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摘要：中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，其电能的消耗非常之大，是用电大户。本文针对某商业广场，利用变频调速技术，对原有中央空调系统空调系统进行节能改造进行了分析。
关键词：中央空调；制冷系统；变频调速；节能改造
某商业广场位于广东佛山，是一站式高档购物、休闲、娱乐中心，共三幢楼，总建筑面积75,000平方米。商场建筑由主楼和辅楼连体结构组成。商场拥有各种国际品牌的专卖区，以及能同时接纳250人的多功能会议厅和多个不同规格的商务会议室。商场内还设有风格各异的中、西餐厅、咖啡吧、商务中心、健身房、娱乐室、商场等各种服务项目和大型地下停车库，建筑功能多样。由于空调泵电机，冷水机压缩不排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需求来决定电机的容量，故设计裕量一般偏大。因此采用变频调速技术不仅能使商场室温维持在所期望的状态，让人感到舒适满意，可使整个系统工作状态平缓稳定，更重要的是其节能效果高达30%以上，能带来很好的经济效益。
1、中央空调系统构成及工作原理
1.1 冷冻机组：通往各个房间的循环水由冷冻机组进行“内部热交换”作用，使冷冻水降温为5~7℃。并通过循环水系统向各个空调点提供外部热交换源。内部热交换产生的热量，通过冷却水系统在冷却塔中向空气中排放。内部热交换系统是中央空调的“制冷源”。
1.2 冷冻水塔：用于为冷冻机组提供“冷却水”。
1.3 “外部热交换”系统：由两个循环水系统组成：
⑴、冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻管道组成。从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在各个房间内进行热交换，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。
⑵、冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻机组进行热交换，使水温冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高，冷却泵将升了温的冷却水压入水塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水，送回到冷冻机组，如此不断循环，带走冷冻机组成释放的热量。
1.4 冷却风机
⑴、室内风机：安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷冻水冷却了的冷空气吹入房间，加速房间内的热交换；
⑵、冷卻塔风机用于降低冷却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。
中央空调系统的四个部分都可以实施节电改造。但冷冻水机组和冷却水机组的改造改造后节电效果最为理想，文章中我们将重点阐述对冷冻机组和冷却机组的变频调速技术改造。
2、节能改造系统
2.1 改造目的
中央空调系统中，各种风机和水泵的容量，是根据建筑物最大冷热负荷设计选定的，并留有一定的设计余量。中央空调系统负荷，主要跟建筑物的围壁与环境的热交换及其外界环境相关的；对于固定的建筑物，其负荷主要是随室外环境条件而变化的。中央空调的冷热负荷，在绝大部分时间内远低于设计负荷；即实际上大部分时间运行在低负荷状态；中央空调大部分时间运行在设计负荷的60 %以下。系统末端设备所需冷冻水量一般小于设计流量，而水系统是用定流量运行；故在部分负荷时，将浪费能源。空调水系统的耗电量约占空调总耗电量的15 %～20 %，因此，根据负荷变化对水系统采用变流量运行，将会带来可观的节能效果。
2.2 改造原理
对冷冻水系统、冷却水系统、热水系统，利用变频无级调速技术，解决了其供冷（热）量不随末端负荷需求变化而造成的电能浪费问题。在各种水泵电机拖动系统中接入变频系统，改变电机转速来调节流量、压力以及温度等变化，以取代阀门控制流量，来达到节能效果。
2.1.1调节电机速度与节省水泵功率
由流体力学知：
P=Q×H
式中：
P—水泵功率；
Q—水泵流量；
H—水泵的压头。
由于流量Q与转速N的一次方成正比，压头H与转速N的平方成正比，所以功率P与转速N的立方成正比。如果水泵效率一定，当要调节流量下降时，转速N可成比例地下降，水泵电机的耗电功率与转速近似成立方关系下降。
例如：一台水泵电机功率30 kW，当转速下降到原转速的4/5时（运行频率为40 Hz，额定频率为50 Hz），其耗电量为15.36 kW，省电48.8%；当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为3.75 kW，省电87.5%。
2.2.2 变频调速原理
交流电动机的同步转速：n＝60f (1－s )/p .式中：n 为异步电动机的转速；f 为异步电动机的频率；s 为电动机转差率；p 为电动机极对数。转速n 与频率f 成正比，只要改变频率f 即可改变电动机的转速，当频率f 在0～50 Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速
手段。
2.3 节能改造后的系统
（1）系统构成。中央空调节能控制系统由3个机柜组成。1#系统和风机控制柜：数据采集和中央处理主柜，同时控制冷却塔风机。2#冷暖控制柜：控制热水泵和冷冻泵。3#冷却泵控制柜：控制冷却泵。
（2）制冷模式下冷却塔风机控制模式。冷却塔风机7.5 kW，1台，采用温度变送器采集冷却塔出水温度进行控制，出水温度低于30 ℃时，停止运行；高于35 ℃时，工频启动运行；与冷却水循环泵变频控制系统联动运行。
（3）制冷模式下冷冻水泵（冷却泵、冷冻泵）的控制模式。冷却水循环泵、冷冻水循环泵各配30 kW变频器1台，均采用温度传感器对回水进行恒温控制，并根据循环水的温度自动地调节循环水的流量，达到最佳运行状态，而且具有软启动功能。该方案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；其控制方式为：冷冻回水温度高于设定温度时，频率无极上调最大达到50 Hz；反之，频率无级下调最低达到最低运行频率。
3、电效改造结果
3.1 节能
通过加负荷及无负荷实验，观察分析结果，空调节能效果达到24.8 %以上，表1是实验状况。
表1 节能实验状况及效果
3.2 提高功率因数
交流设备的容量以视在功率S 表示：
式中：
S—视在功率；
P—有功功率；
Q—无功功率。
其中：P =S ×cosθQ =S ×sinθ
功率因数COSθ越小，有功功率P 越小，无功功率Q 越大。无功功率不但增加线损和设备发热，更主要的是功率因数的降低会导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重。普通水泵电机的功率因数在0.6～0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，可使cosθ ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。通过加负荷及无负荷实验，观察分析结果，提高了其功率因数，见表2。
表2 节能实验状况及效果
3.3 软启动减少设备维护费用
由于电机为直接启动或者Y/△启动，启动电流等于4～7倍的额定电流，会对机电设备和供电电网造成严重冲击，还对电网容量要求过高，启动时的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。使用变频节能装置之后，利用变频器的软启动功能，将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备维护费用。
4、结束语
总之，通过对某商业广场中央空调节能改造，利用变频调速技术，提供了一套完整的中央空调节能改造方案，使中央空调能更合理利用电能，避免不必要的浪费。改造后运行表明利用变频调速技术改造空调节能是可行的，值得推广。
参考文献：
[1] 黎传新，综合性医院中央空调节能改造[J]建设科技，2008.02
[2] 李峰，中央空调节能改造[J]设备管理与维修，2003.07
关键词：中央空调；制冷系统；变频调速；节能改造
某商业广场位于广东佛山，是一站式高档购物、休闲、娱乐中心，共三幢楼，总建筑面积75,000平方米。商场建筑由主楼和辅楼连体结构组成。商场拥有各种国际品牌的专卖区，以及能同时接纳250人的多功能会议厅和多个不同规格的商务会议室。商场内还设有风格各异的中、西餐厅、咖啡吧、商务中心、健身房、娱乐室、商场等各种服务项目和大型地下停车库，建筑功能多样。由于空调泵电机，冷水机压缩不排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需求来决定电机的容量，故设计裕量一般偏大。因此采用变频调速技术不仅能使商场室温维持在所期望的状态，让人感到舒适满意，可使整个系统工作状态平缓稳定，更重要的是其节能效果高达30%以上，能带来很好的经济效益。
1、中央空调系统构成及工作原理
1.1 冷冻机组：通往各个房间的循环水由冷冻机组进行“内部热交换”作用，使冷冻水降温为5~7℃。并通过循环水系统向各个空调点提供外部热交换源。内部热交换产生的热量，通过冷却水系统在冷却塔中向空气中排放。内部热交换系统是中央空调的“制冷源”。
1.2 冷冻水塔：用于为冷冻机组提供“冷却水”。
1.3 “外部热交换”系统：由两个循环水系统组成：
⑴、冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻管道组成。从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在各个房间内进行热交换，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。
⑵、冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻机组进行热交换，使水温冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高，冷却泵将升了温的冷却水压入水塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水，送回到冷冻机组，如此不断循环，带走冷冻机组成释放的热量。
1.4 冷却风机
⑴、室内风机：安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷冻水冷却了的冷空气吹入房间，加速房间内的热交换；
⑵、冷卻塔风机用于降低冷却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。
中央空调系统的四个部分都可以实施节电改造。但冷冻水机组和冷却水机组的改造改造后节电效果最为理想，文章中我们将重点阐述对冷冻机组和冷却机组的变频调速技术改造。
2、节能改造系统
2.1 改造目的
中央空调系统中，各种风机和水泵的容量，是根据建筑物最大冷热负荷设计选定的，并留有一定的设计余量。中央空调系统负荷，主要跟建筑物的围壁与环境的热交换及其外界环境相关的；对于固定的建筑物，其负荷主要是随室外环境条件而变化的。中央空调的冷热负荷，在绝大部分时间内远低于设计负荷；即实际上大部分时间运行在低负荷状态；中央空调大部分时间运行在设计负荷的60 %以下。系统末端设备所需冷冻水量一般小于设计流量，而水系统是用定流量运行；故在部分负荷时，将浪费能源。空调水系统的耗电量约占空调总耗电量的15 %～20 %，因此，根据负荷变化对水系统采用变流量运行，将会带来可观的节能效果。
2.2 改造原理
对冷冻水系统、冷却水系统、热水系统，利用变频无级调速技术，解决了其供冷（热）量不随末端负荷需求变化而造成的电能浪费问题。在各种水泵电机拖动系统中接入变频系统，改变电机转速来调节流量、压力以及温度等变化，以取代阀门控制流量，来达到节能效果。
2.1.1调节电机速度与节省水泵功率
由流体力学知：
P=Q×H
式中：
P—水泵功率；
Q—水泵流量；
H—水泵的压头。
由于流量Q与转速N的一次方成正比，压头H与转速N的平方成正比，所以功率P与转速N的立方成正比。如果水泵效率一定，当要调节流量下降时，转速N可成比例地下降，水泵电机的耗电功率与转速近似成立方关系下降。
例如：一台水泵电机功率30 kW，当转速下降到原转速的4/5时（运行频率为40 Hz，额定频率为50 Hz），其耗电量为15.36 kW，省电48.8%；当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为3.75 kW，省电87.5%。
2.2.2 变频调速原理
交流电动机的同步转速：n＝60f (1－s )/p .式中：n 为异步电动机的转速；f 为异步电动机的频率；s 为电动机转差率；p 为电动机极对数。转速n 与频率f 成正比，只要改变频率f 即可改变电动机的转速，当频率f 在0～50 Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速
手段。
2.3 节能改造后的系统
（1）系统构成。中央空调节能控制系统由3个机柜组成。1#系统和风机控制柜：数据采集和中央处理主柜，同时控制冷却塔风机。2#冷暖控制柜：控制热水泵和冷冻泵。3#冷却泵控制柜：控制冷却泵。
（2）制冷模式下冷却塔风机控制模式。冷却塔风机7.5 kW，1台，采用温度变送器采集冷却塔出水温度进行控制，出水温度低于30 ℃时，停止运行；高于35 ℃时，工频启动运行；与冷却水循环泵变频控制系统联动运行。
（3）制冷模式下冷冻水泵（冷却泵、冷冻泵）的控制模式。冷却水循环泵、冷冻水循环泵各配30 kW变频器1台，均采用温度传感器对回水进行恒温控制，并根据循环水的温度自动地调节循环水的流量，达到最佳运行状态，而且具有软启动功能。该方案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；其控制方式为：冷冻回水温度高于设定温度时，频率无极上调最大达到50 Hz；反之，频率无级下调最低达到最低运行频率。
3、电效改造结果
3.1 节能
通过加负荷及无负荷实验，观察分析结果，空调节能效果达到24.8 %以上，表1是实验状况。
表1 节能实验状况及效果
3.2 提高功率因数
交流设备的容量以视在功率S 表示：
式中：
S—视在功率；
P—有功功率；
Q—无功功率。
其中：P =S ×cosθQ =S ×sinθ
功率因数COSθ越小，有功功率P 越小，无功功率Q 越大。无功功率不但增加线损和设备发热，更主要的是功率因数的降低会导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重。普通水泵电机的功率因数在0.6～0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，可使cosθ ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。通过加负荷及无负荷实验，观察分析结果，提高了其功率因数，见表2。
表2 节能实验状况及效果
3.3 软启动减少设备维护费用
由于电机为直接启动或者Y/△启动，启动电流等于4～7倍的额定电流，会对机电设备和供电电网造成严重冲击，还对电网容量要求过高，启动时的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。使用变频节能装置之后，利用变频器的软启动功能，将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备维护费用。
4、结束语
总之，通过对某商业广场中央空调节能改造，利用变频调速技术，提供了一套完整的中央空调节能改造方案，使中央空调能更合理利用电能，避免不必要的浪费。改造后运行表明利用变频调速技术改造空调节能是可行的，值得推广。
参考文献：
[1] 黎传新，综合性医院中央空调节能改造[J]建设科技，2008.02
[2] 李峰，中央空调节能改造[J]设备管理与维修，2003.07