变频控制技术在中央空调水系统中的应用

赵 辛

（辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁锦州 121001）

变频控制技术在中央空调水系统中的应用

赵 辛

（辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁锦州 121001）

随着人民生活水平的提高，现代建筑中中央空调系统的使用率越来越高。在传统的中空调水系统中采用定速泵，进入空调主机的循环水为定流量，能耗较大。随着变频器技术的发展，变频控制技术已经广泛的应用于中央空调水系统中。根据空调水系统工作原理、水泵变频调速原理及变频器、变频调速技术工作原理确定水系统中采用的变频调速控制方案。控制方案分为空调主机进行优化设计方案和冷冻水泵、冷却水泵的变频控制方案。采用变频泵控制流量可以大大减少能耗。根据不同的设计需要，中央空调水系统中采用的3种变频泵控制系统，分别是二次泵系统、一次泵变流量系统、变频泵与工频泵并联系统。

变频控制技术；中央空调；水系统；水泵

0 引 言

随着国家经济的快速发展、国民生活质量的提高、空调系统使用的普及、城市建筑能耗呈现快速增长趋势。现阶段，我国建筑使用的中央空调系统普遍存在能耗过高的问题，每年中央空调的耗电量接近400亿千瓦时，几乎占到了所有供电部门总电量的40%左右［1］。因此，中央空调系统的节能意义很大。

1 预备知识

一般中央空调系统是根据冷（热）满负荷运行工况进行设计的，但实际上绝大部分时间空调系统是在部分负荷下运行（通常在50%负荷以下的运行时间超过70%）［2］。空调主机有完善的能量调节系统，在非满负荷工况下运行时，虽然主机的冷量已按实际负荷供给，但传统水系统中的水泵都是定速的。水泵都在全速运行，水泵的能耗并没随之发生相应的变化，从而造成水泵电机能耗的浪费。目前，变频控制技术正逐渐被人们重视，并在中央空调水系统中得到越来越广泛的应用。

1.1 中央空调系统的简介

中央空调系统由空调主机、冷却塔、冷冻泵、冷却泵、末端设备及管路系统等组成［3］，如图1所示。

1.2 变频技术的概念

变频器的工作原理就是把工频电源（50Hz或60Hz）的频率进行平滑转换，以实现设备中电机的变速运行，主电路总体通过控制电路进行控制，先通过整流电路将交流电变换成直流电，再通过直流滤波电路保障整流电路输出为平滑稳定的直流电，最后通过逆变电路将直流电转化成不同频率的交流电［4］。

图1 中央空调系统工作原理

变频调速技术通过逐渐提升电机的输入频率来使电机的工作电流从零逐渐提高到额定工作电流，避免了电机直接启动对电网的冲击，减少了设备损耗，在不同工况下通过变频器对设备进行无级调速减少能源损耗［5］。

2 中央空调水系统变频控制方案

现阶段主流的中央空调系统变频控制方案分为两种：1）空调主机内部的节能方法主要是对空调主机进行优化结构设计；2）中央空调水系统的节能方法主要是对冷冻、冷却水泵采用变频控制［6］。

空调主机内部节能方式一般是对压缩机进行变频控制，实现了高精度控制使主机随室内负荷的变化而变化始终处于最佳运行状态。可以实现年均节能30%以上。在低负荷时，实现节能70%［7］。在采用多机并联制冷方式在非满负荷工况下运行时，开机先运行全部压缩机，当冷冻水出水温度降至8℃以下后，满负荷工作1～1.5h再关闭部分压缩机，剩余压缩机变频运行维持制冷量，此时，冷冻水出水温度会在9～12℃波动，依然能够满足制冷需要，节能效果显著［8－9］。

中央空调水系统应用的变频调速技术主要是通过根据水泵输送能耗的变化来改变冷冻（却）水系统中循环水泵的电机转速的方法来实现的。常见的变流量控制方式主要有压差变流量控制、温差变流量控制［10］。

压差变流量控制的方法是在供回水干管两侧安装压力传感器采集压差信号，此信号输入变频器与原设定值比较来调控循环泵的转数和流量，控制供回水干管间压差的稳定。如图2所示。

温差控制法就是根据冷负荷变化通过变频控制系统来控制水泵的转速和流量保证空调主机供回水出口温差恒定。图3所示为一种在冷冻水回水干管上设置温度传感器，PID调节器、变频器的变频控制系统，该系统可以保持供回水口的温差恒定。

图2 压差变流量控制流程图

图3 温差变流量控制流程图

3 水泵变频调速的原理

传统中央空调水系统是通过在泵出口处的阀门调节来调整水泵流量。这种方法加大了系统局部阻力，降低了系统效率。根据水泵相似定律，流量Q（m3／h）、扬程H（m）、轴功率P（k W）和转速n（r／min）的关系如下所示［11］：

因此流量与转速一次方成正比，泵的扬程与转速二次方成正比，功耗与转速三次方成正比。

交流电动机的转速n与电源频率f之间的关系为［12］：

式中：M为电机的极对数；S为转差率。

由式（4）可知，当转差率变化不大时，只要平滑调节电源频率，就能平滑调节电机转速。水泵变频调速的原理就是根据冷（热）负荷的变化来调整水泵电源频率控制水泵的转速和流量，降低轴功率，达到节能目的。

4 变频泵技术在中央空调水系统中的应用

研究表明，中央空调系统中水泵能耗占系统总能耗的35%左右，因此水泵的变频节能控制意义重大［13］。下面简述几种变频泵系统。

4.1 二次泵系统

在多数设计中，空调主机要求定流量，而负荷侧为变流量，为了满足两侧的流量要求一般采用二次泵系统。负荷侧变流量循环系统采用变频泵控制流量，节约了能耗［14］。

4.2 一次泵变流量系统

随着空调主机技术的发展，在空调主机允许流量变化率大的中央空调水系统中可以使用一次泵变流量系统，该系统采只使用变频水泵不设定速泵，系统节能效果显著，但对空调主机的性能要求高［15］。

4.3 变频泵与工频泵的并联系统

很多改造项目采用这种系统时经常会发生大泵流量超出额定流量，小泵流量低于额定流量的现象，结果变频泵不能正常运行，系统能耗比全用定速泵时还要大，最终变频泵只能定速使用，没有达到系统改造的预期效果。

5 结 论

综上所述，在中央空调水系统的设计中要根据设计条件合理可选用的空调主机和变频水泵，运用变频控制方式以达到最佳节能效果。

［1］胡书琴，张九根.变频节能技术在中央空调水系统中的应用研究［J］.电气应用，2007，26（9）：128-131.

［2］张涛，张丽，尚希.基于PLC和变频技术的中央空调控制系统改造设计［J］.电机与控制应用，2012，39（7）：54-57.

［3］陈晓勇.变频技术在中央空调水循环系统改造中的应用［J］.山西建筑，2008，34（32）：169-170.

［4］陈世民，王伟.变频技术在中央空调系统控制中的应用［J］.安装，2007（1）：31-33.

［5］胡书琴.中央空调水系统的调速研究［J］.科技创新导报，2010（32）：2-2.

［6］周洪煜，陈小健，陈孜虎.变水量与变风量的中央空调节能控制策略［J］.控制工程，2011，18（3）：474-478.

［7］胡雪梅，任艳艳.中央空调的变频控制设计及节能分析［J］.电机与控制应用，2011，38（7）：44-47.

［8］邹玉东.中央空调节能技术研究［J］.工程技术，2009，10（3）：93-94.

［9］潘多.PLC控制中央空调水泵变频调速系统的设计［J］.农业科技与装备，2010，15（2）：37-39.

［10］孙东辉，王宏宇，赵秀芬.变频技术在中央空调冷却水压差控制中的应用［J］.低压电器，2009，11（6）：27-29.

［11］林永进.中央空调水系统中变频控制技术的应用［J］.机电工程，2009，26（9）：108-110.

［12］刘涛.中央空调水系统节能措施探讨［J］.制冷与空调，2008，22（2）：128-131.

［13］姜莉莉.中央空调水系统控制优化设计［J］.科技资讯，2012，20（15）：6-8.

［14］潘金文，汪琼珍.变频控制技术在中央空调水系统中的应用［J］.工程建设与设计，2003，8（1）：23-25.

［15］贾晶，施敏琪.空调冷水系统演变与一次泵变流量系统简介［J］.制冷空调与电力机械，2007，28（5）：49-52.

Application of frequency control technology in central air conditioning water system

ZH AO Xin

（Department of Civil Engineering ＆Architecture，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001，China）

With the improvement of people's living standards，the use of central air-conditioning system in modern architecture is getting more and more.In fixed speed pump air conditioning water system，circulating water is a constant flow into the air conditioning host.This fixed speed pump has high energy consumption.With the development of inverter technology，frequency control technology has been widely used in central air-conditioning water system.According to working principle of the air conditioning water and variable speed pump and inverter frequency control technology，VVVF control program is used to determine the water system.The control program is divided into planning of air conditioning host to optimize the design of the program and planning of chilled water pumps，and cooling water pump frequency conversion control.The inverter pump control flow can significantly reduce energy consumption.Central air conditioning water system uses three kinds of variable frequency pump control system，according to the different needs of the design details they are secondary pump system，pump variable flow system and frequency conversion pump and general pump parallel system.

frequency control technology；central air conditioning；water system；water pump

TB494

A

10.3969／j.issn.1673-5862.2013.02.029

1673-5862（2013）02-0260-03

2013-03-01。

辽宁省普通高等学校本科重点支持专业建设项目（2D201225）。

赵 辛（1979-），男，辽宁锦州人，辽宁工业大学实验师。