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張清林，孫前程，段 力
1 前言
據有關資料統(tǒng)計，我國現(xiàn)有電動機裝機總容量約4億多千瓦，其用電量占當年全國發(fā)電量的60%～70%，而風機、水泵設備裝機總功率達1.6億千瓦，年耗電量3 200kWh，約占當年全國電力消耗總量的1/3。而應用變頻器節(jié)電率一般在20%～60%，投資回收期1～2年，企業(yè)和社會經濟效益相當可觀。所以，大力推廣應用變頻調速技術不僅是當前推進企業(yè)節(jié)能降耗、提高產品質量的重要手段，而且也是實現(xiàn)經濟增長方式轉變和我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必然要求。
基于中央空調系統(tǒng)選型配備時，其冷凍泵和冷卻泵的容量均按最大負荷選定，且留有余量的原則，泵組在大部分時間處于低溫差、大流量的運行狀態(tài)，造成整個系統(tǒng)的能源利用率降低，浪費了大量能源。同時，設備長期高速運轉，大大縮短了使用壽命，增加了維護費用。
隨著技術的日益成熟和產業(yè)化發(fā)展,變頻調速技術在中央空調系統(tǒng)的應用已十分普遍。為了節(jié)能降耗、提高經濟效益，依據國家集中式空調系統(tǒng)經濟運行的標準，采用變頻調速技術對中央空調系統(tǒng)進行節(jié)能控制改造，具有很大的現(xiàn)實意義。本文就變頻調速技術、節(jié)能原理以及在中央空調系統(tǒng)的應用進行闡述，并通過筆者利用變頻調速技術對煙臺金海灣酒店中央空調系統(tǒng)的改造實例，說明其節(jié)能效果。
2 變頻調速技術實現(xiàn)節(jié)能的原理
在工農業(yè)生產和人們的日常生活中，經常需要對一些物理量進行控制，如空調系統(tǒng)的溫度、供水系統(tǒng)的水壓、通風系統(tǒng)的風量等，這些系統(tǒng)絕大多數是用交流電機驅動的。以前由于電機的轉速無法方便調節(jié)，為了達到對上述物理量的控制，人們只好采用一些簡單的方法，如用擋板調節(jié)風量，用閥門來調節(jié)流量壓力等，致使這些系統(tǒng)不僅達不到很好的調節(jié)效果，而且大量的電能被擋板和閥門白白浪費。據統(tǒng)計，我國目前使用的風機、水泵大約有25%的能量是無謂消耗。因此，原國家經貿委于1994年下發(fā)了763號文件《關于加強風機、水泵節(jié)能改造的意見》，鼓勵支持變頻節(jié)能技術在各行各業(yè)推廣使用。另外，根據交流電機的特性，要實現(xiàn)連續(xù)平滑的速度調節(jié)，最佳的方法就是采用變頻調速器，變頻器是將標準的交流電轉成頻率、電壓可變的交流電，供給電機并能對電機轉速進行調節(jié)的裝置。采用變頻器進行風機、水泵的節(jié)能改造，不僅避免了由于采用擋板或閥門造成的電能浪費，而且還會極大提高控制和調節(jié)的精度，從而方便地實現(xiàn)恒溫空調系統(tǒng)和恒壓供水系統(tǒng)。
3 中央空調系統(tǒng)控制原理
大中型中央空調由制冷、制熱站，空調水管網系統(tǒng)和空調末端裝置（空調機組，風機盤管和新風機組等）三部分組成。
工作原理：采用設備中的風扇使室內空氣循環(huán)，并通過設備中的冷、溫水盤管來冷卻和加熱，以達到空調的目的。盤管中的冷、溫水由機房中的制冷設備和鍋爐提供。
該系統(tǒng)的缺點是：設備配置較大、風機噪音大。當環(huán)境溫度變化或冷、熱負荷變化時，只能通過增減冷、溫水循環(huán)數量或使用擋風板的方法來調節(jié)室內溫度，既耗費能源又造成環(huán)境溫度波動。
中央空調系統(tǒng)的外部熱交換由兩個循環(huán)水系統(tǒng)來完成。循環(huán)水系統(tǒng)的回水與進（出）水溫度之差，反映了需要進行熱交換的熱量。因此，根據回收與進（出）水溫度之差來控制循環(huán)水的流動速度，從而控制了熱交換的速度，是比較合理的控制方法。分述如下：
(1) 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的控制
由于冷水的出水溫度是冷凍機組“冷凍”的結果，常常是比較穩(wěn)定的。因此，單是回水溫度的高低就足以反映房間內的溫度。所以，冷凍泵變頻調速系統(tǒng)，可以簡單地根據回水溫度進行如下控制：回水溫度高，說明房間溫度高，應提高冷凍泵的循環(huán)速度，降低溫度。反之亦然。總之，對于冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，控制依據是回水溫度，即通過變頻調速，實現(xiàn)回水的恒溫控制。
(2) 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制
由于冷卻塔的水溫是隨環(huán)境溫度而變化的，其單測水溫不能準確地反映冷凍機組內產生熱量的多少。所以，對于冷卻泵，以進水和回水間的溫差作為控制依據，實現(xiàn)進水和回水間的恒溫差控制是比較合理的。溫差大，說明冷凍機組產生的熱量大，應提高冷卻泵的轉速，增大冷卻水的循環(huán)速度；溫差小，說明冷凍機組產生的熱量小，可以降低冷卻泵的轉速，減緩冷卻水的循環(huán)速度。
4 中央空調末端送風的變頻控制
隨著生活水平的提高，人們已開始關注生活與工作環(huán)境的舒適性。大型公共建筑均設置有中央空調系統(tǒng)。而大多數中央空調的運行，絕大部分末端機采用開/關控制方式，難以滿足人們對舒適感的要求。變頻技術的飛速發(fā)展，成本的進一步下降，使得滿足舒適感要求成為現(xiàn)實。
(1) 調節(jié)風量
在中央空調系統(tǒng)中，冷、暖的輸送介質通常是水，在末端將與熱交換器充分接觸的清潔空氣由風機直接送入室內，從而達到調節(jié)室溫的目的。
在輸送介質（水）溫度恒定的情況下，改變送風量可以改變帶入室內的制冷（熱）量，從而較方便地調節(jié)室內溫度。這樣，便可以根據自己的要求來設定需要的室溫。調整風機的轉速可以控制送風量。使用變頻器對風機實現(xiàn)無級變速，在變頻的同時，輸入端的電壓亦隨之改變，從而節(jié)約了能源，降低了系統(tǒng)噪音，其經濟性和舒適性是不言而喻的。
(2) 控制方式的確立
① 在室內適當的位置，安裝手動調節(jié)控制終端，調速電位器VR和運行開關KK置于控制終端盒內，變頻器的集中供電由空氣開關控制，需要送電時在配電控制室直接操作。調整頻率設定電位器VR，可以改變變頻器的輸出頻率，從而控制風機的送風量，關閉時斷開KK即可，此方式成本低廉，隨意性強。
② 當室外溫度變化，或者冷/暖輸送介質溫度發(fā)生改變時，可能造成室溫隨之改變，對環(huán)境舒適要求較高的消費群體，可以采用自動恒溫運行方式。
選擇內置PID軟件模塊的變頻器。控制終端的方式與手動方式相同。電位器用來設定溫度（而不是調整頻率）。變頻器通過采集來自反饋端VPF/IPF的溫度測量值，與給定值作比較，送入PID模塊運算時自動改變U、V、W端子的輸出頻率，調整送風量，達到自動恒溫運行。
③ 送風機的分布可能不是均勻的，對于稍大的室內空間，則可以采用“區(qū)域溫度平均法”策略調節(jié)送風量，以滿足特殊需要量場所。
④ 為降低成本，個別的變頻器可能沒有內置PID軟件模塊，可選用外加PID調節(jié)器即可。
(3) 應注意的幾個問題
① 共振（動）：選擇末端送風機時，應考慮測試其在全轉速范圍的共振轉速點并應避免電機工作于這樣的轉速區(qū)。通過設定變頻器的回避頻率及其寬度值，則可以避免電機運行于該轉速區(qū)域。
② 頻率限制：電機轉速較低時，散熱效果較差；轉速過大，會引起因風速過高而造成的不適當狀態(tài)。制冷時，可能因風速過大，致使冷凝水不能被吸水盤完全接收，造成外漏。應選擇適宜的上、下限頻率，下限頻率以不小于15Hz為宜，上限頻率不要超過60Hz，根據最大風速確定。
③ 載波頻率：將變頻器的載波頻率適當提高，則可以降低電機運行噪音，提高環(huán)境質量。多機并聯(lián)運行時，若電機距離變頻器較遠，則需調整載波頻率，以避免引起電機電流振蕩。
④ 安裝：變頻器應裝于末端機的“隔離室”內，除保證良好的散熱外，還應讓其不置身于潮濕環(huán)境下，亦需考慮中央空調在制冷或制熱時末端機自身的溫度影響。
⑤ 節(jié)能：風機屬于平方轉矩負載，應用時，選擇風機、泵類專用變頻器（亦稱為節(jié)能型變頻器）較好，并將其轉矩曲線（V/F）設定為“平方轉矩”，這樣可以達到較好的節(jié)能效果。
5 應用實例
煙臺金海灣酒店中央空調機組由主機四臺（其中3#、4#為美國“凱利”機組，制冷量為150萬大卡/時）、冷媒泵三臺（開一臺37kW，兩臺45kW備用）、冷卻泵三臺（一用兩備，均是55kW）、兩臺冷卻塔冷卻風機（11kW）組成。
主機主要運行一臺3#或4#機，冷媒泵運行2#機（37kW）。冷卻泵運行一臺55kW，冷卻風機運行兩臺，均是11kW。
主機運行工況由本身自動調節(jié)。冷卻泵及冷卻風機不論環(huán)境溫度如何，均全速50Hz運行。冷卻泵進出閥門全開，流量不調節(jié)，大流量運行，溫差為2℃左右。大流量小溫差運行狀態(tài)造成水泵電能大量浪費。冷媒泵也是全速50Hz運行，由閥門控制分水器和集水器上的連通管，以調節(jié)管路壓力，致使部分冷媒水未進入系統(tǒng)循環(huán)，造成電能的浪費。金海灣酒店的中央空調機組是按當地極端環(huán)境條件設計的，并留有富裕量。煙臺地區(qū)每年出現(xiàn)最大冷熱天氣狀況時間僅為5～7天，因此，機組大多數時間都處在遠遠低于設計負荷狀況下運行，造成整個系統(tǒng)的能源利用率降低，浪費大量能源。同時，設備長期處于高速運行狀態(tài)，縮短使用壽命，增加維護費用。
針對上述能量的浪費，筆者于2003年8月對該機組進行了節(jié)能改造。經過一個月的運行測試統(tǒng)計，節(jié)約電能平均達到53.6%，節(jié)水平均達到67%，同時降低了運行噪音，提高了機組效率和設備使用壽命，節(jié)能效果十分顯著（見表1、表2）。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號