趙 辛

（遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)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(yīng)用

趙 辛

（遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)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(lái)越高。在傳統(tǒng)的中空調(diào)水系統(tǒng)中采用定速泵，進(jìn)入空調(diào)主機(jī)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(yīng)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。控制方案分為空調(diào)主機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、國(guó)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(zhǎng)趨勢(shì)。現(xiàn)階段，我國(guó)建筑使用的中央空調(diào)系統(tǒng)普遍存在能耗過(guò)高的問(wèn)題，每年中央空調(diào)的耗電量接近400億千瓦時(shí)，幾乎占到了所有供電部門(mén)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(yù)備知識(shí)

一般中央空調(diào)系統(tǒng)是根據(jù)冷（熱）滿負(fù)荷運(yùn)行工況進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但實(shí)際上絕大部分時(shí)間空調(diào)系統(tǒng)是在部分負(fù)荷下運(yùn)行（通常在50%負(fù)荷以下的運(yùn)行時(shí)間超過(guò)70%）［2］。空調(diào)主機(jī)有完善的能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在非滿負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，雖然主機(jī)的冷量已按實(shí)際負(fù)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(yùn)行，水泵的能耗并沒(méi)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，從而造成水泵電機(jī)能耗的浪費(fèi)。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(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1.1 中央空調(diào)系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

中央空調(diào)系統(tǒng)由空調(diào)主機(jī)、冷卻塔、冷凍泵、冷卻泵、末端設(shè)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(jìn)行平滑轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備中電機(jī)的變速運(yùn)行，主電路總體通過(guò)控制電路進(jìn)行控制，先通過(guò)整流電路將交流電變換成直流電，再通過(guò)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(guò)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(guò)逐漸提升電機(jī)的輸入頻率來(lái)使電機(jī)的工作電流從零逐漸提高到額定工作電流，避免了電機(jī)直接啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，減少了設(shè)備損耗，在不同工況下通過(guò)變頻器對(duì)設(shè)備進(jìn)行無(wú)級(jí)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(jī)內(nèi)部的節(jié)能方法主要是對(duì)空調(diào)主機(jī)進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2）中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能方法主要是對(duì)冷凍、冷卻水泵采用變頻控制［6］。

空調(diào)主機(jī)內(nèi)部節(jié)能方式一般是對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行變頻控制，實(shí)現(xiàn)了高精度控制使主機(jī)隨室內(nèi)負(fù)荷的變化而變化始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)?？梢詫?shí)現(xiàn)年均節(jié)能30%以上。在低負(fù)荷時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能70%［7］。在采用多機(jī)并聯(lián)制冷方式在非滿負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，開(kāi)機(jī)先運(yùn)行全部壓縮機(jī)，當(dāng)冷凍水出水溫度降至8℃以下后，滿負(fù)荷工作1～1.5h再關(guān)閉部分壓縮機(jī)，剩余壓縮機(jī)變頻運(yùn)行維持制冷量，此時(shí)，冷凍水出水溫度會(huì)在9～12℃波動(dòng)，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(yīng)用的變頻調(diào)速技術(shù)主要是通過(guò)根據(jù)水泵輸送能耗的變化來(lái)改變冷凍（卻）水系統(tǒng)中循環(huán)水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常見(jiàn)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(hào)，此信號(hào)輸入變頻器與原設(shè)定值比較來(lái)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(fù)荷變化通過(guò)變頻控制系統(tǒng)來(lái)控制水泵的轉(zhuǎn)速和流量保證空調(diào)主機(jī)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(shè)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(guò)在泵出口處的閥門(mén)調(diào)節(jié)來(lái)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(yáng)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(yáng)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(dòng)機(jī)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(jī)的極對(duì)數(shù)；S為轉(zhuǎn)差率。

由式（4）可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，只要平滑調(diào)節(jié)電源頻率，就能平滑調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。水泵變頻調(diào)速的原理就是根據(jù)冷（熱）負(fù)荷的變化來(lái)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(dá)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(yīng)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(jiǎn)述幾種變頻泵系統(tǒng)。

4.1 二次泵系統(tǒng)

在多數(shù)設(shè)計(jì)中，空調(diào)主機(jī)要求定流量，而負(fù)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(fù)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(jī)技術(shù)的發(fā)展，在空調(diào)主機(jī)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(shè)定速泵，系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，但對(duì)空調(diào)主機(jī)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(xiàng)目采用這種系統(tǒng)時(shí)經(jīng)常會(huì)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(yùn)行，系統(tǒng)能耗比全用定速泵時(shí)還要大，最終變頻泵只能定速使用，沒(méi)有達(dá)到系統(tǒng)改造的預(yù)期效果。

5 結(jié) 論

綜上所述，在中央空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要根據(jù)設(shè)計(jì)條件合理可選用的空調(diào)主機(jī)和變頻水泵，運(yùn)用變頻控制方式以達(dá)到最佳節(jié)能效果。

［1］胡書(shū)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(yīng)用研究［J］.電氣應(yīng)用，2007，26（9）：128-131.

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［11］林永進(jìn).中央空調(diào)水系統(tǒng)中變頻控制技術(shù)的應(yīng)用［J］.機(jī)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.

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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(xué)校本科重點(diǎn)支持專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（2D201225）。

趙 辛（1979-），男，遼寧錦州人，遼寧工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)師。