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一、引言

 中央空調(diào)是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)電能的消耗約占建筑物總消耗的50%。中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上都是按大負(fù)載并增加10%至20%的余量設(shè)計(jì)，由于季節(jié)、晝夜及用戶負(fù)荷的變化，實(shí)際負(fù)載比設(shè)計(jì)負(fù)載小的多，滿負(fù)載運(yùn)行時間不到1%，雖然中央空調(diào)冷凍主機(jī)的負(fù)荷能隨季節(jié)氣溫變化自動調(diào)節(jié)負(fù)載，但是系統(tǒng)匹配的冷凍泵、冷卻泵及冷卻塔風(fēng)機(jī)卻不能自動調(diào)節(jié)負(fù)載，長期在100%負(fù)載下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)，具有很大的節(jié)能空間。

二、中央空調(diào)系統(tǒng)

如圖1所示為典型的中央空調(diào)系統(tǒng)圖，主要由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及冷凍主機(jī)三部分組成：

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)原理圖

1. 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)：

 該部分主要由冷凍水泵、終端風(fēng)機(jī)盤柜機(jī)及冷凍水管道等組成。從主機(jī)蒸發(fā)器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量，后回到主機(jī)蒸發(fā)器。室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤柜用于將空氣吹過冷凍水管道，降低空氣溫度，加速室內(nèi)熱交換。

2.冷卻水循環(huán)系統(tǒng)：

該部分由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻水塔等組成。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)熱交換的同時，必將帶走室內(nèi)大量的熱能。該熱能通過主機(jī)內(nèi)的冷媒傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔，使之與大氣進(jìn)行熱交換。

3.制冷主機(jī)：

中央空調(diào)主機(jī)部分由制冷壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥及冷媒等組成，其工作循環(huán)過程為，首先低溫低壓氣態(tài)冷媒被壓縮機(jī)加壓成高溫高壓液體，進(jìn)入冷凝器中經(jīng)冷卻循環(huán)水冷卻并通過室外冷卻塔把熱量釋放到大氣中。隨后經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓變成低壓氣液混合物進(jìn)入蒸發(fā)器，冷媒在蒸發(fā)器中不斷氣化，同時吸收冷凍循環(huán)水中的熱量形成冷水。后，蒸發(fā)器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體，重新進(jìn)入了壓縮機(jī)，如此循環(huán)往復(fù)。

三、中央空調(diào)節(jié)能理論

由流體力學(xué)理論可知，離心式流體傳輸設(shè)備（如離心式水泵、風(fēng)機(jī)等）的輸出流量 Q與其轉(zhuǎn)速 n 成正比；輸出壓力 P（揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速 n 的平方成正比；輸出功率 N 與其轉(zhuǎn)速 n的三次方成正比，用數(shù)學(xué)公式可表示為：

Q=K1×n

P=K2×n2

N=P×Q =K3×n3（K1、K2、K3為比例常數(shù)）

由上述原理可知，采用變頻無極調(diào)速技術(shù)控制水泵的轉(zhuǎn)速方式調(diào)節(jié)流量，當(dāng)流量下降時，電能消耗將以三次方的比例下降。如將電機(jī)的供電頻率由50Hz 降為40Hz，則理論上，電能消耗將減少48.8%。

四、中央空調(diào)改造方案

1.循環(huán)水系統(tǒng)的控制方案

冷凍水循環(huán)系統(tǒng)采用穩(wěn)定溫差（實(shí)時根據(jù)用冷量，調(diào)整變頻器的輸出頻率來穩(wěn)定溫差）、壓差（保證高供冷處壓力滿足要求）等參數(shù)控制；冷卻水循環(huán)系統(tǒng)采用穩(wěn)定溫差、及冷卻塔環(huán)境溫濕度等參數(shù)控制，冷卻系統(tǒng)溫差及環(huán)境溫濕度控制，主機(jī)性能明顯優(yōu)于冷卻水出水溫度控制。將冷凍和冷卻水的進(jìn)、出水溫差控制在4.5～5℃，控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷變化的反饋信號經(jīng)PID調(diào)節(jié)與變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，PLC根據(jù)監(jiān)控值控制變頻器工作頻率和水泵運(yùn)行臺數(shù)，從而調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，控制中央空調(diào)系統(tǒng)熱交換的速度。

2.冷卻塔散熱系統(tǒng)控制方案

冷卻塔散熱系統(tǒng)溫度傳感器檢測冷卻塔出水溫度值，將冷卻塔出水溫度控制在27~29℃，PLC根據(jù)出水溫度控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)及變頻器的工作頻率，使冷卻水出水溫度達(dá)到設(shè)定值。

3.電氣控制方案

濟(jì)南某大廈中央空調(diào)機(jī)組數(shù)據(jù)如下表：

改造之前工頻運(yùn)行，冷凍和冷卻進(jìn)出水平均溫差在3.5℃左右，溫差越小改造節(jié)能空間越大。 

 圖2 冷凍泵變頻電氣原理圖

冷凍泵變頻電氣原理如圖2所示，控制原理為：（PLC）先控制0#變頻器軟啟動電機(jī)M1，當(dāng)M1到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時，仍未達(dá)到設(shè)定溫差值時，(PLC)控制M1切換工頻電網(wǎng)運(yùn)行，然后再控制0#變頻器啟動M2，當(dāng)M2到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時，仍未達(dá)到設(shè)定溫差值時，(PLC)控制1#變頻器啟動M3，此時0#變頻器給定50HZ額定頻率，主要控制1#變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制冷凍水的循環(huán)速度；當(dāng)M3工作在下限轉(zhuǎn)速時，如果檢測值大于設(shè)定值，(PLC)控制電機(jī)M3停機(jī)，同時控制0#變頻器調(diào)節(jié)，當(dāng)M2工作在下限轉(zhuǎn)速時，如果檢測值大于設(shè)定值，停止M1電機(jī)，0#變頻器通過調(diào)節(jié)M2水泵從而達(dá)到設(shè)定要求。

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻塔系統(tǒng)變頻控制原理和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)變頻控制原理相同，在方案中保留原工頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝變頻控制系統(tǒng)，與原工頻系統(tǒng)之間僅設(shè)置連鎖以確保系統(tǒng)工作安全。

4.調(diào)試參數(shù)設(shè)置：

（1）P0.03 =2，AI2模擬量4～20mA輸入給定頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速；

（2）P0.02=1，選擇端子運(yùn)行命令控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、停止；

（3）P0.09=0，禁止水泵、風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行；

（4）P0.14=30，變頻器下限頻率設(shè)為30HZ，為確保水泵風(fēng)機(jī)有效流量及電機(jī)合適的溫升；

（5）P6.00=1，變頻器啟動方式設(shè)置為轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動，避免冷卻塔風(fēng)機(jī)由于外界風(fēng)力作用使風(fēng)機(jī)自轉(zhuǎn)而造成再生電能損壞變頻器。

5.調(diào)試主要事項(xiàng)：

（1）整改設(shè)備安裝完畢后，先將編好的程序?qū)懭隤LC，設(shè)定變頻器參數(shù)，檢查電器部分并逐級通電調(diào)試；

（2）投入試運(yùn)行時，人為地減少負(fù)荷，觀察流量是否因頻率的降低而減小，并找到制冷機(jī)報(bào)警時的低變頻器頻率，以及流量降低后管道末端的循環(huán)情況，使變頻器工作在一個低的穩(wěn)定工作點(diǎn)；

（3）用溫度計(jì)及時檢測各點(diǎn)溫度，以便檢驗(yàn)溫度傳感器的精確度及校驗(yàn)各工況狀態(tài)。

五、中央空調(diào)系統(tǒng)變頻改造的優(yōu)點(diǎn)

1.采用變頻器閉環(huán)控制，可按需要進(jìn)行軟件組態(tài)并設(shè)定溫度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，使電機(jī)輸出功率隨熱負(fù)載的變化而變化，在滿足使用要求的前提下達(dá)到大限度的節(jié)能；

2.變頻器具有軟啟軟停，減少了振動、噪音和磨損，延長了設(shè)備維修周期和使用壽命，并減少了對電網(wǎng)沖擊，提高了系統(tǒng)的可靠性；

3.變頻器對電機(jī)具有過壓、欠壓、過流、接地等多項(xiàng)保護(hù)措施，使系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率和安全可靠性大大提高；

4.變頻器中直流電容器的隔離作用使輸入的功率因數(shù)接近于1，電動機(jī)的勵磁無功電流由電容器提供，可節(jié)約電網(wǎng)容量；

5.變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)與原工頻控制系統(tǒng)互為互鎖，不影響原系統(tǒng)的運(yùn)行，且在變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)檢修或故障時，原工頻控制系統(tǒng)照樣可以正常運(yùn)行。

六、小結(jié)

奧卓QD800系列變頻器應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)，采用變頻閉環(huán)控制電機(jī)，按需要設(shè)定溫度，使設(shè)備儲備容量和隨時間季節(jié)的熱負(fù)載通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在滿足使用要求下達(dá)到大限度的節(jié)能。目前已成功應(yīng)用于多個中央空調(diào)節(jié)能改造現(xiàn)場，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析節(jié)電率平均達(dá)到了30%以上。