變頻器的種種優(yōu)勢促進(jìn)了變頻器在包括供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)領(lǐng)域(Heating, Ventilation and Air Conditioning ,簡稱HVAC)在內(nèi)的各種工業(yè)場景中廣泛使用。
盡管在新系統(tǒng)或現(xiàn)有系統(tǒng)中配備變頻器(VFD)需要增加資金投入,但變頻器使生產(chǎn)成本降低、設(shè)備維修成本降低以及能源費用支出減少,因此通常這些投入在3年內(nèi)即可回收。
變頻器在供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,使用效果最佳的設(shè)備為風(fēng)扇、泵、壓縮機(jī)。
風(fēng)扇與泵的運行速度會隨供電頻率的變化而變化,因此他們是變頻器的理想搭檔,在接入變頻器之后,我們稱之為變頻風(fēng)扇與變頻泵。根據(jù)風(fēng)扇和泵的親和定律(Affinity laws),風(fēng)扇或泵的功率與電動機(jī)速度成正比。因此,降低電機(jī)的運行速度可以直接降低電機(jī)運行功率,節(jié)省大量電力。
設(shè)風(fēng)扇或泵性能有關(guān)的變量如下:葉輪直徑D、壓力P、旋轉(zhuǎn)速度N、功率W、氣/水密度ρ、機(jī)械效率η、體積流量Q。
在典型的應(yīng)用場景中,風(fēng)扇或泵的葉輪直徑(D)是恒定的,氣流或水流(Q)、風(fēng)扇或泵的功率(W)僅取決于速度(N)。這些關(guān)系由以下方程式表示[1](其中公式(1)和(2)表示基本工作規(guī)律):
公式(3)清楚地表明了速度變化如何影響功率變化,在理論上,速度降低50%會導(dǎo)致功率降低87.5%,因此變頻器在自動調(diào)整電機(jī)速度后可以有效的起到節(jié)能的作用。
在實際使用中,系統(tǒng)中可能是水或空氣,而空氣和水系的流量是不同的,同時管道與區(qū)域類型也影響著變頻器的控制策略,例如單管道可變風(fēng)量系統(tǒng),雙或多管道可變風(fēng)量系統(tǒng),單區(qū)域系統(tǒng),多區(qū)域系統(tǒng),一次和/或二次冷卻水系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)。
每種應(yīng)用場景都需要根據(jù)實際情況制定特定的控制策略,而不是千篇一律的直接套用,否則只會事倍功半,在變頻器接入物聯(lián)網(wǎng)云控制平臺后,后臺云服務(wù)器可以根據(jù)現(xiàn)場的速度傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水位傳感器等精確控制電機(jī)的運行速度。
在供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)行業(yè)中,制冷系統(tǒng)有幾種常見的壓縮機(jī)類型:往復(fù)式,螺桿式,渦旋式和離心式,這些類型都是跟變頻器很好的協(xié)作。壓縮機(jī)內(nèi)部常用的工作介質(zhì)包括空氣和制冷劑,空氣壓縮機(jī)在工業(yè)過程中經(jīng)常用作氣動控制系統(tǒng)的動力源,制冷壓縮機(jī)通常用于住宅和商業(yè)建筑的空調(diào)、冷柜、冷庫、整體式空氣處理機(jī)組(AHU)或冷卻散熱器中。
在種類繁多的壓縮機(jī)中,離心式壓縮機(jī)的能量性能與離心式風(fēng)機(jī)和泵相似,渦旋壓縮機(jī)由于其先天的結(jié)構(gòu)設(shè)計而特別適合接入變頻器,渦旋壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)是屋頂式空調(diào)機(jī)組壓縮單元和熱泵單元上最常用的類型。
與風(fēng)扇和泵不同,渦旋壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)通常在功率和頻率之間沒有等比關(guān)系
功率與頻率之間的關(guān)系
上圖是基于試驗得出的渦流壓縮機(jī)的的功率和頻率之間的近似線性關(guān)系[2],這種關(guān)系清楚地表明了壓縮機(jī)功率是如何隨頻率變化的。通過了解這種關(guān)系可以開發(fā)新的,更簡單的壓縮機(jī)變頻器控制模型。
市面上已有的大多數(shù)定速壓縮機(jī)都可以接入變頻器進(jìn)行改造,用來控制壓縮機(jī)的工作功率[3]。近年來,國外一些壓縮機(jī)的原始設(shè)備制造商,例如艾默生和丹佛斯,已經(jīng)開始生產(chǎn)制造原生變頻壓縮機(jī)。國內(nèi)海爾、海信、格力、奧克斯等大型制冷設(shè)備生產(chǎn)廠商也開始與變頻器生產(chǎn)廠家合作生產(chǎn)變頻壓縮機(jī),并廣泛應(yīng)用在空調(diào)、冷庫等制冷通風(fēng)設(shè)備中。
參考資料:
[1]Linton R , Frutiger T , Blanc S , et al. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc[J]. Ashrae Handbook, 2008.
[2]ExperimentalstudyonelectronicsignaturesofcommonfaultsforpackagedDXrooftopunits.EnergyandBuildings.2014;77:401–415.