中央空调变频节能技术改造综述
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摘要：介绍了中央空调变频技术改造的意义、原理、优点及改造注意事项。
关键词：中央空调 变频节能 节能改造
１\中央空调变频节能改造的意义
中央空调是现代化大厦、宾馆、酒店、商场、车间等场所不可缺少的重要运行设备之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50％。
中央空调系统主要由冷冻机组、冷却水塔、冷却水循环系统、室内风机、冷却塔风机、温度检测、冷冻机组拖动系统、冷冻泵组拖动系统、冷却泵组拖动系统、风机（含室内风机和冷却塔风机）拖动系统组成。在设计空调系统方案时，一般均按现场最大冷量需求（最大工况）来考虑冷冻机组的选型，其冷却泵组、冷冻泵组和风机也是按最大工况来考虑的，它们的拖动系统均不能调速，为普通电气控制系统，只要运行即工作在额定工况状态下，但实际使用中，许多时间（如每天早晚和夜间及阴雨天气等）它们都工作在非满载状态（即大马拉小车），能源浪费较大；而且为达到恒温控制而采用阀门、电动阀，这不但增大了系统的管网阻力和节流损失，还由于对空调本身的调节是阶段性的，减少损失的能力很有限，也使整个空调系统工作在波动状态，使得中央空调系统总体效率较低，温度调节精度不高，寿命有所下降，加之由于一些控制上的缺陷，使中央空调系统在带来良好的内部环境的同时，也带来了巨大的能源消耗。
２ 中央空调变频节能改造原理及方案
2.1 变频节能基本原理
由流体力学可知，Ｐ(功率)＝Ｑ（流量）×Ｈ（压力），因流量Ｑ与转速ｎ的一次方成正比，压力Ｈ与转速ｎ的平方成正比，故功率Ｐ与转速ｎ的立方成正比。如果效率一定，当要求调节流量下降时，转速ｎ可成比例的下降，而此时，轴输出功率Ｐ成立方关系下降，即电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。根据上述原理可知：改变水泵、风机、压缩机的频率（转速）就可改变水泵、风机、压缩机的功率，从而达到节能的效果。表１中列出了风机、泵类负载应用变频器后，在不同转速、流量、轴功率（额定值的相对百分数）在某频率值时的节能率。
2.2变频节能改造主体方案
目前，许多厂家生产的冷冻机组均已在控制系统中对制冷机冷冻水的出水温度实现了数字ＰＩＤ调节控制，达到冷冻水恒温输出，因此对冷冻泵、冷却泵和风机的变频节能改造，主要是通过对冷冻水系统、冷却水系统和风机的进水（口）和出水（口）的温度差检测并变送成标准电信号反馈至ＰＬＣ和变频器，经ＰＩＤ调节，输出相应频率而改变电机转速，
以达到节约能源的目的。
一般来讲，对应1台制冷机组的冷冻水循环系统和冷却水循环系统都由若干台水泵组成1组，变频改造时如资金充足，对应每台泵均采用变频调速（备用泵除外）由ＰＬＣ程序控制，调整各台泵为最佳转速，实现恒温差控制，此方案节能效果最好。其次可采用单台泵变频，其余工频运行由ＰＬＣ控制，当变频泵频率上升至上限值时（通常小于50Ｈｚ，如设定48Ｈｚ），工频依次启动其他泵，当频率下降至下限值时（通常不低于25Ｈｚ），工频依次停止其他泵，变频泵可任意设定，此方案设备投资较少，但是节能效果也比全变频方案稍差；而风机变频控制主要是一对一形式，重点改造大功率空调风机，小房间空调风机功率较小，暂不考虑加装变频器，节能效果不明显，仍保持原有恒温控制方式，即控制冷冻水流量的方式。而对于冷却风机，一般宜采用开环变频调节，即无温度反馈，由中控室在不同情况设定不同频率。
３ 中央空调变频节能改造的优点
1）由于增加了变频调速器及自动控制系统，使得泵和风机实现无级调速，始终工作在最佳工作状态，既满足空调正常工作需要，又尽可能保持最低功率，因此提高了工作效率，降低了能耗，节电明显，平均在40％左右，最高可达50％。
2）由于泵和风机都实现了平滑软启动、软停止，从而大大减少了启动冲击电流和机械负载及管道的冲击，从而降低了设备的故障率，减少了噪声，延长了设备的使用寿命。
3）由于实现了数字ＰＩＤ调节和ＰＬＣ程序自动化控制，使得温度调节平稳，提高了空调控制精度和质量，保证了空调最佳工作状态，从而使人们享受更舒适的工作、生活环境。
4）由于变频器和ＰＬＣ本身的功能特点使得设备具有更完善的保护功能、程序优化控制功能和报警功能，操作简单，安装使用方便，可实现由中控室远程控制、显示和操作，现场可以无人值守，起到减员增效的作用。
４ 中央空调系统改造时的注意事项
1）由于是变频节能技术改造，所以要保留原空调系统工频手动电气控制部分，在设计方案中要保证变频自动节能系统与工频手动时一样满足制冷机组启动、停止和工作中对整个系统的联动控制要求，并且变频节能控制柜与原工频手动控制柜之间要设置硬件（最好软件也设置）联锁，手动与自动能相互切换，以确保整个空调系统工作安全、可靠。
2）冷冻水和冷却水系统管网在变频节能改造中要考虑水泵的转速与扬程和管损同为正比的关系，在水泵的扬程随转速的降低而降低的同时，管道损失也在降低；因此，系统对水泵扬程的实际需求一样要降低，而通过设定变频器下限频率即可保证系统对水泵扬程的最低要求，一般设为30Ｈｚ，最低不小于25Ｈｚ。
3）由于制冷机组在正常工作时要求冷水出口流量必须大于额定流量的50％，故在冷冻水出口管网应加装流量计或流量开关，并将采集的信号传输至ＰＬＣ，以便在程序编制中保证冷冻水循环泵的总流量不低于冷冻机组要求的50％额定流量。
4）由于循环水系统管网是封闭的，与加压供水不同，水几乎不消耗，尤其是冷冻水系统由冷冻泵、各楼层风机盘管及冷冻机组等构成一个封闭的循环水管网，水流是连续的，全扬程近似为零。循环水泵的主要作用是使循环水按一定流量流动，这样水泵出口与进口之间，要有压差ΔＰ，它是与流量成正比的，即ΔＰ＝ＱＲ，其中Ｒ为水网管阻，而流量是与转速成正比的。而通过变频调速，实现恒压差运行时，ΔＰ恒定，根据功率
Ｐ＝ΔＰ×ｎ，
则有
Ｐ＝ｋ×ｎ，
式中：ｋ为比例常数，ｎ为转速。这就表明水泵功率Ｐ只与流量或转速的一次方成正比，故其节能效果与供水系统相比减小许多，此外恒压差控制方式并未将环境温度变化的因素考虑进去，而房间温度将随环境温度变化而变化，显然，该控制方式不太合理。另一种选择应该以冷冻机的回水与出水温差作为控制参量，通过变频调速，实现恒温差运行，当温差大时，应加大冷冻水流量，温差小应减小流量，从而保持房间温度相对稳定，此时，由于ΔＰ不恒定，则有
Ｐ＝Ｑ２ Ｒ，
即
Ｐ＝ｎ２ Ｒ，
也就是说水泵功率Ｐ是和转速的平方成正比的，故恒温差控制方式节能效果要比恒压差控制方式好，但仍低于供水系统节能效果。而最为合理的方式应该是将压差与温差信号都采集出来，送至ＰＬＣ综合分析、处理，既保证使用温度，又满足工作压力，从而达到最佳节能效果。
5）当对风机进行变频控制时，由于风机转速低于额定转速的40％～50％时，其效率将明显下降，风量和风压较小，失去实际工作意义，因此，通常不低于50％，一般调速范围在70％～100％为宜，此外还应避开可能引起机械谐振的转速范围。
５ 结语
中国在变频技术的应用方面，与发达国家的先进水平尚有很大差距。目前，中国在用的交流电动机使用变频调速运行的仅6％左右，而工业发达国家已达60％ ～70％；日本在风机、水泵上变频调速的采用率已达10％，在空调器变频调速方面已达70％。中国的能源很紧缺，因此，有必要大力发展变频调速技术。通过变频技术来改造传统产业、节约能源、提高产品质量，可以获得较好的经济效益和社会效益；同时缩小与国外技术的差距，提高自主开发的能力，满足国民经济重点工程的需要。