變頻節(jié)能技術在中央空調中的應用
隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展、電力供應日趨緊張。中央空調以電能為動力，為人們提供了舒適的生活和工作環(huán)境，高層樓宇的中央空調是用電大戶，幾乎占了建筑物耗電量的60%；對于商場和綜合大樓則高達70%以上，日常開支費用很大。在歐美等一些發(fā)達國家中，空調耗電量甚至占了其城市總用電量的30%以上。因此節(jié)能已成為各行業(yè)的重要議題。隨著空調的應用和普及，中央空調節(jié)能已顯得越來越重要。節(jié)能已成為中央空調系統(tǒng)設計開發(fā)中亟待解決的問題。
1.現(xiàn)有中央空調系統(tǒng)的缺點
中央空調系統(tǒng)是由一連串的流體機械和熱交換器組合而成的。它主要由制冷系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風機盤管系統(tǒng)和冷卻水塔系統(tǒng)五部分組成。
現(xiàn)有中央空調系統(tǒng)的缺點：
（1）空調負荷要求的不均勻性。在中央空調設計時為保證在大氣溫度最高的情況下能滿足使用要求，所以按滿負荷計算并有一定的富裕量，而日常使用時由于氣象條件、人員數(shù)量、工作時間、活動內容的變化所需負荷是不斷變化的，往往達不到最大值。冷卻水泵的配置是按夏季的最大流量配置，必然存在大馬拉小車的問題，水泵的流量不能隨制冷主機而調節(jié)，必然存在很大的能量浪費。
（2）系統(tǒng)通過節(jié)流閥或調節(jié)閥來調節(jié)流量、壓力，存在較大節(jié)流損失和大流量小溫差的現(xiàn)象。不僅浪費大量電能，而且還可能造成空調運行大幅度偏離額定設計的情形，對系統(tǒng)設備帶來不利的影響。
（3）冷凍水循環(huán)系統(tǒng)能耗過大根據(jù)泵的流量計算公式，冷凍水的流量與冷凍水泵的轉速成正比，當冷凍水泵轉速高時，冷凍水的流量大，流速快。當冷凍水流過風機盤管機組時，還沒來得及將所帶的冷量全部釋放完，就已返回制冷機去了，造成冷凍水泵輸送和空調主機冷卻能量的過度損耗。
2.變頻節(jié)能技術的分析
目前，變頻調速技術是逐漸被人們重視并正在制冷空調系統(tǒng)中得到迅速發(fā)展和應用的一項節(jié)能技術，變頻調速技術可有效改良空調系統(tǒng)的不足，提高系統(tǒng)效率，降低設備能耗。通常，變頻調速技術主要是通過改變電機的轉速來改變設備工作狀態(tài)，電動機的轉速n正比于電源的頻值；泵的水流量Q正比于電動機的轉速n的一次方；外界的溫度差△T反比于電動機的轉速n的一次方；泵的轉矩T正比于電動機的轉速n的二次方；電動機的轉軸功率P正比于電動機的轉速n的三次方。水泵電機的容量是按照最大熱交換量的情況設計，一般冷凍水設計溫差為 5℃～7℃，冷卻水設計溫差為 4℃～6℃，在流量穩(wěn)定情況下，中央空調系統(tǒng)絕大部分時間是在部分負荷下運行的，在全年絕大部分運行時間里一般中央空調水系統(tǒng)的供回水溫差僅為 1℃～3℃，實際熱交換量遠小于設計值。而熱交換量的大小取決于水的流量，水的流量又取決于水泵的轉速。若水泵電機的轉速能根據(jù)熱負荷來調整，當熱負荷減小時，電機的轉速也相應地降低，電機的耗電量就會大幅度下降，則電機的功耗將明顯減少，從而達到節(jié)電目的。
在中央空調冷卻水系統(tǒng)中，降低冷卻水溫度可以提高制冷系數(shù)，降低單位制冷量的能耗。冷卻水溫調控的目的是在滿足負荷的要求下，使冷卻水溫度盡可能低，同時不增加冷卻塔電機的功耗。而冷卻塔所提供的冷卻水除了與冷卻塔性能有關外，還與環(huán)境工況、風扇電機及水泵電機的轉速有關。因此，當環(huán)境工況有利于降低冷卻水溫度時，可以通過對冷卻塔風扇及水泵電機的轉速控制來達到節(jié)能的目的。當冷凍水的流速減慢后，單位時間內在蒸發(fā)器中交換的熱量也會減小，為保證出口溫度不變，壓縮機必須卸載。在蒸發(fā)器壓力（溫度）確定之后，壓縮機功耗就與冷凝壓力（溫度）的高低成正比，增大冷卻水流量有利于降低壓縮機功耗，但冷卻水泵功耗也會上升，因而應使冷卻水流量控制在總成本最低點上。采用交流變頻調速技術后，由于電機可在很寬的范圍內平滑調速，可將所有節(jié)流閥開至最大，使管道暢通，節(jié)流損失最小。通過改變電機轉速來改變冷卻水、冷凍水的流速，使其在滿足制冷機正常工作以及達到平衡熱負荷所需冷量的要求下，使冷卻水、冷凍水在冷卻塔及風機盤管中充分釋放與熱負荷大小相當?shù)睦淞?，提高換熱效果。
在中央空調系統(tǒng)中，冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和冷卻水塔風機分別采用變頻調速控制都可以取得顯著節(jié)能效果。在中央空調系統(tǒng)中，往往有多臺冷凍水泵和冷卻水泵分別構成管路并聯(lián)的冷凍水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。在此類系統(tǒng)中，只需在冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)中分別采用1臺變頻調速器，分別使用1臺PLC控制器和切換控制器對一組冷凍泵電機和冷卻泵電機進行切換控制，使兩個系統(tǒng)均有1臺泵處于可調節(jié)狀態(tài)，當熱負荷較小時只需1臺電機工作在低于工頻狀態(tài)就能滿足要求，根據(jù)設計者的意愿，可通過 PLC 控制器和切換控制器使任1臺電機工作在變頻狀態(tài)，運行頻率可根據(jù)實際負荷的大小由變頻器自行調定。當熱負荷增大，開1臺電機不夠，而開兩臺電機又有余時，通過參數(shù)反饋控制給PLC 控制器發(fā)出起動另1臺電機的指令，PLC控制器和切換控制器會自動地將原來工作在變頻狀態(tài)的電機的頻率從運行頻率提高至工頻50Hz，然后將它從變頻器上切除并直接掛接到工頻電源上，再將第二臺電機連接到變頻器上，使第二臺電機實現(xiàn)平滑軟起動，運行頻率根據(jù)實際負荷需要由變頻器調定。當熱負荷進一步增大，上述切換控制過程不斷重復，直至所有電機全部投入。水系統(tǒng)能提供的最大容量是全部電機均工作在工頻滿負荷狀態(tài)。利用PLC控制器對變頻器進行切換控制，可取得最佳的節(jié)能效果，而且，減少了與傳統(tǒng)控制器相比的大量中間繼電器，提高了系統(tǒng)運行的可靠性，達到最少投資和最大回報的效果。
3.結論
（1）從以上分析可知采用變頻技術的中央空調水系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。節(jié)約能源：采用先進的控制技術、控制參數(shù)合理地反映系統(tǒng)負荷情況，使空調系統(tǒng)適應負荷變化，節(jié)能率一般在 45% 左右，甚至更高。
（2）水泵具有軟啟動和軟停止功能。切換平滑，沖擊電流小，提高了設備的使用壽命。
（3）較多臺泵并聯(lián)運行，可以實現(xiàn)一機多泵控制，減少水泵投入臺數(shù)，便于用戶系統(tǒng)擴展；同時可實現(xiàn)對制冷機的自動控制，水泵運行、啟停均由程序控制，便于管理。
（4）變頻系統(tǒng)一般具備標準接口，可以與上位機連接，便于實現(xiàn)樓宇的集中控制。
（5）可實現(xiàn)快速冷暖，溫度控制精度高，具有較好的舒適感。
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