無級調(diào)速減少能源損耗［5］。

2 中央空調(diào)水系統(tǒng)變頻控制方案

現(xiàn)階段主流的中央空調(diào)系統(tǒng)變頻控制方案分為兩種：1）空調(diào)主機內(nèi)部的節(jié)能方法主要是對空調(diào)主機進行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計；2）中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能方法主要是對冷凍、冷卻水泵采用變頻控制［6］。

空調(diào)主機內(nèi)部節(jié)能方式一般是對壓縮機進行變頻控制，實現(xiàn)了高精度控制使主機隨室內(nèi)負荷的變化而變化始終處于最佳運行狀態(tài)?？梢詫崿F(xiàn)年均節(jié)能30%以上。在低負荷時，實現(xiàn)節(jié)能70%［7］。在采用多機并聯(lián)制冷方式在非滿負荷工況下運行時，開機先運行全部壓縮機，當冷凍水出水溫度降至8℃以下后，滿負荷工作1～1.5h再關(guān)閉部分壓縮機，剩余壓縮機變頻運行維持制冷量，此時，冷凍水出水溫度會在9～12℃波動，依然能夠滿足制冷需要，節(jié)能效果顯著［8－9］。

中央空調(diào)水系統(tǒng)應用的變頻調(diào)速技術(shù)主要是通過根據(jù)水泵輸送能耗的變化來改變冷凍（卻）水系統(tǒng)中循環(huán)水泵的電機轉(zhuǎn)速的方法來實現(xiàn)的。常見的變流量控制方式主要有壓差變流量控制、溫差變流量控制［10］。

壓差變流量控制的方法是在供回水干管兩側(cè)安裝壓力傳感器采集壓差信號，此信號輸入變頻器與原設定值比較來調(diào)控循環(huán)泵的轉(zhuǎn)數(shù)和流量，控制供回水干管間壓差的穩(wěn)定。如圖2所示。

溫差控制法就是根據(jù)冷負荷變化通過變頻控制系統(tǒng)來控制水泵的轉(zhuǎn)速和流量保證空調(diào)主機供回水出口溫差恒定。圖3所示為一種在冷凍水回水干管上設置溫度傳感器，PID調(diào)節(jié)器、變頻器的變頻控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以保持供回水口的溫差恒定。

圖2 壓差變流量控制流程圖

圖3 溫差變流量控制流程圖

3 水泵變頻調(diào)速的原理

傳統(tǒng)中央空調(diào)水系統(tǒng)是通過在泵出口處的閥門調(diào)節(jié)來調(diào)整水泵流量。這種方法加大了系統(tǒng)局部阻力，降低了系統(tǒng)效率。根據(jù)水泵相似定律，流量Q（m3／h）、揚程H（m）、軸功率P（k W）和轉(zhuǎn)速n（r／min）的關(guān)系如下所示［11］：

因此流量與轉(zhuǎn)速一次方成正比，泵的揚程與轉(zhuǎn)速二次方成正比，功耗與轉(zhuǎn)速三次方成正比。

交流電動機的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f之間的關(guān)系為［12］：

式中：M為電機的極對數(shù)；S為轉(zhuǎn)差率。

由式（4）可知，當轉(zhuǎn)差率變化不大時，只要平滑調(diào)節(jié)電源頻率，就能平滑調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。水泵變頻調(diào)速的原理就是根據(jù)冷（熱）負荷的變化來調(diào)整水泵電源頻率控制水泵的轉(zhuǎn)速和流量，降低軸功率，達到節(jié)能目的。

4 變頻泵技術(shù)在中央空調(diào)水系統(tǒng)中的應用

研究表明，中央空調(diào)系統(tǒng)中水泵能耗占系統(tǒng)總能耗的35%左右，因此水泵的變頻節(jié)能控制意義重大［13］。下面簡述幾種變頻泵系統(tǒng)。

4.1 二次泵系統(tǒng)

在多數(shù)設計中，空調(diào)主機要求定流量，而負荷側(cè)為變流量，為了滿足兩側(cè)的流量要求一般采用二次泵系統(tǒng)。負荷側(cè)變流量循環(huán)系統(tǒng)采用變頻泵控制流量，節(jié)約了能耗［14］。

4.2 一次泵變流量系統(tǒng)

隨著空調(diào)主機技術(shù)的發(fā)展，在空調(diào)主機允許流量變化率大的中央空調(diào)水系統(tǒng)中可以使用一次泵變流量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采只使用變頻水泵不設定速泵，系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，但對空調(diào)主機的性能要求高［15］。

4.3 變頻泵與工頻泵的并聯(lián)系統(tǒng)

很多改造項目采用這種系統(tǒng)時經(jīng)常會發(fā)生大泵流量超出額定流量，小泵流量低于額定流量的現(xiàn)象，結(jié)果變頻泵不能正常運行，系統(tǒng)能耗比全用定速泵時還要大，最終變頻泵只能定速使用，沒有達到系統(tǒng)改造的預期效果。

5 結(jié) 論

綜上所述，在中央空調(diào)水系統(tǒng)的設計中要根據(jù)設計條件合理可選用的空調(diào)主機和變頻水泵，運用變頻控制方式以達到最佳節(jié)能效果。

［1］胡書琴，張九根.變頻節(jié)能技術(shù)在中央空調(diào)水系統(tǒng)中的應用研究［J］.電氣應用，2007，26（9）：128-131.

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［4］陳世民，王偉.變頻技術(shù)在中央空調(diào)系統(tǒng)控制中的應用［J］.安裝，2007（1）：31-33.

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［7］胡雪梅，任艷艷.中央空調(diào)的變頻控制設計及節(jié)能分析［J］.電機與控制應用，2011，38（7）：44-47.

［8］鄒玉東.中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)研究［J］.工程技術(shù)，2009，10（3）：93-94.

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［11］林永進.中央空調(diào)水系統(tǒng)中變頻控制技術(shù)的應用［J］.機電工程，2009，26（9）：108-110.

［12］劉濤.中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能措施探討［J］.制冷與空調(diào)，2008，22（2）：128-131.

［13］姜莉莉.中央空調(diào)水系統(tǒng)控制優(yōu)化設計［J］.科技資訊，2012，20（15）：6-8.

［14］潘金文，汪瓊珍.變頻控制技術(shù)在中央空調(diào)水系統(tǒng)中的應用［J］.工程建設與設計，2003，8（1）：23-25.

［15］賈晶，施敏琪.空調(diào)冷水系統(tǒng)演變與一次泵變流量系統(tǒng)簡介［J］.制冷空調(diào)與電力機械，2007，28（5）：49-52.

Application of frequency control technology in central air conditioning water system

ZH AO Xin

（Department of Civil Engineering ＆Architecture，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001，China）

With the improvement of people's living standards，the use of central air-conditioning system in modern architecture is getting more and more.In fixed speed pump air conditioning water system，circulating water is a constant flow into the air conditioning host.This fixed speed pump has high energy consumption.With the development of inverter technology，frequency control technology has been widely used in central air-conditioning water system.According to working principle of the air conditioning water and variable speed pump and inverter frequency control technology，VVVF control program is used to determine the water system.The control program is divided into planning of air conditioning host to optimize the design of the program and planning of chilled water pumps，and cooling water pump frequency conversion control.The inverter pump control flow can significantly reduce energy consumption.Central air conditioning water system uses three kinds of variable frequency pump control system，according to the different needs of the design details they are secondary pump system，pump variable flow system and frequency conversion pump and general pump parallel system.

frequency control technology；central air conditioning；water system；water pump

TB494

A

10.3969／j.issn.1673-5862.2013.02.029

1673-5862（2013）02-0260-03

2013-03-01。

遼寧省普通高等學校本科重點支持專業(yè)建設項目（2D201225）。

趙 辛（1979-），男，遼寧錦州人，遼寧工業(yè)大學實驗師。