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張清林，孫前程，段 力
1 前言
據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘考s4億多千瓦，其用電量占當(dāng)年全國發(fā)電量的60%～70%，而風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備裝機(jī)總功率達(dá)1.6億千瓦，年耗電量3 200kWh，約占當(dāng)年全國電力消耗總量的1/3。而應(yīng)用變頻器節(jié)電率一般在20%～60%，投資回收期1～2年，企業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。所以，大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)不僅是當(dāng)前推進(jìn)企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，而且也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變和我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必然要求。
基于中央空調(diào)系統(tǒng)選型配備時(shí)，其冷凍泵和冷卻泵的容量均按最大負(fù)荷選定，且留有余量的原則，泵組在大部分時(shí)間處于低溫差、大流量的運(yùn)行狀態(tài)，造成整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率降低，浪費(fèi)了大量能源。同時(shí)，設(shè)備長(zhǎng)期高速運(yùn)轉(zhuǎn)，大大縮短了使用壽命，增加了維護(hù)費(fèi)用。
隨著技術(shù)的日益成熟和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,變頻調(diào)速技術(shù)在中央空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用已十分普遍。為了節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益，依據(jù)國家集中式空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，采用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制改造，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。本文就變頻調(diào)速技術(shù)、節(jié)能原理以及在中央空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行闡述，并通過筆者利用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)煙臺(tái)金海灣酒店中央空調(diào)系統(tǒng)的改造實(shí)例，說明其節(jié)能效果。
2 變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的原理
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中，經(jīng)常需要對(duì)一些物理量進(jìn)行控制，如空調(diào)系統(tǒng)的溫度、供水系統(tǒng)的水壓、通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量等，這些系統(tǒng)絕大多數(shù)是用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。以前由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速無法方便調(diào)節(jié)，為了達(dá)到對(duì)上述物理量的控制，人們只好采用一些簡(jiǎn)單的方法，如用擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量，用閥門來調(diào)節(jié)流量壓力等，致使這些系統(tǒng)不僅達(dá)不到很好的調(diào)節(jié)效果，而且大量的電能被擋板和閥門白白浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國目前使用的風(fēng)機(jī)、水泵大約有25%的能量是無謂消耗。因此，原國家經(jīng)貿(mào)委于1994年下發(fā)了763號(hào)文件《關(guān)于加強(qiáng)風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能改造的意見》，鼓勵(lì)支持變頻節(jié)能技術(shù)在各行各業(yè)推廣使用。另外，根據(jù)交流電機(jī)的特性，要實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑的速度調(diào)節(jié)，最佳的方法就是采用變頻調(diào)速器，變頻器是將標(biāo)準(zhǔn)的交流電轉(zhuǎn)成頻率、電壓可變的交流電，供給電機(jī)并能對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。采用變頻器進(jìn)行風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能改造，不僅避免了由于采用擋板或閥門造成的電能浪費(fèi)，而且還會(huì)極大提高控制和調(diào)節(jié)的精度，從而方便地實(shí)現(xiàn)恒溫空調(diào)系統(tǒng)和恒壓供水系統(tǒng)。
3 中央空調(diào)系統(tǒng)控制原理
大中型中央空調(diào)由制冷、制熱站，空調(diào)水管網(wǎng)系統(tǒng)和空調(diào)末端裝置（空調(diào)機(jī)組，風(fēng)機(jī)盤管和新風(fēng)機(jī)組等）三部分組成。
工作原理：采用設(shè)備中的風(fēng)扇使室內(nèi)空氣循環(huán)，并通過設(shè)備中的冷、溫水盤管來冷卻和加熱，以達(dá)到空調(diào)的目的。盤管中的冷、溫水由機(jī)房中的制冷設(shè)備和鍋爐提供。
該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：設(shè)備配置較大、風(fēng)機(jī)噪音大。當(dāng)環(huán)境溫度變化或冷、熱負(fù)荷變化時(shí)，只能通過增減冷、溫水循環(huán)數(shù)量或使用擋風(fēng)板的方法來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，既耗費(fèi)能源又造成環(huán)境溫度波動(dòng)。
中央空調(diào)系統(tǒng)的外部熱交換由兩個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)來完成。循環(huán)水系統(tǒng)的回水與進(jìn)（出）水溫度之差，反映了需要進(jìn)行熱交換的熱量。因此，根據(jù)回收與進(jìn)（出）水溫度之差來控制循環(huán)水的流動(dòng)速度，從而控制了熱交換的速度，是比較合理的控制方法。分述如下：
(1) 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的控制
由于冷水的出水溫度是冷凍機(jī)組“冷凍”的結(jié)果，常常是比較穩(wěn)定的。因此，單是回水溫度的高低就足以反映房間內(nèi)的溫度。所以，冷凍泵變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)單地根據(jù)回水溫度進(jìn)行如下控制：回水溫度高，說明房間溫度高，應(yīng)提高冷凍泵的循環(huán)速度，降低溫度。反之亦然。總之，對(duì)于冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，控制依據(jù)是回水溫度，即通過變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)回水的恒溫控制。
(2) 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制
由于冷卻塔的水溫是隨環(huán)境溫度而變化的，其單測(cè)水溫不能準(zhǔn)確地反映冷凍機(jī)組內(nèi)產(chǎn)生熱量的多少。所以，對(duì)于冷卻泵，以進(jìn)水和回水間的溫差作為控制依據(jù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水和回水間的恒溫差控制是比較合理的。溫差大，說明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水的循環(huán)速度；溫差小，說明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量小，可以降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷卻水的循環(huán)速度。
4 中央空調(diào)末端送風(fēng)的變頻控制
隨著生活水平的提高，人們已開始關(guān)注生活與工作環(huán)境的舒適性。大型公共建筑均設(shè)置有中央空調(diào)系統(tǒng)。而大多數(shù)中央空調(diào)的運(yùn)行，絕大部分末端機(jī)采用開/關(guān)控制方式，難以滿足人們對(duì)舒適感的要求。變頻技術(shù)的飛速發(fā)展，成本的進(jìn)一步下降，使得滿足舒適感要求成為現(xiàn)實(shí)。
(1) 調(diào)節(jié)風(fēng)量
在中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷、暖的輸送介質(zhì)通常是水，在末端將與熱交換器充分接觸的清潔空氣由風(fēng)機(jī)直接送入室內(nèi)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)室溫的目的。
在輸送介質(zhì)（水）溫度恒定的情況下，改變送風(fēng)量可以改變帶入室內(nèi)的制冷（熱）量，從而較方便地調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。這樣，便可以根據(jù)自己的要求來設(shè)定需要的室溫。調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以控制送風(fēng)量。使用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，在變頻的同時(shí)，輸入端的電壓亦隨之改變，從而節(jié)約了能源，降低了系統(tǒng)噪音，其經(jīng)濟(jì)性和舒適性是不言而喻的。
(2) 控制方式的確立
① 在室內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢茫惭b手動(dòng)調(diào)節(jié)控制終端，調(diào)速電位器VR和運(yùn)行開關(guān)KK置于控制終端盒內(nèi)，變頻器的集中供電由空氣開關(guān)控制，需要送電時(shí)在配電控制室直接操作。調(diào)整頻率設(shè)定電位器VR，可以改變變頻器的輸出頻率，從而控制風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量，關(guān)閉時(shí)斷開KK即可，此方式成本低廉，隨意性強(qiáng)。
② 當(dāng)室外溫度變化，或者冷/暖輸送介質(zhì)溫度發(fā)生改變時(shí)，可能造成室溫隨之改變，對(duì)環(huán)境舒適要求較高的消費(fèi)群體，可以采用自動(dòng)恒溫運(yùn)行方式。
選擇內(nèi)置PID軟件模塊的變頻器。控制終端的方式與手動(dòng)方式相同。電位器用來設(shè)定溫度（而不是調(diào)整頻率）。變頻器通過采集來自反饋端VPF/IPF的溫度測(cè)量值，與給定值作比較，送入PID模塊運(yùn)算時(shí)自動(dòng)改變U、V、W端子的輸出頻率，調(diào)整送風(fēng)量，達(dá)到自動(dòng)恒溫運(yùn)行。
③ 送風(fēng)機(jī)的分布可能不是均勻的，對(duì)于稍大的室內(nèi)空間，則可以采用“區(qū)域溫度平均法”策略調(diào)節(jié)送風(fēng)量，以滿足特殊需要量場(chǎng)所。
④ 為降低成本，個(gè)別的變頻器可能沒有內(nèi)置PID軟件模塊，可選用外加PID調(diào)節(jié)器即可。
(3) 應(yīng)注意的幾個(gè)問題
① 共振（動(dòng)）：選擇末端送風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)考慮測(cè)試其在全轉(zhuǎn)速范圍的共振轉(zhuǎn)速點(diǎn)并應(yīng)避免電機(jī)工作于這樣的轉(zhuǎn)速區(qū)。通過設(shè)定變頻器的回避頻率及其寬度值，則可以避免電機(jī)運(yùn)行于該轉(zhuǎn)速區(qū)域。
② 頻率限制：電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，散熱效果較差；轉(zhuǎn)速過大，會(huì)引起因風(fēng)速過高而造成的不適當(dāng)狀態(tài)。制冷時(shí)，可能因風(fēng)速過大，致使冷凝水不能被吸水盤完全接收，造成外漏。應(yīng)選擇適宜的上、下限頻率，下限頻率以不小于15Hz為宜，上限頻率不要超過60Hz，根據(jù)最大風(fēng)速確定。
③ 載波頻率：將變頻器的載波頻率適當(dāng)提高，則可以降低電機(jī)運(yùn)行噪音，提高環(huán)境質(zhì)量。多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，若電機(jī)距離變頻器較遠(yuǎn)，則需調(diào)整載波頻率，以避免引起電機(jī)電流振蕩。
④ 安裝：變頻器應(yīng)裝于末端機(jī)的“隔離室”內(nèi)，除保證良好的散熱外，還應(yīng)讓其不置身于潮濕環(huán)境下，亦需考慮中央空調(diào)在制冷或制熱時(shí)末端機(jī)自身的溫度影響。
⑤ 節(jié)能：風(fēng)機(jī)屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，應(yīng)用時(shí)，選擇風(fēng)機(jī)、泵類專用變頻器（亦稱為節(jié)能型變頻器）較好，并將其轉(zhuǎn)矩曲線（V/F）設(shè)定為“平方轉(zhuǎn)矩”，這樣可以達(dá)到較好的節(jié)能效果。
5 應(yīng)用實(shí)例
煙臺(tái)金海灣酒店中央空調(diào)機(jī)組由主機(jī)四臺(tái)（其中3#、4#為美國“凱利”機(jī)組，制冷量為150萬大卡/時(shí)）、冷媒泵三臺(tái)（開一臺(tái)37kW，兩臺(tái)45kW備用）、冷卻泵三臺(tái)（一用兩備，均是55kW）、兩臺(tái)冷卻塔冷卻風(fēng)機(jī)（11kW）組成。
主機(jī)主要運(yùn)行一臺(tái)3#或4#機(jī)，冷媒泵運(yùn)行2#機(jī)（37kW）。冷卻泵運(yùn)行一臺(tái)55kW，冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行兩臺(tái)，均是11kW。
主機(jī)運(yùn)行工況由本身自動(dòng)調(diào)節(jié)。冷卻泵及冷卻風(fēng)機(jī)不論環(huán)境溫度如何，均全速50Hz運(yùn)行。冷卻泵進(jìn)出閥門全開，流量不調(diào)節(jié)，大流量運(yùn)行，溫差為2℃左右。大流量小溫差運(yùn)行狀態(tài)造成水泵電能大量浪費(fèi)。冷媒泵也是全速50Hz運(yùn)行，由閥門控制分水器和集水器上的連通管，以調(diào)節(jié)管路壓力，致使部分冷媒水未進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)，造成電能的浪費(fèi)。金海灣酒店的中央空調(diào)機(jī)組是按當(dāng)?shù)貥O端環(huán)境條件設(shè)計(jì)的，并留有富裕量。煙臺(tái)地區(qū)每年出現(xiàn)最大冷熱天氣狀況時(shí)間僅為5～7天，因此，機(jī)組大多數(shù)時(shí)間都處在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)負(fù)荷狀況下運(yùn)行，造成整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率降低，浪費(fèi)大量能源。同時(shí)，設(shè)備長(zhǎng)期處于高速運(yùn)行狀態(tài)，縮短使用壽命，增加維護(hù)費(fèi)用。
針對(duì)上述能量的浪費(fèi)，筆者于2003年8月對(duì)該機(jī)組進(jìn)行了節(jié)能改造。經(jīng)過一個(gè)月的運(yùn)行測(cè)試統(tǒng)計(jì)，節(jié)約電能平均達(dá)到53.6%，節(jié)水平均達(dá)到67%，同時(shí)降低了運(yùn)行噪音，提高了機(jī)組效率和設(shè)備使用壽命，節(jié)能效果十分顯著（見表1、表2）。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)