节能空调变频控制系统的研究

节能空调变频控制系统的研究

【摘要】空调电能的消耗非常大，利用变频器控制系统，自动调节水泵的输出流量，达到节能目的提供了可靠的技术条件，能够有效的节省电能的消耗，这样可以取得经济和社会效益的最大化。

【关键词】节能空调变频控制

1 前言

空调系统随着人们生活水平的提高，但是空调电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。，实际上空调系统满负载时间很短，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。空调系统中冷冻主机的负荷却不能自动调节负载，造成了电能的无端浪费。

随着变频技术的日益成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量，达到节能目的提供了可靠的技术条件。

2 节能空调中变频控制系统

变频控制系统通过变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等构成温差闭环自动控制，根据负载轻重自动调整冷冻主机中水泵的运行频率实现高效节能方法。

2.1 中央空调系统简介

空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换以及热交换的过程。其理想运行状态是：在冷冻水循环系统中，在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷冻主机，在蒸发器进行热交换，被吸热降温后（7℃）被送到终端盘管风机或空调风机，经表冷器吸收空调室内空气的热量升温后（12℃），再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环。在冷却水循环系统中，在冷却泵的作用下冷却水流经冷冻机，在冷凝器吸热升温后（37℃）被送到冷却塔，经风扇散热后（32℃）再由冷却泵送到主机，形成循环。

在中央空调系统设计中，冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加10%—20%余量作为设计安全系数。据统计，在传统的中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的12%—24%，而在冷冻主机低负荷运行时，冷却水、冷冻水循环用电就达30%—40%。

2.2 变频控制系统的原理

2.2.1 变频器的控制方式

变频器控制系统根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整水泵电机的转速，在满足中央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵和冷却水泵作出相应调节，以达到节能目的。水泵电机转速下降，电机从电网吸收的电能就会大大减少。

其减少的功耗△P=P0〔1-（N1/N0）3〕（1）式

减少的流量△Q=Q0〔1-（N1/N0）〕（2）式

其中N1为改变后的转速，N0为电机原来的转速，P0为原电机转速下的电机消耗功率，Q0为原电机转速下所产生的水泵流量。由上式可以看出流量的减少与转速减少的一次方成正比，但功耗的减少却与转速减少的三次方成正比。

如：假设原流量为100个单位，耗能也为100个单位，如果转速降低10个单位，由（2）式△Q=Q0〔1-（N1/N0）〕=100*〔1-（90/100）〕=10可得出流量改变了10个单位，但功耗由（1）式△P=P0[1-（N1/N0）3]=100*〔1-（90/100）3〕=27.1可以得出，功率将减少27.1个单位，即比原来减少27.1%。

一般冷冻水设计温差为5～7℃，冷却水的设计温差为4～5℃，在系统流量固定的情况下，全年绝大部分运行时间温差仅为1.0～3℃，即在低温差、大流量情况下工作，从而增加了管路系统的能量损失，浪费了水泵运行的输送能量。我们知道，冷冻水、冷却水带走的热量=比热（r）×流量（Q）×温差（△T），而传输的介质是水，其比热（r）是不变的。这样，我们可以适当提高温差（△T），降低流量（Q），也即降低转速，使其乘积不变，使冷冻水、冷却水带走的热量相同，即可达到节能的目的。

当流量稍有下降时，泵的功率便急剧下降，节能效果非常显著。例如：22KW 的电机，当流量下降为80%时，功率下降为51.2KW，相应可节省48.8KW的功率。因此，随热负荷而改变水量的变流量空调水系统显示了巨大的优越性，因而得到越来越广泛的应用。采用变频器调节泵的转速，可以方便地调节水的流量，根据负荷变化的反馈信号经PID调节与变频器组成闭环控制系统，使泵的转速随负荷变化，这样就可以实现节能，其节能率通常都在30%以上。

2.2.2 冷冻（媒）水泵系统的闭环控制

（1）制冷模式下冷冻水泵系统的闭环控制。在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减。

（2）制热模式下冷冻水泵系统的闭环控制。在中中央空调中热泵运行（即制热）时冷冻水泵系统的控制方案。同制冷模式控制方案一样，在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其

设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减。

（3）冷却水系统的闭环控制。冷却水系统的闭环控制中先确定一个冷却泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷却水泵的频率是取冷却管进、出水温度差和出水温度信号来调节，当进、出水温差大于设定值时，频率无极上调，当进、出水温差小于设定值时，频率无极下调，同时当冷却水出水温度高于设定值时，频率优先无极上调，当冷却水出水温度低于设定值时，按温差变化来调节频率。

3 结语

通过对变频器控制系统在空调的应用分析，可以看出，变频器是一种理想的能量调节手段，能够有效的节省电能的消耗，这样可以取得经济和社会效益的最大化。

参考文献：

[1]张燕宾SPWM变频调速应用技术[M].北京：机械工业出版社，2002.96-104.

[2]伍光辉，吴克启.变频空调系统的理论分析及实验研究[J].制冷，2002，21（3）：13-17.