变频技术在中央空调系统控制中的应用(1)

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1期 总164期

Jan.2007 No.1

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变频技术在中央空调系统控制中的应用

摘 要:简要阐述了变频技术在大型公共建筑中央空调系统控制中应用的理论，从一个关注节约电能的问题提升成为

可持续发展的突出问题，已经成为当前极其紧迫需要解决的课题。同时也解释了变频技术的概念对大型公共建筑中央空调系统运用的可行性分析，为今后进一步研究和推广变频技术控制研究打下基础。

关键词: 变频技术；中央空调；系统控制；可持续发展；积极探索

中图分类号:TU831.3+1，TM921.51 文献标识码:B 文章编号:1002-3607（2007）01-0031-03

(上海市住安建设发展股份有限公司, 上海 200031）

陈世民 王 伟

1 引言

在国家号召节能的形势下,变频技术已经成为人们关注的热点。随着中央空调系统在现代公共建筑中的广泛运用，一个节约电能的问题已经成为当前极其紧迫需要解决的课题。众所周知，由于我国的供电现状，节约用电、合理用电也已成为各行各业首先考虑的问题。缓解我国能源供应与经济社会发展的矛盾，有着举足轻重的作用。在可持续发展成为全社会所追求的目标时，关注节约电能已成为可持续发展突出问题，需要有技术上的强势突破,更需要有市场上的强力推进，发展变频技术就是实现节能的重要举措之一。

中央空调系统在一年中处于最大负荷一般只有几十天时间，随着冷热负荷需求始终处于动态变化的状态之中。由于季节的变化，一般情况下冷负荷波动就较大，据统计在10%～60%范围内波动。而系统设计多数以最大冷负荷为依据。这样，实际需要冷负荷与最大功率输出之间的矛盾，造成巨大电能浪费，给用户带来巨额电费支出，增加经营者的成本。从我对电机专业多年研究的观点认为，在大型公共建筑中积极采用变频技术对中央空调系统的控制，就能节约大量的电能。节能对节约资源、减少污染具有十分重要意义。

2 变频技术的概念

交流变频技术以其节能显著、保护完善、控制性能好、过载能力强、使用维护方便等特点，迅速发展起来，已成为电动机调速的主潮流。

变频器的工作原理就是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。 按照主电路工作方式分类，变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器。在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。

按照异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。特别是模糊控制算法用于控制变频器的电压和频率，使电动机的升速时间得到控制，以避免升速过快对电机使用寿命的影响以及升速过慢影响工作效率。

3 采用变频技术对中央空调系统实现自控的

意义

能使用户按需使用空调，节约大量电费；软启动，软停止，减少对电网和设备电气及机械的冲击；降低设备磨损15%以上，减少设备维修维护；减少用电高峰，避免增加电网的压力。

4 中央空调系统的构成及作用

4.1 冷水机组和热泵空调机组

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这是中央空调的“制冷源”，“心脏”。通往各个房间循环水由冷水机组进行“内部交换”，降温为“冷冻水”；而冬季采用锅炉或热水系统，利用循环泵进行热量供应，达到采暖的目的；或采用热泵系统，对建筑物进行冷热水的供应，达到中央空调系统的冷热源供应。

4.2 外部冷热交换系统

空调机组系统包含两个循环水系统，分别为冷热媒水循环和冷却水循环，而热泵系统仅包含一个冷热媒水循环系统。

4.2.1 冷热媒水循环系统：由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷水机组流出的冷冻水由冷冻泵送入冷冻水管道，在各个房间内进行热交换，带走房间内热量，达到控制房间内温度的目的。两管制系统，冷冻水系统切换改变为热水循环，对房间进行供热。

4.2.2 冷却水循环系统：由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷水机组进行热交换，在水冷却的同时，释放大量热量，该热量被通过冷水机组的循环冷却水吸收，使冷却水温度升高。冷却泵将升温后的冷却水送入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将其送回到冷水机组。如此不断循环，带走冷水机组释放的热量。

由于热泵空调系统采用的是风冷系统，冷热交换在机组和空气之间进行，因此在热泵系统中没有冷却水系统。

4.3 冷却水塔

用于为冷水机组提供冷却水。热泵系统没有冷却塔设备。

4.4 空调系统的风机

4.4.1 空调系统的风机主要有两个途径：

室内风机。安装于需要降温和采暖的房间内，用于将空调系统的冷热量转化气流的方式，加速房间内的冷热交换。

冷却塔风机。用于降低冷却塔的水温，加大水气的热量交换程度，加速将热量散发到大气中去。热泵机组没有冷却塔，因此没有冷却塔风机，但是热泵机组本身带有换热风机。

4.4.2 中央空调系统的机组外部循环：

冷冻水的循环，主要依靠冷冻循环泵实现。

冷却水的循环。主要依靠冷却循环泵实现。

空气循环系统，主要依靠风机实现。

5 中央空调采用变频技术自控系统节能节点的分析

5.1从节能的角度看，由于制冷压缩机、热泵机组不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以设计按最大需求来决定电动机的容量。在实际运行中，轻载运行的时间所占的比例是非常高的，如果提高轻载运行时的工作效率，则节能潜力是很大的。有些调节方式（如调节阀门开度和改变叶片角度），即使在需求量较小的情况下，也不能减少电动机的运行功率。采用变频调速后，当需求量较小时，可降低电动机的转速，减少电动机的运行功率从而实现节能。无论是空调→冷水（热泵）机组的类型、单台额定制冷量、单台额定制热、热效率、对机组拖动系统、压缩机拖动系统，按照进出水的温度在运行过程中对运行工况进行变频调节可节能35%～55%。

5.2从运行质量的角度看，单台电动机拖动系统大多数不能根据负载的轻重连续进行调节，不能保持压力、流量、温度等参数的稳定，而采用变频调节技术后，大大提高电动机的工作性能。对冷冻循环水泵和热泵机组的热效率水系统离心式水泵采用变频调速技术，根据负荷PID调节转速达到节能的目的。机组变频自动节能分析：在5%～60%冷热负荷范围内，每年节约电费大于25%，最大达35%。大部分舒适性空调系统，一年大部分时间均在小于或等于建筑物设计负荷80%下运行，且大部分介于50%～60%之间。结合水泵电动机工作特点，变频的频率调节范围40～50HZ。实现变频调速，其节能效果较交流电动机一般调速提高10%～15%。

5.3对空调的送风质量看，中央空调所属的风机（包括室内风机和冷却塔风机）采用变频技术后，根据流体力学原理，风量Q与转速N的一次方成正比，风压H与转速N的二次方成正比，轴功率与转速N的三次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。当然，转速降低时，效率也会有所下降，同时，还应考虑控制装置的附加损耗等影响。即使如此，通过实际工程中运用的变频技术，节约电能20%～30%，

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在运行中节约效益来赢利和滚动发展是很可观的。6 实现空调变频技术运行对楼宇管理的现实

意义

6.1 从节能的角度和运行的需要

办公大楼各个区域的功能不一致，对运行工况的要求不一致，因此整个水循环的流量在每个时间段不一致，设计考虑智能按最大需求来决定电动机的容量，故设计余量一般偏大。采用变频调速，可以大大提高轻载运行时的工作效率，尤其是采用阶段电价的地区，变频技术运用更加广泛。

6.2 从智能建筑控制的需要

由于公共建筑各个区域的功能不一致，人员对中央空调系统的运行要求不一致，为了便于对系统运行的控制和对循环管线的合理运用，可以通过采用变频泵对水循环的控制，实现真正意义上的降低能耗。

6.3 从降低建筑物内部的噪音的需要

空调运行系统水泵和风机需要电机的运作来进行工作，在电机和风机的运行过程中，会产生一定的振动和噪音，而现代化的办公大楼，拥有高科技、精密仪器的实验大楼工作需要是满足低噪音、低振动，在建筑物中，除了生产机械外，就是建筑物的本身设备。建筑物的设备在能满足空调工况的情况下，尽量要减少噪音和振动，变频技术又是最佳的选择。因此在公共建筑中央空调系统的风机水泵采用变频技术后，在设计过程中不超出工程概算下，尽量采用变频技术对中央空调系统控制的应用。

6.4 从空调系统最大发挥效能需要

冷冻机、热泵机组使用变频后，扩大了压缩机的工作范围，不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制，达到降低电力消耗，消除由于温度变动而引起的不适感。参考文献

⑴陈国呈，《PWM变频调速及软开关电力变换技术》，机械工业出版社⑵姚锡福，《变频器控制技术与应用》，福建科学技术出版社⑶冯垛生，《变频器实用指南》，人民邮电出版社

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变频技术在中央空调系统控制中的应用

作者：陈世民， 王伟

作者单位：上海市住安建设发展股份有限公司,上海,200031

刊名：

安装

英文刊名：INSTALLATION

年，卷(期)：2007，""(1)

引用次数：3次

参考文献(3条)

1.陈国呈PWM变频调速及软开关电力变换技术

2.姚锡福变频器控制技术与应用

3.冯垛生变频器实用指南

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2.会议论文杜海存.彭爱华变频技术在中央空调水泵控制中的应用节能分析2006

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3.期刊论文张方军浅析变频技术在中央空调节能降耗中的应用-科技创业月刊2010,""(1)

基于变频技术和中央空调系统的理论知识,分别从中央空调自控系统节能、循环水泵节能和风机节能三个方面具体分析了变频技术在中央空调节能降耗中的应用.

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6.期刊论文陈剑萍.王坚敏.钟晓波.张利庭.吴哲.吴皓.CHEN Jian-ping.WANG Jian-min.ZHONG Xiao-bo.ZHANG Li-ting.WU Zhe.WU Hao 变频节能技术在中央空调中的应用-轻工机械2009,27(2)

中央空调能耗在高层建筑中所占的比例很大,因此空调系统节能成为降低高层建筑能耗的关键因素.为保证在大气温度最高的情况下也能正常使用,在中央空调设计时应按满负荷设计,并留有一定的富裕量,因此冷冻水系统和冷却水系统在正常使用时,存在着能耗过大的问题.为了解决这一难题,在该2个系统中采用了变频节能技术,通过温差控制变频器的频率,调节水泵的转速,以达到节能的目的.

7.学位论文钟玮我国建筑中央空调能耗现状及全面节能措施2004

中央空调的能耗一般包括三个部分,即空调冷热源的能耗,水或空气输送系统能耗,空调机组末端设备的能耗.本文通过分析和论述,认为中央空调的节能,首先应从冷热负荷计算开始,选择COP值适当的冷热源机组,节约冷热源的能耗;采用变频技术等手段达到水泵变流量运行,以减少水系统的输送能耗,采用VAV空调系统等手段,减少风系统的输送能耗,从而减少整个输送系统的能耗;选用适当的空调机组末端设备,减少末端设备的能耗.并通过空调自动控制系统,在中央空调系统各种不同的工况时,进行优化控制,实现整个系统的节能运行,最终达到降低整个中央空调能耗的目的.中央空调系统的节能对于整个建筑节能非常关键,希望本文能给广大的空调从业人员在中央空调的节能工作中,提供帮助和参考,为我国的能源事业做出贡献.

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引证文献(3条)

1.涂慧华.张华圣基于能源优化的中央空调控制策略[期刊论文]-机械工程与自动化 2009(1)

2.涂慧华.张华圣基于能源优化的中央空调控制策略[期刊论文]-制冷空调与电力机械 2008(6)

3.张仙平.段焕林制冷业可持续发展问题探析[期刊论文]-制冷与空调（四川） 2007(3)

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