中央空调水系统变频节能改造分析与实践

徐凤平 严良文 李 文 倪 军

(上海大学机电工程与自动化学院1，上海 200072;江阴盛辉科技有限公司2，江苏 江阴 214400)

0 引言

中央空调系统通常由制冷主机、循环水系统和风机盘管三大部分组成。在公用和民用建筑物中，其能耗巨大，约占建筑总能耗的55%。大型中央空调系统中，循环水系统的耗电量占整个系统耗电量的18%左右。因此，如何降低循环水系统的能耗便成了空调系统节能降耗的关键。在假定空调水系统流量不变的情况下，空调系统根据空调最大负荷加以设计。而空调系统在绝大部分时间内以部分负荷状态运行，据有关资料调查表明，空调系统在一天中高负荷运行的时间约为4～5 h，其他时间在中、低负荷下运行。近年来，随着对中央空调系统节能的研究，出现了多种节能控制方法。水系统变频节能是运用较多的一种。为此，本文详细介绍了空调水系统变频的节能要点，并结合实际改造项目，对其节能效果进行分析。

1 空调水系统变频节能原理

中央空调水系统变频是指对冷却水泵和冷冻水泵进行改造。通过对水泵变频，将水系统改造为变流量运行，使空调系统的负荷与实际相匹配。

通常冷水机组是在定流量设计下运行的，冷水机组要保持定流量的主要原因是：①蒸发器(或冷凝器)内水流速的改变会改变水侧放热系数，影响传热;②管内流速太低，若水中含有机物或盐，在流速小于1 m/s时，会造成管壁腐蚀;③避免由于冷水流量突然减小，引起蒸发器的冻结[1－2]。实际空调系统水泵变频改造工程表明，对空调水系统水泵进行变频节能改造，对冷水机组的功率几乎没有影响[3]。因此，合理利用变频节能控制方法，对整个中央空调控制系统会起到更好的保护作用。

空调系统变频节能的依据是空调系统在部分负荷的运行状态下，通过减小水流量来维持空调系统冷负荷的不变，从而节省循环水系统中水泵的能耗。根据水泵的工作原理可知，水泵的流量、扬程、转速与功率之间的关系为：

式中：Q1、Q2为水泵的流量，m3/h;n1、n2为水泵的转速，r/s;H1、H2为水泵的扬程，m;P1、P2为水泵的功率，kW。

由式(1)可知，水泵的流量与转速成正比关系，而水泵的输入功率与转速的立方成正比关系。由该关系可知，当水泵的转速降低后，流量按照某比例减小，相应泵的功率按照该比例的三次方下降[5]。

一次泵水系统是实现空调水系统节能的最佳配置。传统的空调水系统在末端设置电动两通阀或电动三通阀，通过阀门开度来调节水流量。这种方法虽然能减小空调系统的流量，但却大大增加了系统的压力，即增加系统的管路阻力，使大部分的能量消耗在阀门上[6]。

随着变频器价格的下降，变频泵在空调水系统中的应用也越来越多。当泵的转速由n1变为n2时，相应的流量也从Q1变为Q2，实现了流量调节，与普通的循环泵相比，节约了水泵的能耗。另外，变频泵可以使管网的流量连续变化，实现无级调节，有利于更好地降低水泵的能耗。设置旁通阀调节水量原理如图1所示。

图1 设置旁通阀调节水量原理图Fig.1 Principle of regulating water volume by setting up the by-pass valve

工频和变频运行效果比较如表1所示[4]。

表1 工频和变频运行效果比较Tab.1 Effect comparison of the operations under power frequency and variable frequency

2 变频节能控制原理

空调水系统包括冷却水和冷冻水系统两部分。冷却水部分包括冷却水泵、冷却塔和冷却水管道。冷冻水部分包括冷冻水泵和冷冻水管道。在冷冻水部分出口和冷却水部分进出口都安装有二线制的温度变送器，对冷却水部分的进出口温度送至变频器作温差控制，而冷冻水的出口温度作恒温控制。系统结构如图2所示。

图2 系统结构示意图Fig.2 Schematic of the systematic structure

图2中，温度变送器传送三个温度模拟量(冷却水进口温度、冷却水出口温度和冷冻水出口温度)至变频器，三个模拟量作为变频器控制判定根据。变频器再将启动泵信号传至PLC，通过PLC启动相应水泵，实现水泵间的切换。变频器输出信号控制着电机转速的大小，最终实现水泵内水的流量控制[7]。变频器将设置最低限和最高限来保护制冷主机和电机，根据实际需要，冷却水进出口温差变大时，则变频器增大频率，加快电机转速，加大水的流量;反之，温差变小，则减小频率，减慢电机转速，减小水的流量。

水系统变频节能改造系统控制原理如图3所示。

图3 系统控制原理图Fig.3 Schematic diagram of control principle of the system

3 工程改造及节能效果

由于空调系统的不同，采用变频节能改造的节能效益也不相同。本文以改造的某工程为例，分析其改造和节能效果。

改造工程为一政府办公楼，采用H2蒸汽双效型溴化锂吸收式制冷主机，配备两台冷却水泵和两台冷冻水泵。空调水系统的主要设备如表2所示。

表2 空调水系统主要设备Tab.2 Major equipment of the water system

改造前，系统工频运行，即冷冻水和冷却水系统均按工频运行。运行过程中出现电机电流远超过电机的额定电流，电机外壳发热严重，甚至出现启动电流过大直接导致系统不能启动的情况。按照文中的控制原理和方法对现场系统进行改造，分析对比了系统改造前后的能耗状况。改造前，水系统每天的能耗基本相等;改造后，每天水系统的能耗会根据当天天气情况导致空调房间制冷量的变化。系统改造前后水系统单月的耗电量如表3所示。

表3 耗电量Tab.3 Power consumption

其中，E前冷却水为改造前冷却水系统所消耗的总能量;E前冷冻水为改造前冷冻水系统所消耗的总能量;E后冷却水为改造后冷却水系统所消耗的总能量;E后冷冻水为改造后冷冻水系统所消耗的总能量。

该工程冷却水部分节省电能计算式为：

冷冻水部分节能电能为：

冷却水部分节电率为：

冷冻水部分节电率为：

综上所述，该工程水系统部分变频节能改造的节电率约为33%。

4 结束语

依据空调水系统变频技术和控制原理，对现场空调系统进行改造，使现场运行系统的稳定性得到提高，系统设备的使用寿命延长。结合具体改造工程的的耗电量及节电率的分析计算，可以得出中央空调水系统变频改造的节能优越性。因此，应用中央空调系统水系统变频节能改造技术，系统运行稳定可靠，室内温湿度满足要求。在现代制冷技术的不断完善和成熟下，变频改造水系统将成为中央空调节能的重要方法之一。

[1]高养田.空调变流量水系统设计技术发展[J].暖通空调，1996，26(3)：20 －26.

[2]王凡，徐玉党.中央空调水系统变流量分析及其改进[J].建筑热能通风空调，2006，25(1)：49 －52.

[3]张谋雄.冷水机组变流量的性能[J].暖通空调，2000，30(6)：56 －58.

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[5]蔡增基，龙天渝.流体力学泵与风机[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，1999.

[6]马最良.建筑物暖通系统水力平衡及其应用——空调水系统的节能要点[J].中国建设信息：供热制冷，2008，10：12 －15.

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