中央空調變頻節能系統可行性分析

吳清

【摘 要】針對我段現有中央空調，耗電大、噪音高，對其進行變頻節能改造，以達到節能、降耗、降低噪音的效果。

【關鍵詞】中央空調;變頻節能;頻率;冷水泵

一、前言

能源是人類生存，社會發展的必要物質基礎。20世紀以來，世界能源消耗的增加速度，遠遠超過了人口增長速度，這是現代工業和科學高速發展的結果。能源問題已經到了相當嚴峻的地步，節約能源勢在必行。節約方法的開展和應用已引起人們的高度重視。節能產品的開發、利用及推行也在全球形成熱潮，在發達國家已是比較成熟的一個產業?；谝陨现笇枷?，廣泛收集有關資料，決定對我段中央空調進行變頻節能改造。據統計，中央空調的用電量占各類大型建筑總用電量的60%以上，其中，僅水泵的耗電量約占到空調系統耗電量的20%～40%，存在巨大的能源浪費，而世界正在提倡節能減排，因此采用新技術降低系統能耗和減輕空調系統向外界所釋放的能量就成為當務之急。

在傳統的設計中，中央空調的制冷/制熱機組、冷凍水/冷溫水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機的容量基本是按照建筑物最大制冷/制熱負荷的需求來選定的，且留有充足余量。無論季節、晝夜和用戶負荷的怎樣變化，各電機都長期固定在工頻狀態下全速運行，雖然可滿足最大的用戶負荷，但不具備隨用戶負荷動態調節系統功率的特性，而在大多數時間里，用戶負荷是較低的，這樣就造成很大的能源浪費。近年來節能降耗被國家擺到空前重要的位置。而國家供電緊張形勢依然沒有根本緩解，電價不斷上調，造成中央空調系統運行費用上升，因此如何控制空調系統的電能費用己經成為越來越多的中央空調系統經營管理者所關注的題。

因此采用變頻調速技術節約低負荷時主機系統和水泵、風機系統的電能消耗，還對空調系統所釋放的能量進行回收利用，具有極其重要的經濟和社會意義，尋找一種節能效果明顯，性能穩定可靠的控制系統成為當務之急，因而中央空調的節能改造便成必然。

1.國內外的現狀及發展趨勢

1.（1）在國內外的現狀

中央空調在正常運行時，需要根據室內外的工作環境溫度、使用空調的空間大小和設定的溫度、冷卻水溫度的變化量等變量的變化，不斷調整自身的運行狀況，從而實現既能保證空調的舒適性又能盡量降低能耗的雙重目標。故此，中央空調的控制系統對于一個空調的性能起了至關重要的作用。

大部分中央空調的冷水機組基本都是由人工設定的鐘控裝置控制，系統定時啟動和定時關閉，每天長時間全開或者全關，輪流運行，這樣對電網頻繁的沖擊，不僅恒溫效果不佳，讓人感到不舒適，同時也浪費了大量的電能，工程設計人員進行空調系統節能控制方面的研究，在目前應用的系統中往往偏重于設備的運行控制管理辦法，具體的控制方法上，基本采用PID控制，具有一定的魯棒性，因為得到了廣泛的應用。

1.（2）國內外的發展趨勢

變頻節能空調近幾年來成為我國空調市場上的新寵，擁有變頻調速系統的中央空調能夠通過溫度反饋改變電機的轉速使制冷量和環境達到一個平衡，具有更節能、更舒適、更環保的特點。

據統計，我國電動機裝機總容量約4億多KW，其用電量占當年全國發電量的60%～70%，而風機、水泵設備裝機總功率達1.6億KW，年耗電量3200KW·h，約占當年全國電力消耗總量的1/3。而應用變頻器節電率一般在20%～60%，投資回收期1～3年，經濟效益相當可觀。所以大力推廣應用變頻調速技術不僅是當前推進企業節能降耗、提高產品質量重要手段，而且也是實現經濟增長方式轉變的必然要求。

二、中央空調系統的構成

中央空調系統主要由以下幾個部分組成：

（1） 冷凍機組。是中央空調的“制冷源”，通往各個房間的循環水由冷凍機組進行“內部熱交換”，降溫為“冷凍水”。

冷凍水循環系統：由冷凍泵及冷凍水管道。從冷凍機組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在各房間內進行熱交換，帶走房間內的熱量，使房間內的溫度下降。

（2） 冷卻水塔。用于為冷凍機組提供“冷卻水”。

冷卻水循環系統：由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍機組進行熱交換，使水溫冷卻的同時，必將釋放大量的熱量。該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進行熱交換，然后再將降了溫冷卻水，送回到冷凍機組。如此不斷循環，帶走了冷凍機組釋放熱量。

（3） 冷卻風機。有兩種情況：

1 室內風機：用于將由冷凍水冷卻了的冷空氣吹入房間，加速房間內的熱交換。

2 冷卻塔風機：用于降低冷卻塔中的水溫，加速將冷卻水帶回的熱量散發到大氣中去。

（4） 溫度檢測。使用熱電阻。

由此看出，中央空調系統的工作過程是一個不斷地進行熱交換的能量轉換過程。冷凍水和冷卻水循環系統是能量的主要傳遞者。因此，對冷凍水和冷卻水循環系統的控制是中央空調控制系統節能的重要組成部分。

三、節能控制系統可行性分析

中央空調系統的冷凍泵配置是按設計工況的最大值來考慮的，并留有相當的余量。但在相當一部分時間內，中央空調系統的冷凍泵只是部分負荷運行，并非是每天24小時都是滿負荷運行，從能耗上來說，具有很大的節能空間。行之有效的辦法是通過變頻器調節冷凍泵驅動電機的轉速而達到節能目的，在確保整個系統正常工作情況下，盡可能降低電機轉速，即電機盡可能在最低允許電流下低速運轉。

四、節能控制方案

中央空調冷凍泵節能控制系統構成：1 溫差傳感器。2 PID調節器。3 前置放大器。4 運動操作箱。5 變頻器。

中央空調系統冷凍泵進出口安裝溫差傳感器，隨時檢測冷凍泵進出口水的溫度差，然后將檢測到信號輸送給PID調節器，PID調節器將信號輸送給前置放大器，前置放大器經過運動操作箱向變頻調速器輸出控制信號，由變頻器調整冷凍泵電機轉速。當系統實際負荷增加時，冷凍泵進、出口水溫差減小，通過變頻器調整加大電機轉速。反之，溫差增大時，則降低頻率，減慢電機轉速。

變頻器的調速范圍和冷凍水溫差設計范圍是由冷凍機決定的，所以應根據實際情況設定系統工作最高頻率和最低頻率，變頻器設計工作范圍是30～60Hz，冷凍水溫差設計為5～7攝示度。

五、取得效果

1 節能。

由水泵電機的軸功率與電機轉速的三次方成正比，可知，如水泵電機額定功率為30KW，通過變頻控制電機供電頻率從50Hz降至40Hz時，可節電50%左右，即水泵電機在這種情況以15KW的功率運行，一小時就可節約電15KW。一年按使用8個月計算，一年就可節約電86400KW。如果使用時電機供電頻率再低，節約的電能就更多。

2 減少對電網的沖擊。

由變頻器控制的水泵電機起動時電機從0Hz開始拖動，實行帶載軟起動。從而避免了沖擊電流的產生，減少電能的消耗。

3 改善了運行的條件，延長電機的使用壽命，降低了噪音。

綜上所述，本課題的研究意義在于：

1.通過對中央空調系統的節能措施的研究，可以避免不合理的低效用能，降低了空調系統的能耗，提高了能源的利用率，對于解決當前電力供需矛盾，提高電網的負荷率和發電設備及輸電設施利用率，保證電力系統安全運行。減小國家的電力投資等也具有重要的意義。

2.對中央空調系統中的冷卻水實施回收利用，將其輸入到集中供應的衛生熱水系統中，利用有源熱泵機組提升水溫，增設動態管理的儲熱循環裝置，降低了中央空調系統向外界釋放的熱量，整個系統既可以節能，也減少了對環境的污染。

經市場調查與了解采用成熟的變頻器來實現，以便達到節能和延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。這是因為變頻器能根據冷凍水泵和冷卻水泵負載變化隨之調整水泵電機的轉速，在滿足中央空調系統正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵作出相應調節，以達到節能目的

（作者單位：合肥機務段物資設備科）