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[摘 要]采用变频器控制循环泵可以使循环水量与负荷变化相适应，这对于节能环保以及延长设备的使用寿命具有重要意义。本文对中央空调系统应用变频技术的需求进行了分析，并论述了变频节能原理和变频自动控制的特点，最后对应用变频器的系统方案作出了说明。
[关键词]中央空调 变频器 应用 节能
中图分类号：TB657.2；TN773 文献标识码：TB 文章编号：1009―914X（2013）25―0517―01
1、前言
随着人们对生活和工作环境的要求越来越高，中央空调已经广泛地应用于各种功能类型的建筑，例如生产车间、办公及民用建筑等，但中央空调的能耗却非常大，约占建筑物总能消耗的50%以上。目前，我国国内许多大型建筑的中央空调系统是按照最大冷热负荷并留有一定余量进行选型设计的，但在正常的使用过程中，几乎所有空调系统的负荷都是实时变化的，满负荷出现的几率很低。传统的控制方式不能根据负荷的变化实时地对中央空调系统进行调节，这不仅造成了能量的浪费，而且长时间以高于实际需求的负荷、甚至于满负荷运行，会恶化空调系统的运行环境和运行质量。因此，在中央空调系统中引入变频技术以构成闭环自动控制，对避免能源浪费，提高冷热舒适度，延长设备寿命具有重要的理论和现实意义。而变频器作为重要的自动化控制设备，其价格便宜、技术成熟的特点也进一步推动了其在中央空调自动控制领域中的应用。
2、中央空调系统采用变频技术的需求分析
通常来说，中央空调系统都是按照最大负荷的工况进行选型设计的，并且会预留10%～20%的余量，即各种水泵的选型是根据系统的最大负荷确定的，泵的额定功率往往大于设计的最大功率，这首先在设备选型上就造成了一定的浪费。此外，中央空调运行的实际环境并不是一成不变的，因为各种不确定的内外因素影响，系统的实际负荷总是在不断变化的，所以对中央空调系统实施闭环动态控制的节能潜力巨大。
采用中央空调的大型建筑物采取集中供冷，其分散在建筑物各处的空调机组随时都处于调节的过程中，冷冻水和冷却水的使用量是实时变化的，所以系统的压力也会随之不断地进行变化。这就会产生一个问题，冷却机往往可以依照负载的变化随之加载或减载，循环泵却对负载的变化不做出反应，从而会造成很大的浪费。
传统的在分水器和集水器之间加装一套压力旁通控制装置，依靠旁通和阀门来调节流量和压差的方式虽然解决了压力平衡的问题，但却造成了大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，是一种很不经济的控制方式。并且采用这种方式的空调末端往往达不到理想的舒适温度，且能耗依然非常大。
除此之外，水泵的启动方式决定了电动机的启动电流会产生很大的电流冲击（以90kw的电动机为例，其启动电流会达到500A，是其额定电流的3～4倍），这会对接触器和电机的使用寿命造成不利影响。与此同时，启动时会产生机械冲击，停泵时又会产生水锤现象，这都可能对系统的结构和零件造成损坏，增加维护成本。
采用变频器的循环控制系统可以使循环水量与负荷变化相适应，一方面能够通过控制冷冻（却）泵的转速来调节水流量，使冷冻（却）水的的实际流量与需求量一致，从而节约能源；另一方面，变频器的启动方式不同于传统的电机硬启动方式，不会产生冲击电流，这对延长系统设备的使用寿命，降低设备的维护成本具有重要意义。
3、变频节能原理分析
3.1变频变水量节能分析
蒸发器和冷凝器存在如下关系：
（1）
其中Q为制冷量，c为水比热，G为水流量，△t为进出水温差。由式（1）可知，当采用定水量调节时，制冷量和进出水温差成正比关系，当外界热负荷升降引起冻水回水温度的变化而对其出水温度产生影响时，压缩机的制冷量也必须随之发生改变以平衡热负荷，即△t会发生变化，这时会造成一定的能源浪费且制冷效果不理想；当采用变水量调节时，进出水温差是恒量，由式（1）可知，此时的变频水流量和制冷量成正比关系，进出水温差△t始终被控制在我们能接收的范围内，这对提高系统效率、营造较为舒适的空调温度具有积极意义。并且变频水量调节的方式因为阀门全开的缘故，管阻会最小，其管路水力不平衡的状况会得到有效改善，进而增强了中央空调系统各末端的使用效果。
3.2中央空调循环泵的变频节能潜力
首先，通过上文分析可知，空调循环泵的流量是按照其最大负荷下的流量设计选定的，并留有10%～20%的余量，而这些余量可以通过变频调速节约下来。其次，随着外界热负荷升降的改变，制冷主机可以随之进行加、卸载，因为系统的绝大部分工作时间都未满负荷，所以循环水泵的流量可以随着制冷机工作负荷的变化而变化，在满足制冷机最小流量的基础上实现充分节能的目的。
3.3变频调节与阀门调节的比较
变频变水量调节的一个最大特点就是阀门全开，管阻将会大大减小，水的流速会下降。因为水泵消耗的电能与流量成三次方的关系，与管阻减小的倍数成平方关系，因此采用变频变水量调节的方式可以有效节约电能。采用阀门调节降低流量的方式，虽然可以实现对电能的节约，但与变频变水量调节阀门全开的方式相比，它增加了管路阻力和水泵扬程，所以不具备优势。
4、变频自动控制的特点
与传统控制方式相比，采用变频自动控制方式的中央空调系统具备以下特点：a.通过变频器对交流电动机的调速运行，可以使循环水泵的转速随负荷的变化而变化，即水流量随负荷的变化而变化，因为水泵的平均转速明显降低，所以有效地实现了节能的目的。根据相关应用实例可知，采用变频变水量调节的中央空调系统的节能可达35%～70%之多。b.水泵骤停骤开时，电动机的启停会产生很大的冲击电流，进而损害设备的电气和机械寿命，而采用变频器的软启动方式则有效避免了冲击电流的产生。c.变频自动控制方式对系统管网无特殊要求，不需要对传统中央空调系统的管道和水泵作改进设计，具有安装简单、维护方便的特点。d.变频变水量调节往往采用微机或PLC控制，其运行无需人工管理，实现了自动化。 5、系统方案说明
5.1循环泵的交流变频控制
在循环泵的交流变频控制系统中，通常对冷却水系统采用冷凝器进水温度作为系统的调节测量信号，而在冷冻水系统中，则将供、回水压力差作为系统的调节测量信号。这里以冷冻水系统为例：把差压变送器装在回水管和供水管的主干管之间，其输出的标准信号经变频器的数据处理系统计算并与设定压力值比较后，经PID 调节后给出输出频率，从而实现对水泵电机转速的调节，以恒定供、回水管之间的压差，形成完整的闭环控制系统。当管道水流量减小时，压差会增大，变频器输出频率则降低，电机转速随之下降，管道压差回落至设定值，以保持供、回水压差恒定，反之依然。
5.2多台循环泵的变频控制过程
一般而言，中央空调系统不可能只有一台循环泵，此时往往需要借助PLC的启停逻辑控制来实现多泵联用一台变速器。这种模式一般通过循环控制泵的启停顺序，使泵的使用率保持均匀，进而实现对水量的调节目的。这里以三台循环泵为例作出说明：当冷冻水用量下降时，管道压差会提高，变频器输出频率则降低，而当频率回落至设定值时，经一定延时后，会自动切出一台运行在工频上的循环泵，如频率再一次低至设定值，则再切出一台，系统必须始终保持有一台循环泵运行在变频状态。这里需要指出的是，有时某个泵可能处于检修或损坏等不能参与循环控制的状态，这时可以通过程序设置来保证该泵不参与运行和轮换。
6、结束语
采用变频器控制循环泵，能使水泵随空调负荷的变化而自动变速运行，从而达到节能的目的，并且变频器的软启动有效地消除了电动机启动时的冲击电流，对于节能环保以及延长设备的使用寿命具有重要的现实意义。
参考文献
[1] 马林，宣峰.变频器在中央空调控制系统中的应用[J].制冷，2011，30（2）：82-84
[2] 郭重思.变频器在中央空调节能中的应用[J].中国科教创新导刊，2007，（23）：195-196
[3] 王兴浩. PLC与变频器在中央空调冷却水泵中的节能改造[J].科学咨询（科技·管理），2011，（22）：86-87
[4] 唐进.变频器在中央空调节能改造中的应用[J].低压电器，2009，（4）：8-12
[5] 张金科.变频器在中央空调循环水系统中的应用及选型要点[J].国内外机电一体化技术，2006，9（4）：17-10
[关键词]中央空调 变频器 应用 节能
中图分类号：TB657.2；TN773 文献标识码：TB 文章编号：1009―914X（2013）25―0517―01
1、前言
随着人们对生活和工作环境的要求越来越高，中央空调已经广泛地应用于各种功能类型的建筑，例如生产车间、办公及民用建筑等，但中央空调的能耗却非常大，约占建筑物总能消耗的50%以上。目前，我国国内许多大型建筑的中央空调系统是按照最大冷热负荷并留有一定余量进行选型设计的，但在正常的使用过程中，几乎所有空调系统的负荷都是实时变化的，满负荷出现的几率很低。传统的控制方式不能根据负荷的变化实时地对中央空调系统进行调节，这不仅造成了能量的浪费，而且长时间以高于实际需求的负荷、甚至于满负荷运行，会恶化空调系统的运行环境和运行质量。因此，在中央空调系统中引入变频技术以构成闭环自动控制，对避免能源浪费，提高冷热舒适度，延长设备寿命具有重要的理论和现实意义。而变频器作为重要的自动化控制设备，其价格便宜、技术成熟的特点也进一步推动了其在中央空调自动控制领域中的应用。
2、中央空调系统采用变频技术的需求分析
通常来说，中央空调系统都是按照最大负荷的工况进行选型设计的，并且会预留10%～20%的余量，即各种水泵的选型是根据系统的最大负荷确定的，泵的额定功率往往大于设计的最大功率，这首先在设备选型上就造成了一定的浪费。此外，中央空调运行的实际环境并不是一成不变的，因为各种不确定的内外因素影响，系统的实际负荷总是在不断变化的，所以对中央空调系统实施闭环动态控制的节能潜力巨大。
采用中央空调的大型建筑物采取集中供冷，其分散在建筑物各处的空调机组随时都处于调节的过程中，冷冻水和冷却水的使用量是实时变化的，所以系统的压力也会随之不断地进行变化。这就会产生一个问题，冷却机往往可以依照负载的变化随之加载或减载，循环泵却对负载的变化不做出反应，从而会造成很大的浪费。
传统的在分水器和集水器之间加装一套压力旁通控制装置，依靠旁通和阀门来调节流量和压差的方式虽然解决了压力平衡的问题，但却造成了大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，是一种很不经济的控制方式。并且采用这种方式的空调末端往往达不到理想的舒适温度，且能耗依然非常大。
除此之外，水泵的启动方式决定了电动机的启动电流会产生很大的电流冲击（以90kw的电动机为例，其启动电流会达到500A，是其额定电流的3～4倍），这会对接触器和电机的使用寿命造成不利影响。与此同时，启动时会产生机械冲击，停泵时又会产生水锤现象，这都可能对系统的结构和零件造成损坏，增加维护成本。
采用变频器的循环控制系统可以使循环水量与负荷变化相适应，一方面能够通过控制冷冻（却）泵的转速来调节水流量，使冷冻（却）水的的实际流量与需求量一致，从而节约能源；另一方面，变频器的启动方式不同于传统的电机硬启动方式，不会产生冲击电流，这对延长系统设备的使用寿命，降低设备的维护成本具有重要意义。
3、变频节能原理分析
3.1变频变水量节能分析
蒸发器和冷凝器存在如下关系：
（1）
其中Q为制冷量，c为水比热，G为水流量，△t为进出水温差。由式（1）可知，当采用定水量调节时，制冷量和进出水温差成正比关系，当外界热负荷升降引起冻水回水温度的变化而对其出水温度产生影响时，压缩机的制冷量也必须随之发生改变以平衡热负荷，即△t会发生变化，这时会造成一定的能源浪费且制冷效果不理想；当采用变水量调节时，进出水温差是恒量，由式（1）可知，此时的变频水流量和制冷量成正比关系，进出水温差△t始终被控制在我们能接收的范围内，这对提高系统效率、营造较为舒适的空调温度具有积极意义。并且变频水量调节的方式因为阀门全开的缘故，管阻会最小，其管路水力不平衡的状况会得到有效改善，进而增强了中央空调系统各末端的使用效果。
3.2中央空调循环泵的变频节能潜力
首先，通过上文分析可知，空调循环泵的流量是按照其最大负荷下的流量设计选定的，并留有10%～20%的余量，而这些余量可以通过变频调速节约下来。其次，随着外界热负荷升降的改变，制冷主机可以随之进行加、卸载，因为系统的绝大部分工作时间都未满负荷，所以循环水泵的流量可以随着制冷机工作负荷的变化而变化，在满足制冷机最小流量的基础上实现充分节能的目的。
3.3变频调节与阀门调节的比较
变频变水量调节的一个最大特点就是阀门全开，管阻将会大大减小，水的流速会下降。因为水泵消耗的电能与流量成三次方的关系，与管阻减小的倍数成平方关系，因此采用变频变水量调节的方式可以有效节约电能。采用阀门调节降低流量的方式，虽然可以实现对电能的节约，但与变频变水量调节阀门全开的方式相比，它增加了管路阻力和水泵扬程，所以不具备优势。
4、变频自动控制的特点
与传统控制方式相比，采用变频自动控制方式的中央空调系统具备以下特点：a.通过变频器对交流电动机的调速运行，可以使循环水泵的转速随负荷的变化而变化，即水流量随负荷的变化而变化，因为水泵的平均转速明显降低，所以有效地实现了节能的目的。根据相关应用实例可知，采用变频变水量调节的中央空调系统的节能可达35%～70%之多。b.水泵骤停骤开时，电动机的启停会产生很大的冲击电流，进而损害设备的电气和机械寿命，而采用变频器的软启动方式则有效避免了冲击电流的产生。c.变频自动控制方式对系统管网无特殊要求，不需要对传统中央空调系统的管道和水泵作改进设计，具有安装简单、维护方便的特点。d.变频变水量调节往往采用微机或PLC控制，其运行无需人工管理，实现了自动化。 5、系统方案说明
5.1循环泵的交流变频控制
在循环泵的交流变频控制系统中，通常对冷却水系统采用冷凝器进水温度作为系统的调节测量信号，而在冷冻水系统中，则将供、回水压力差作为系统的调节测量信号。这里以冷冻水系统为例：把差压变送器装在回水管和供水管的主干管之间，其输出的标准信号经变频器的数据处理系统计算并与设定压力值比较后，经PID 调节后给出输出频率，从而实现对水泵电机转速的调节，以恒定供、回水管之间的压差，形成完整的闭环控制系统。当管道水流量减小时，压差会增大，变频器输出频率则降低，电机转速随之下降，管道压差回落至设定值，以保持供、回水压差恒定，反之依然。
5.2多台循环泵的变频控制过程
一般而言，中央空调系统不可能只有一台循环泵，此时往往需要借助PLC的启停逻辑控制来实现多泵联用一台变速器。这种模式一般通过循环控制泵的启停顺序，使泵的使用率保持均匀，进而实现对水量的调节目的。这里以三台循环泵为例作出说明：当冷冻水用量下降时，管道压差会提高，变频器输出频率则降低，而当频率回落至设定值时，经一定延时后，会自动切出一台运行在工频上的循环泵，如频率再一次低至设定值，则再切出一台，系统必须始终保持有一台循环泵运行在变频状态。这里需要指出的是，有时某个泵可能处于检修或损坏等不能参与循环控制的状态，这时可以通过程序设置来保证该泵不参与运行和轮换。
6、结束语
采用变频器控制循环泵，能使水泵随空调负荷的变化而自动变速运行，从而达到节能的目的，并且变频器的软启动有效地消除了电动机启动时的冲击电流，对于节能环保以及延长设备的使用寿命具有重要的现实意义。
参考文献
[1] 马林，宣峰.变频器在中央空调控制系统中的应用[J].制冷，2011，30（2）：82-84
[2] 郭重思.变频器在中央空调节能中的应用[J].中国科教创新导刊，2007，（23）：195-196
[3] 王兴浩. PLC与变频器在中央空调冷却水泵中的节能改造[J].科学咨询（科技·管理），2011，（22）：86-87
[4] 唐进.变频器在中央空调节能改造中的应用[J].低压电器，2009，（4）：8-12
[5] 张金科.变频器在中央空调循环水系统中的应用及选型要点[J].国内外机电一体化技术，2006，9（4）：17-10