变频器中央空调节能控制系统方案

一、引言
    中央空调是大厦里的耗电大户，每年的电费中空调耗电占60% 左右，因此中央空调的节能改造显得尤为重要。

由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留10-20%设计余量，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，存在较大的富余，所以节能的潜力就较大。其中，冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节，存在很大的浪费。

本泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成，因此不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能，而其还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。为了解决这些问题需使水泵随着负载的变化调节水流量并关闭旁通。再因水泵采用的是Y-△起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的3-4倍，一台90%KW的电动机其起动电流将达到500A，在如此大的电流冲击下，接触器、电机的使用寿命大大下降，同时起动时的机械冲击和停泵时水锤现象，容易对机械零件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、备件费用。

二、中央空调系统的工作原理及组成结构

由主机、冷冻水循环系统、冷却水循环部分三大部分组成。

中央空调系统按负载类型可将其分为两大类：

1、恒转矩型负载：如螺杆式或离心式制冷主压缩机系统的压缩机，不仅对轴输出的转矩具有最小值限定的需要，而且其转速与功率的关系也近似表现为线性特性。

2、平方转矩型负载：如冷却循环水系统、冷媒循环水系统（热泵循环水系统）、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的风机、水泵类负载，他们对轴距没有严格的需求，其轴功率与转速具有显著的立方关系特征。不同的负载类型具有不同的转矩、功率关系特性，节能空间各有不同。

2.1制冷压缩机的节能调节原理

以蒸汽压缩式制冷循环为例，中央空调的制冷系统其制冷循环过程如上图所示。就中央空调制冷压缩机而言，压缩机本身已采用改变膨胀阀或扇门的开度调节制冷剂的流量方式，因此一般不建议对制冷压缩机进行节能改造。

2.2风机水泵节能调节原理

由流体力学理论可知，离心式流体传输设备（如离心式水泵、风机等）的输出流量Q与其转速n成正比：输出压力p（扬程）与其速度n的平方成正比；输出功率N与其速度n的三次方成正比，用数学公式可表示为：Q∝n    P∝n2    N ∝n3

由上述原理可知，降低水泵的转速，水泵的输出功率就可以下降更多。改造前我们需要判断系统是否具有节能潜力。由于中央空调系统所具有的特殊性，主要从两个方面来考虑：首先是泵本身的额定流量与扬程指标和运行时实际输出表现；其次是系统对实际供水需求量所要求的温度差，或压力与机组指标之间的偏差大小。以冷冻泵为例，采用实时采集进出水温度数据，通过智能温度控制运算处理，输出4-20mA的模拟信号，决定变频器对泵的调节方向与调节幅度。为了避免出现“断流”现象，泵的转速应限定在一定值以上，这个下限（最低供给扬程和流量）可以通过变频器的输出下限频率来设定，（经验值=35.00Hz）在保证足够的扬程和流量的前提下（避免中央空调系统低压检测或报警动作），建议采用温度控制方式来实现。

三、SVF-EV变频节能系统结构图

3.1冷冻水泵系统的闭环控制（检测进、出水温差）

中央空调系统冷冻循环水的标准进出水温度为：12℃/7℃，额定指标冷凝器标准进出水允许温差为5℃。如进出水温差为2℃，因此从温差现象角度上看，冷冻循环水的实际需求量仅为供给量得2℃/5℃=40%，在变频调速情况下，泵的实际转速只要工作在额定转速的40%就可以满足要求，泵的能耗仅约为额定能耗10%以下，能量的交换不充分原因致使系统的制冷效果变差，因此节能空间非常大。

在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率（一般取25.00Hz），将其设定为下限频率，锁定冷冻水泵的最低工作速度，通过智能温度控制器检测冷冻进出水温度差值，来控制变频器的频率增减，使冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。

3.2制热模式下冷冻水泵系统的闭环控制（检测进水、水温差）

该模式是在中央空调中热泵运行即制热时（秋、冬季），和冷冻水泵系统的控制方案一样，同上。

3.3冷却循环水泵开环控制（检测进出、水温差）

中央空调系统标准冷却循环进出水温差为：4℃-8℃，冷却塔标准进出水温差为：3℃-5℃，用于采暖的热水进出水温度为：50℃/60℃，该部分由冷却泵、冷却水塔、及冷凝器等组成。冷冻水循环系统进行室内热交换的同时，并带走室内大量的热能，能量从主机内的冷媒传递给冷凝器，使冷却水温升高；冷却泵将升温后的冷却水输送至冷却水塔（出水），使之与大气进行能量交换，使冷却降低温度后再送回主机冷凝器（回水）。因此，冷却水循环系统同时受室内外环境温度及室内热负荷两方面影响，循环水管道单侧的水温不能准确反映该系统的热交换量。需在冷却管进出水主管上安装一个温差传感器如上所示，以出水与回水之间的温差作为控制室内温度的依据是合理的节能方式。在外界环境温度不变的情况下，温差大，说明室内热负荷较大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水循环的速度；相应的，温差小则减小冷却泵转速，此种方式将比单侧回水温度节能空间大5-10%左右。

正是因为压力与流量的过剩作用使水流过速、热交换温差偏小，因此可以通过降低热泵循环水的总供应流量来实现向标准温差参考值靠近，从而达到节约能量的目的。因此，在对实际运行工况考察时，不能简单的依据电机运行电流的大小来判断，若只简单的从冷媒循环水系统的电机实际运行电流来看，就会发生没有多少节电空间的错误判断。所以，应根据实际运行工况点数据做依据：如系统设备容量选型、不同季节、不同时间负荷变化等因素的影响，在实际投入运行的中央空调系统基本上没有与标准指标相一致的情况，大多数系统都存在着温差偏小，扬程过高，流量过大等现象，利用变频调速技术，把系统多余的流量、扬程节省下来，使系统工作在耗能最佳工况下（扬程和流量均无多余的状态下），从而达到既满足系统需求又使能耗减至最少。

3.4冷却塔风机控制

冷却塔风机系统的现状分析，原控制方式采用直接启动方式下的工频全速运行。两台冷却塔风机均在全速运行，系统缺少有效的冷却效果监测，没有充分利用自然冷却状态下节约电能的机会，导致冷却塔风机处于两种极端状态；要么全速运转、或人工停止，尤其在春、秋、冬季，由于人工操作不能及时响应冷却塔出水温度的变化而启停风机，造成因操作管理上带来能量的极大浪费。在改造时，对每套冷却塔实施以进水温度35℃为风机起始运行点，以30℃为停止运行点，在35℃-30℃温度区间作为风机频率调节依据，实行温度PID变风量调节。经实际运行测试，在变风量控制方式下的能耗仅为工频启停控制方式的40%左右。况且变风量控制完全规避了人工启停工频运行方式下，因操作无实时性或管理不完善造成的能量浪费。根据大量典型的中央空调系统节能改造案例统计数据表明，在成功的中央空调系统节能改造实现后，其冷却塔风机系统节能率均在40%以上，某些含有大容量冷却塔蓄水池装置的冷却塔系统则可达到50%以上。

四、SVF-EV中央空调节能系统特点

1、变频器界面为双LED显示，监控参数丰富；键盘布局简洁、操作方便。

2、温度/温差传感器为数字双屏LED显示，温度参数设定方便，易于监控。

3、变频器有过流、过载、过压、过热等多种电子保护装置，并且有丰富的故障报警输出功能，可有效保护供水系统的正常运作。

4、加装变频器后，电机具有软启动及无极调速功能，可使水泵和电机的机械磨损大为降低，延长设备寿命。

5、该系统实现了对温度的PID闭环调节，室内温度变化平稳，令舒适度大大提高。

目前，中央空调系统节能结束改造工程项的市场分布不仅广泛，而且数量众多，这为进行节能改造市场化应用和推广奠定基础。根据统计显示，已投入运行的中央空调系统中，至少有70%以上未进行过节能改造，且具有很好的节能空间。将变频技术应用于中央空调系统，对提升中央空调自动化水平、降低能耗、减少对电网的冲击、延长机械及管网的使用寿命，都具有重要意义。

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