中央空调循环水改造方案
变频器在中央空调中的应用方案
一、前言
随着经济的发展，人们生活水平的提高，大家对自己的工作，生活环境也越来越重视，现在兴建的高档商住楼，宾馆，大型商场在基建时都是采用了中央空调系统。该系统在设计时是按照最热天气，最大负荷来设计，通常还留有10－15%的设计余量。该系统在整幢建筑里可以说是耗电大户，电能耗费一般在50%-60%，所占比重很大。但在实际工作过程中，大部分时间该系统都不是需要满负荷工作，有着较大的富裕空间，因此有必要对旧有系统进行节能降耗改造。
利用变频器通过对中央空调的末端空调风机箱、冷冻水/ 冷却水水泵、冷却塔风机、甚至主机驱动电机转速等进行控制调节，从而使空调各子系统风量、水流量等负荷工况参数按负荷情况得到适时调节，不但能改善系统的调节品质，达到阀门、风门调节/ 回流调节、变极调速等落后调节方式所不能相比的调节性能，改善空调的舒适性；还能节省大量电能。
二、中央空调循节能改造的必要性
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。
中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，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。
水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，而且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90KW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垂现象，容易对机械散件、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。
综上，为了节约能源和费用，需对水泵系统进行改造，经市场调查与了解采用成熟的变频器来实现，以便达到节能和延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。
这是因为变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整水泵电机的转速，在满足中央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵和冷却水泵作出相应调节，以达到节能目的。水泵电机转速下降，电机从电网吸收的电能就会大大减少。
其减少的功耗△P=P0〔1-(N1/N0)3〕（1）式
减少的流量△Q=Q0〔1-(N1/N0)〕（2）式
其中N1为改变后的转速，N0为电机原来的转速，P0为原电机转速下的电机消耗功率，Q0为原电机转速下所产生的水泵流量。
由上式可以看出流量的减少与转速减少的一次方成正比，但功耗的减少却与转速减少的三次方成正比。
如：假设原流量为100个单位，耗能也为100个单位，如果转速降低10个单位，由（2）式△Q=Q0〔1-(N1/N0)〕=100 x〔1-(90/100)〕=10可得出流量改变了10个单位，但功耗由（1）式△P=P0[1-(N1/N0)3]=100 x〔1-(90/100)3〕=27.1可以得出，功率将减少27.1个单位，即比原来减少27.1%。
再因变频器是软启动方式，采用变频器控制电机后，电机在起动时及运转过程中均无冲击电流，而冲击电流是影响接触器、电机使用寿命最主要、最直接的因素，同时采用变频器控制电机后还可避免水垂现象，因此可大大延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。
中央空调采用变频器后有如下优点：
● 变频器可软启动电机，大大减小冲击电流，降低电机轴承磨损，延长轴承寿命。
● 调节水泵风机流量、压力可直接通过更改变频器的运行频率来完成，可减少或取消挡板、阀门。
● 系统耗电大大下降，噪声减小。
● 若采用温度闭环控制方式，系统可通过检测环境温度，自动调节风量，随天气、热负荷的变化自动调节，温度变化小，调节迅速。
● 系统可通过现场总线与中央控制室联网，实现集中远程监控。
三、中央空调系统的构成及工作原理
制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻水泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中，由风机吹送冷风达到降温的目的。经蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量，与冷却循环水进行热交换，由冷却水泵将带有热量的冷却水送到散热水塔上由水塔风扇对其进行喷淋冷却，与大气之间进行
热交换，将热量散发到大气中去，如下图所示：
冷冻水循环系统：由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。同时，房间内的热量被冷冻水吸收，使冷冻水的温度升高。温度升高了的循环水经冷冻主机后又成为冷冻水，如此循环不已。从冷冻主机流出，进入房间的冷冻水简称为“出水”，流经所有房间后回到冷冻主机的冷冻水简称为“回水”。无疑回水的温度将高于出水的温度形成温差。
冷却水循环系统：由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻主机在进行热交换、使水温冷却的同时，必将释放大量的热量。该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降温了的冷却水，送回到冷冻机组。如此不断循环，带走了冷冻主机释放的热量。流进冷冻主机的冷却水简称为“进水”，从冷冻主机流回冷却塔的冷却水简称为“回水”。同样，回水的温度将高于进水的温度形成温差。
四、中央空调节能改造的方案
根据国内外最新资料介绍，并多处通过对在中央空调水泵系统进行闭环控制改造的成功范例进行考察，现在水泵系统节能改造的方案大都采用变频器来实现。
改造的节能原理
原系统水循环的流量和压差是通过调节阀门开度和旁通调节完成的。这不可避免的存在较大截流损失和大流量，高压力，低温差现象，既浪费大量电能，又导致中央空调末端达不到理想的制冷效果。要解决该问题最好方案就是使水泵随负载的变化自动调节水流量而不是靠改变阀门的开度。
从上图中我们可以清楚的看出冷却水循环系统和冷冻水循环系统，其中冷却水循环系统是用来冷却冷冻机组的，该系统包括以下结构：冷冻压缩机组，冷却泵，冷却水管道，冷却塔。冷却水将压缩机组工作时产生的热量带走通过冷却水泵加压通过管道带到冷却塔，在冷却塔的冷风的作用下降温冷却再流入压缩机组，这样可以保证压缩机组在正常的温度下工作。
冷冻水系统：冷冻压缩机组。冷冻泵，冷冻水管路，冷冻水流出压缩机组后经冷冻泵加压后进入冷冻水管路进入房间进行热交换，带走热量，降低房间温度。
冷却风机：房间内冷却风机：安装于房间内，将经冷却降温的冷空气吹进室内，加大室内的热交换
室外冷却塔风机：降低冷却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。
从以上可以看出，中央空调系统的工作过程就是一个循环的热交换过程，2条水循环系统便成为这个过程传递者。因此实现对水循环系统的控制便成为重中之重。
原系统的温度控制方式：采用热电阻的方式：图中Rt1,Rt2,Rt3 为3处感温部位冷冻压缩机组
冷却水循环系统
冷冻水循环系统
冷风机拖动系统
原系统该部分均不能实现调速，能耗大，实现温度精确控制困难。
变频调速的原理分析
该系统的热交换由两个水循环系统来完成。水循环系统的回水与进（出）水温度之差，反映了需要进行热交换的热量。根据回水与进水（出）水温度差来控制循环水的流速从而控制热交换的速度，应该是合理的控制方法。
（1）冷冻水循环系统的控制――通过回水温度实现变频控制
由于冷冻水的回水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，是比较稳定的，我们根据回水温度的高低可以判断出房间内的温度。可以根据回水温度实现变频控制：回水温度高，说明房间温度高，应该提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度；反之，回水温度低，
说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，达到节约能源的目的。（2）冷却水循环系统的控制――通过检测进水和回水的温差实现变频控制。
冷却塔的水温是随环境温度变化而变化的，因此单侧水温度不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据，实现恒温差控制是可行的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以实现节能的目的。
1、冷冻（媒）水泵系统的控制
〔1〕、制冷模式下冷冻水泵系统的闭环控制
该方案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，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减，控制方式是：冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。
〔2〕、制热模式下冷冻水泵系统的闭环控制
该模式是在中中央空调中热泵运行（即制热）时冷冻水泵系统的控制方案。同制冷模式控制方案一样，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，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减。不同的是：冷冻回水温度小于设定温度时频率无极上调，当温度传感检测到的冷冻水回水温越高，变频器的输出频率越低。
变频器都具有以上功能，通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器（安装在冷冻水系统回水主管上）来检测冷冻水的回水温度，并可直接通过设定变频器参数使系统温度调控在需要的范围内。
另外，针对已往改造的方案中首次运行时温度交换不充分的缺陷，首次起动全速运行功能，通过设定变频器参数可使冷冻水系统充分交换一段时间，然后再根据冷冻回水温度对频率进行无极调速，并且变频器输出频率是通过检测回水温度信号及温度设定值经ＰＩＤ运算而得出的。
2、冷却水系统的控制
目前，在冷却水系统进行改造的方案最为常见，节电效果也较为显著。该方案同样在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量，当中中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，从而达到在保证中中央空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的。
现有的控制方式大都先确定一个冷却泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷却水泵的频率是取冷却管进、出水温度差和出水温度信号来调节，当进、出水温差大于设定值时，频率无极上调，当进、出水温差小于设定值时，频率无极下调，同时当冷却水出水温度高于设定值时，频率优先无极上调，当冷却水出水温度低于设定值时，按温差变化来调节频率，进、出水温差越大，变频器的输出频率越高；进、出水温差越小，变频器的输出频率越低。
与其他厂家的控制方式相比，其优点有：
1、只需在中中央空调冷却管出水端安装一个温度传感器（安装在冷却水系统中中央空调冷却水出水主管上），简单可靠。
2、当冷却水出水温度高于温度上限设定值时，频率直接优先上调至上限频率。
3、当冷却水出水温度低于温度下限设定值时，频率直接优先下调至下限频率。而采用冷却管进、出水温度差来调节很难达到这点。
4、当冷却水出水温度介于温度下限设定值与温度上限设定值时，通过对冷却水出水温度及温度上、下限设定值进行ＰＩＤ计算，从而达到对频率进行无极调速，闭环控制迅速准确。
5、节能效果更为明显。当冷却水出水温度低于温度上限设定值时，采用冷却管进、出水温度差来调节方式没有将出水温度低这一因素加入节能考虑范围，而仅仅由温度差来对频率进行无极调速，而采用上、下限温度来调节方式充分考虑这一因素，因而节能效果更为明显，通过对多家用户市场调查，平均节电率要提高5％以上，节电率达到20％～40％。
6、具有首次起动全速运行功能。通过设定变频器参数中的数值可使水系统充分交换一段时间，避免由于刚起动运行时热交换不充分而引起的系统水流量过小。
3、冷却塔风机控制
在中央空调水冷式机组中，使用循环冷却水是最常用的方法之一。为了使机组中加热了的水再降温冷却，重新循环使用，常使用冷却塔。风机为机械通风冷却塔的关键部件，通常都采用户外立式冷却塔专用电机。水在冷却塔滴下时，冷却风机使之与空气较充分的接触，将热量传递给周围空气，将水温降下来。
由于冷却塔的设备容量是根据在夏天最大热负载的条件下选定的，也就是考虑到最恶劣的条件，然而在实际设备运行中，由于季节、气候、工作负载的等效热负载等诸多因素都决定了机组设备经常是处于在较低热负载的情况下运行，所以机组的耗电常常是不必要的和浪费的。因此，使用变频调速控制冷却风机的转速，在夜间或在气温较低的季节气候条件下，通过调节冷却风机的转速和冷却风机的开启台数，节能效果就非常显著。
冷却水系统能耗是空调系统总能耗的重要组成部分之一。采用截止阀对冷却水流量进行调节将导致能量无谓的浪费，在部分负荷时固定冷却水流量以及不对冷却塔风机电机进行控制也将浪费大量电能。如采用微机控制技术和变频调速技术对冷却水系统进行控制节能效果约为30%，具有显著的节能效益。特别对于宾馆、饭店、商场等工作期较长的集中空调系统以及南方地区空调运行期长的其他建筑物空调系统，采用空调冷却水系统的节能运行系统的投资回收期一般在1—2年，具有非常显著的经济效益。