基于變頻技術的中央空調冷卻水循環系統改造設計

趙 冰，郭素娜，尚希

（1.河南中煙工業有限責任公司 技術中心，河南 鄭州 450000；2.河南工業職業技術學院 電氣工程系，河南 南陽 473000；3.河南工業職業技術學院 光電工程系，河南 南陽 473000）

隨著國民經濟的發展和人民生活水平的日益提高，中央空調越來越廣泛地應用在的民用和公共建筑中。中央空調為人們創造舒適環境的同時，其耗電量卻不能被忽視。據統計，中央空調的耗電量占各類大型建筑總用電量的60%以上，其中僅水泵電機的耗電量約占到空調系統耗電量[1]的20%～40%。而在傳統的設計中，中央空調的各電機都長期工頻恒速運行，雖然可滿足最大的用戶負荷，但不能隨用戶負荷動態調節，而在90%的時間都是低負荷運行，這樣就造成很大的能源浪費。空調能耗不僅給城市能源、環境保護帶來巨大壓力，而且也給建筑的經營者帶來沉重的經濟負擔。在低碳生活的呼聲越來越高的情形下，中央空調的巨大的耗水耗電量的現狀必須得到改變，因此采用變頻調速技術節約低負荷時主機系統和水泵、風機系統的電能消耗，具有極其重要的經濟和社會意義。

1 中央空調系統的結構與冷卻水循環系統

如圖1所示，中央空調一般由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統及主機3部分組成。冷卻水循環系統由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔和冷凝器等組成。冷凍水循環系統進行熱交換時，冷凍主機產生大量熱量，該熱量通過主機內的制冷劑傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水（出水）壓入冷卻水塔，由冷卻塔對其進行自然冷卻或通過冷卻塔風機對其進行噴淋式強迫風冷，使之與空氣進行熱交換，待溫度降低后（回水）再送回冷凍主機的冷凝器[2]。

2 水泵的變頻節能控制原理

水泵運行時，通常采用閥門調節來滿足工藝對流量的變化要求，即所謂節流調節。 在節流調節過程中，水泵的固有機械特性不變，僅僅靠調節閥門的開度，人為地增加管路的阻力來減小流量，因此增大了管路系統的損失。

圖2為閥門調節和變頻調速控的3種不同的工況下運行時的能量變化曲線。曲線（1）（2）分別為水泵在額定轉速n1和轉速n2運行時的特性曲線，曲線（3）（4）為水泵管路閥門全開和部分開時的管阻特性曲線。當不變速也不調節流量，工況點是曲線（1）、（3）的交點A點，此時水泵所需的功率正比AQ1OH1所圍成的面積。水泵全速運行用閥門控制時，即節流調節。當流量要求從Q1減小到Q2，必須關小閥門。這時閥門的磨擦阻力變大，管阻特性曲線從（3）移到（4），揚程則從H1上升到H2，運行工況點從A點移到B點。這時水泵所需的功率正比于BQ2OH2所圍成的面積。當水泵采用變頻調速控制方式運行時，要求流量從Q1減小到Q2，由于管阻特性曲線(3)不變，泵的特性取決于轉速，則速度從n1降到n2，揚程從H1下降到H3，運行工況點則從A點移到C點。這時水泵所需的功率正比于CQ2OH3所圍成的面積[3]。

圖1 中央空調結構原理圖Fig.1 Structure diagram of central air conditioning

圖2 水泵流量揚程特性曲線Fig.2 Characteristic curve of lift pump flow rate

由圖2可見，四邊形CQ2OH3的面積總是小于四邊形BQ2OH2的面積，功率的減少是非常明顯的，閥門控制流量時，有BH2H3C的功率被損耗浪費掉了，且隨著閥門不斷關小，這個損耗還要增加。而用轉速控制時，由于電動機的所需功率按轉速的三次方下降。那么在運轉同樣流量的情況下，原來消耗在閥門的功率就可以全避免，取得良好的節能效果，這就是水泵變頻調速節能的基本原理。

3 變頻調速改造設計

某建筑中央空調系統，其冷卻泵的拖動電機為30 kW，二備一用，冷卻塔為7.5 kW，一臺運行一臺備用，冷卻泵電機采用Y/△啟動方式，全年恒速運行。下面以該空調系統為例，對其冷卻水循環系統進行變頻節能改造設計。

3.1 改造方案

系統配置變頻器1臺，依次對冷卻泵的3臺電動機進行變頻控制。保留由市電供電，Y/△啟動的常規控制方式，安裝工頻/變頻切換裝置，防止變頻器發生故障時，系統能自動切換到市電進行工頻運行。系統選用一臺PLC對水泵電機變頻器等進行控制協調。

變頻器實現1拖3運行控制。當1號泵工作頻率上升，當已經達到額定頻率而水量仍不滿足時，PLC控制變頻器調入2號水泵投入變頻運行，如果還不滿足則2號水泵切換為工頻運行，接入3號泵投入變頻運行。反之，當用水量減少時，則3號泵降頻運行或者退出工作，然后2號泵依次降頻運行工作，完成一次減泵的循環。

中央空調系統的外部熱交換由兩個循環水系統來完成。循環水系統的回水與進（出）水溫度之差，反映了需要進行熱交換的熱量，因此根據回水與進（出）水溫度之差來控制循環水的流動速度，可以控制系統熱交換的速度。冷卻泵的變頻控制常以出水回水間的溫差作為控制依據，實現恒溫差控制。溫差大，說明冷凍機組產生的熱量大，應提高冷卻泵的轉速，增大冷卻水的循環速度及流量；溫差小，說明冷凍機組產生熱量小，可以降低冷卻泵的轉速，減緩冷卻水的循環速度及流量，從而達到節能目的[4]。

圖3 PID調節的溫差閉環控制系統示意圖Fig.3 Diagram of thermoelectric closed-loop control system on PID regulation

如圖1所示，可以在冷卻水出水回水管道靠近冷凝器出水及回水處安裝溫度傳感器，實時檢測管網的溫度并反饋送入變頻器內的PID調節器，控制變頻器改變輸出頻率。如圖3所示為PID調節溫度的閉環控制系統示意圖。一般冷卻水出水溫度保持在37℃，冷卻水回水溫度保持在32～28℃，出水回水的溫差設定為5～7℃。當冷卻水出水回水溫差高于溫差上限設定值7℃時，頻率直接優先上調至上限頻率。當冷卻水出水回水溫差低于溫差下限設定值5℃時，頻率直接優先下調至下限頻率。當冷卻水出水回水溫差介于溫差下限設定值與溫差上限設定值時，通過對冷卻水出水溫度及溫度上、下限設定值進行PID計算，從而達到對頻率進行無級調速，通過調節循環水的熱交換速度，最終實現恒溫差控制[5]。

3.2 電路設計

變頻器選擇FR-A540L-90K，其變頻器1控3的電路如圖4所示。KM1、KM3、KM5分別為電動機M1、M2、M3工頻運行時接通電源的控制接觸器，KM0、KM2、KM4分別為電動機M1、M2、M3變頻運行時接通電源的控制接觸器。

PLC選用FXos-30MR-D型。PLC對冷卻水泵電機的控制接線如圖5所示。Y0接KM0控制M1的變頻運行，Y1接KM1控制M1的工頻運行；Y2接KM2控制M2的變頻運行，Y3接KM3控制 M2的工頻運行；Y4接KM4控制M3的變頻運行，Y5接KM5控制M3的工頻運行。X0接起動按鈕，X1接停止按鈕，X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口，X4接 M1的熱繼電器，X5接 M2的熱繼電器，X6接M3的熱繼電器。為了防止出現某臺電動機既接工頻電又接變頻電設計了電氣互鎖。在同時控制M1電動機的兩個接觸器KM1、KM0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。頻率檢測的上/下限信號分別通過OL和FU輸出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號[5]。

圖4 變頻器控制電機電路圖Fig.4 Circuit diagram of inverter control motor

圖5 PLC的控制接線圖Fig.5 Control wiring diagram on PLC

4 變頻調速后的節能分析

對于水泵類負載：其電機轉速n、流量Q、揚程H及軸功率P的關系如下：

式中：n1，n2——電機轉速；Q1，Q2——流量；H1，H2——揚程；P1，P2——軸功率。即流量、揚程、軸功率正比于轉速的一次方、平方、立方。根據上面的公式分析，如果能根據負載情況實時改變電機的轉速即可達到節能的目的。例如：當轉速降派到80%時，流量減少到80%，而軸功率卻下降到額定功率的（80%）3=51.2%，即節電48.8%，從而大大節約電能。顯然當通過降低轉速以減少流量來達到節流目的時，所消耗的功率將降低很多[6]。

5 結束語

文中基于變頻控制原理，對中央空調冷卻水循環系統實施改造，克服了原傳統控制方案的不足，使整個中央空調系統處于最佳運行狀態，改造后的調速控制電路性能好、調速范圍大、調速精度高、運行安全可靠、電動機實現軟啟動、操作簡便、節能效果明顯，還大大降低對空調設備和電網的沖擊，延長了中央空調系統的使用壽命，具有良好的經濟效益，值得進一步的研究和推廣。本文的研究為設計或使用部門對中央空調的改造提供借鑒。

[1]周海東.供水泵變頻節能技術探討[J].中華紙業，2011，32（4）：72-75.ZHOU Hai-dong.On energy-saving technologies of frequency conversion for water pumps[J].China Pulp&Paper Industry，2011，32（4）：72-75.

[2]潘多.PLC控制中央空調水泵變頻調速系統的設計 [J].農業科技與裝備，2010（2）：37-39.PAN Duo.Design of the frequency conversion velocity modulation systemof water pump for central air conditioning contro-lled by PLC[J].Agricultural Science&Technology and Equipment，2010（2）：37-39.

[3]梁志國.基于PLC的中央空調控制系統設計[J].承德石油高等專科學校學報，2009（12）：38-41.LIANG Zhi-guo.PLC-based central air-conditioning control system design[J].Journal of Chengde Petro leum College，2009（12）：38-41.

[4]李良仁.變頻調速技術與應用[M].北京：電子工業出版社，2010.

[5]胡雪梅，任艷艷.中央空調的變頻控制設計及節能分析[J].電機與控制應用，2011（7）：44-47.HU Xue-mei，REN Yan-yan.Design&energy saving analysis of frequency conversion control in central air conditioning[J].Electric Machines&Control Application，2011（7）：44-47.

[6]王廷才，胡雪梅.變頻器原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2010.