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富凌DZB300變頻器在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言
       隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于賓館、酒店、寫字樓、商場(chǎng)、醫(yī)院大樓、工業(yè)廠房等場(chǎng)合，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由制冷壓縮機(jī)組、冷（熱）媒循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量大多是按照建筑物最大制冷、制熱負(fù)荷或新風(fēng)交換量需求來(lái)選定的，且留有很大的裕量。在使用過(guò)程中無(wú)法隨著如季節(jié)的變化，晝夜的變化，人數(shù)的多少進(jìn)行調(diào)整，電機(jī)長(zhǎng)期在工頻全速運(yùn)行，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。雖然系統(tǒng)采用了閘閥、檔板等節(jié)流方式，但能量浪費(fèi)十分嚴(yán)重，用電量占大廈總用電量的60%以上，其中，水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的40%左右，故有著很大的節(jié)能空間。因此，節(jié)約低負(fù)荷時(shí)主壓縮機(jī)系統(tǒng)和水泵、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的電能消耗，具有極其重要的經(jīng)濟(jì)意義。
 

中央空調(diào)系統(tǒng)的工作原理及組成結(jié)構(gòu)
       中央空調(diào)系統(tǒng)由主機(jī)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)部分三大部分組成。其冷卻水泵控制原理圖如下所示：

圖1

       中央空調(diào)系統(tǒng)按負(fù)載類型可將其分為兩大類:
◆ 恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載：如螺桿式或離心式制冷主壓縮機(jī)系統(tǒng)的壓縮機(jī)，不僅對(duì)軸輸出的轉(zhuǎn)矩具有最小值限定的需求，而且其轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系也近似表現(xiàn)為線性特征。
◆ 平方轉(zhuǎn)矩型負(fù)載：如冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷媒循環(huán)水系統(tǒng)（熱泵循環(huán)水系統(tǒng)）、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載，它們對(duì)軸轉(zhuǎn)矩沒(méi)有嚴(yán)格的需求，其軸功率與轉(zhuǎn)速具有顯著的立方關(guān)系特征。不同的負(fù)載類型具有不同的轉(zhuǎn)矩、功率關(guān)系特性，節(jié)能空間各有不同。
l 制冷壓縮機(jī)的節(jié)能調(diào)節(jié)原理
       以蒸汽壓縮式制冷循環(huán)為例，中央空調(diào)的制冷系統(tǒng)其制冷循環(huán)過(guò)程如上圖所示。螺桿壓縮機(jī)的功率調(diào)節(jié)可以通過(guò)變頻調(diào)節(jié)的方式，以降低螺桿的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。（為防止排氣端向排氣孔形成的高壓氣體倒流現(xiàn)象的發(fā)生，如噴油現(xiàn)象，通常將最小排氣量限定在10%左右）。因此，螺桿壓縮機(jī)的功率輸出可以在10%～100%范圍里實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)節(jié)。有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)螺桿壓縮機(jī)負(fù)荷在50%以上時(shí)其功率與負(fù)荷成線性正比關(guān)系，而低于40%負(fù)荷時(shí)其實(shí)際消耗功率遠(yuǎn)大于線性理論計(jì)算功率，所以采用變頻技術(shù)時(shí)無(wú)法全負(fù)荷區(qū)間內(nèi)獲得理想節(jié)能效果，從而使變頻控制技術(shù)的應(yīng)用受到困擾。由上分析可見，就中央空調(diào)制冷壓縮機(jī)而言，壓縮機(jī)本身也已采用了自動(dòng)調(diào)節(jié)方式，故一般不建議對(duì)制冷壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。
l 風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能調(diào)節(jié)原理
         由流體力學(xué)理論可知，離心式流體傳輸設(shè)備（如離心式水泵、風(fēng)機(jī)等）的輸出流量Q與其轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力P（揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速n的平方成正比；輸出功率N與其轉(zhuǎn)速n的三次方成正比，用數(shù)學(xué)公式可表示為：
        Q∝N     H∝N²       N∝N³ 
        KW=Q*H∝N³
       (Q代表流量，N代表轉(zhuǎn)速，H代表?yè)P(yáng)程，KW代表軸功率)
       例如：將供電頻率由50Hz降為45Hz，則P45/P50=（45/50）³= 0.729，即P45=0.729 P50；將供電頻率由50Hz降為40Hz，則P40/P50

=（40/50）³  = 0.512，即P40=0.512 P50。
       由上述原理可知，降低水泵的轉(zhuǎn)速，水泵的輸出功率就可以下降更多。改造前我們需要判斷系統(tǒng)是否具有節(jié)能潛力。由于中央空調(diào)系統(tǒng)所具有的特殊性，主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮：首先是泵本身的額定流量與揚(yáng)程指標(biāo)和運(yùn)行時(shí)實(shí)際輸出表現(xiàn)；其次是系統(tǒng)對(duì)實(shí)際供水需求量所要求的溫度差，或壓力與機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)之間的偏差大小。以冷凍泵為例，采用實(shí)時(shí)采集進(jìn)出水溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)智能溫度控制器控制運(yùn)算處理，輸出4~20mA的模擬信號(hào)，決定變頻器對(duì)泵的調(diào)節(jié)方向與調(diào)節(jié)幅度。為了避免出現(xiàn)“悶泵”或“斷流”現(xiàn)象，泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)限定在一定值以上，這個(gè)下限轉(zhuǎn)速（最低供給揚(yáng)程和流量）可以通過(guò)變頻器的輸出下限頻率來(lái)設(shè)定，在保證足夠的揚(yáng)程和流量的前提下（避免中央空調(diào)系統(tǒng)低壓檢測(cè)報(bào)警動(dòng)作），建議采用溫度控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

變頻節(jié)能系統(tǒng)電路控制改造線路示意圖
l 變頻器系統(tǒng)接線圖

       說(shuō)明：該方案使用富凌DZB300系列通用變頻器，“市電”“節(jié)電”旁路需要另配電控柜及電氣配件。按實(shí)際情況做一用兩備或兩用一備使用
l 參數(shù)設(shè)置
       F0.01=1        運(yùn)行指令端子控制
       F0.03=5        頻率指令PID控制
       F0.05=48       運(yùn)行頻率上限
       F0.06=15       運(yùn)行頻率下限
       F0.10=2        禁止反轉(zhuǎn)運(yùn)行
       F0.19=1        自由停車
       F1.20=1        平方轉(zhuǎn)矩V/F曲線
       F2.01=1        正轉(zhuǎn)運(yùn)行
       F2.07=0        兩線式控制
       F2.21=3        故障常開輸出
       F4.18=0        PID鍵盤給定
       F4.19=50       鍵盤預(yù)置PID給定
       F4.20=0        PID模擬通道VI反饋
       F4.21=1        PID輸出為負(fù)特性
       F4.22=1        比例增益
       F4.23=0.1      積分時(shí)間
       F4.24=0.00     微分時(shí)間
       F4.25=0.10     采樣周期
       F4.26=5.0      PID控制偏差極限
  

實(shí)際設(shè)備工況
l 冷凍媒水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制(檢測(cè)進(jìn)、出水溫差)
       中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍循環(huán)水的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫度為：12℃/7℃，額定指標(biāo)冷凝器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水允許溫差為5℃。如進(jìn)出水溫差為2℃，因此從溫差現(xiàn)象角度上看，冷凍循環(huán)水的實(shí)際需求量?jī)H為供給量的2℃/5℃=40%，在變頻調(diào)速情況下，泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速只要工作在額定轉(zhuǎn)速的40%就可以滿足要求，泵的能耗僅約為額定能耗的10%以下，能量的交換不充分原因致使系統(tǒng)的制冷效果變差，因此節(jié)能空間非常大。在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個(gè)冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率（一般取25Hz），將其設(shè)定為下限頻率，鎖定冷凍水泵的最低工作速度，通過(guò)智能溫度控制器檢測(cè)冷凍進(jìn)出水溫度差值，來(lái)控制變頻器的頻率增減控制方式，使冷凍回水溫度大于設(shè)定溫度時(shí)頻率無(wú)極上調(diào)。
l 制熱模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制(檢測(cè)進(jìn)、出水溫差)
       該模式是在中中央空調(diào)中熱泵運(yùn)行即制熱時(shí)（秋、冬季），和冷凍水泵系統(tǒng)的控制方案一樣，同上。
l 冷卻循環(huán)水泵開環(huán)控制（檢測(cè)進(jìn)、出水溫差)
       中央空調(diào)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)冷卻循環(huán)進(jìn)出水溫度差為：4℃～8℃，冷卻塔標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水溫差為：3℃～5℃，用于采暖的熱水進(jìn)出水溫度為：50℃/60℃。該部分由冷卻泵、冷卻水塔及冷凝器等組成。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)熱交換的同時(shí)，帶走室內(nèi)大量的熱能，能量從主機(jī)內(nèi)的冷媒傳遞給冷凝器，使冷卻水溫度升高；冷卻泵將升溫后的冷卻水輸送至冷卻水塔（出水），使之與大氣進(jìn)行能量交換，使冷卻降低溫度后再送回主機(jī)冷凝器（回水）。因此，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)同時(shí)受室外環(huán)境溫度及室內(nèi)熱負(fù)荷兩方面影響，循環(huán)水管道單側(cè)的水溫不能準(zhǔn)確反映該系統(tǒng)的熱交換量，需在冷卻管進(jìn)出水主管上安裝一個(gè)溫差傳感器如圖1示，以出水與回水之間的溫差作為控制室內(nèi)溫度的依據(jù)是合理的節(jié)能方式。在外界環(huán)境溫度不變的情況下，溫差大，說(shuō)明室內(nèi)熱負(fù)荷較大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水循環(huán)的速度；相應(yīng)的，溫差小則減小冷卻泵轉(zhuǎn)速，此種方式將比單測(cè)回水溫度節(jié)能空間大5~10%左右。正是因?yàn)閴毫εc流量的過(guò)剩作用使水流過(guò)速、熱交換溫差偏小。因此，可以通過(guò)降低熱泵循環(huán)水的總供應(yīng)流量來(lái)實(shí)現(xiàn)向標(biāo)準(zhǔn)溫差參考值靠近，從而達(dá)到節(jié)約能量的目的。
       因此，在對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況考察時(shí)，不能簡(jiǎn)單地依據(jù)電機(jī)運(yùn)行電流的大小來(lái)判斷，若只簡(jiǎn)單地從冷媒循環(huán)水系統(tǒng)的電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流來(lái)看，就會(huì)發(fā)生沒(méi)有多少節(jié)電空間的錯(cuò)誤判斷。所以，應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)數(shù)據(jù)做依據(jù)：如系統(tǒng)設(shè)備容量選型、不同季節(jié)、不同時(shí)間負(fù)荷變化等因素的影響，在實(shí)際投入運(yùn)行的中央空調(diào)系統(tǒng)基本上沒(méi)有與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)相一致的情況，大多數(shù)系統(tǒng)都存在著溫差偏小、揚(yáng)程過(guò)高、流量過(guò)大等現(xiàn)象。利用變頻調(diào)速技術(shù)，把系統(tǒng)多余的流量、揚(yáng)程節(jié)省下來(lái)，使系統(tǒng)工作在耗能最佳工況下（揚(yáng)程和流量均無(wú)多余的狀態(tài)下），從而達(dá)到既滿足系統(tǒng)需求又使能耗減至最少。
l 盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)控制
       每個(gè)房間1套盤管風(fēng)機(jī)，電機(jī)0.40kW 220V，盤管風(fēng)機(jī)最大送風(fēng)溫差為：10℃～15℃，（一般空氣進(jìn)出口溫差取8℃）。盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是同時(shí)使用水和空氣作為室內(nèi)負(fù)荷熱量傳遞介質(zhì)的系統(tǒng)，但室內(nèi)大部分主要冷、熱負(fù)荷是通過(guò)盤管中的冷媒水或熱媒水來(lái)承擔(dān)的，風(fēng)機(jī)主要是以滿足房間的衛(wèi)生換氣需求，以改善房間舒適度，僅承擔(dān)一部分制冷或制熱負(fù)荷。
       風(fēng)機(jī)由原來(lái)的人工通過(guò)三檔調(diào)速開關(guān)啟?？刂骑L(fēng)機(jī)，改為變頻控制。在實(shí)施變風(fēng)量改造后，房間的溫度尤其是在冬季可穩(wěn)定控制在17℃±1℃，與工頻消耗電量相比，其日平均節(jié)約電能為80%，相當(dāng)其額定功率的60%以上，特別是改造后房間的噪聲也明顯地得到了改善。
l 冷卻塔風(fēng)機(jī)控制
       冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析（一般每套兩臺(tái)風(fēng)機(jī)），原控制方式采用直接啟動(dòng)方式下的工頻全速運(yùn)行。兩臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)均在全速運(yùn)行，系統(tǒng)缺少有效的冷卻效果檢測(cè)，沒(méi)有充分利用自然冷卻狀態(tài)下節(jié)約電能的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致冷卻塔風(fēng)機(jī)處于兩種極端狀態(tài)：要么全速運(yùn)轉(zhuǎn)，或人工停止。尤其在春、秋、冬季，由于人工操作不能及時(shí)響應(yīng)冷卻塔出水溫度的變化而啟停風(fēng)機(jī)，造成因操作管理上帶來(lái)能量的極大浪費(fèi)現(xiàn)象。在改造時(shí)，對(duì)每套冷卻塔實(shí)施以進(jìn)水溫度35℃為風(fēng)機(jī)起始運(yùn)行點(diǎn)，以30℃為停止運(yùn)行點(diǎn)，在35℃～30℃溫度區(qū)間作為風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)依據(jù)，實(shí)行溫度PID變風(fēng)量調(diào)節(jié)。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，在變風(fēng)量控制方式下的能耗僅為工頻啟?？刂品绞降?0%左右，而且變風(fēng)量控制完全規(guī)避了人工啟停工頻運(yùn)行方式下，因操作無(wú)實(shí)時(shí)性或管理不完善造成的能量浪費(fèi)。根據(jù)大量典型的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造案例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在成功的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造實(shí)現(xiàn)后，其冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能率均在40%以上，某些含有大容量冷卻塔蓄水池裝置的冷卻塔系統(tǒng)則可達(dá)到50%以上。

l 變頻節(jié)能系統(tǒng)特點(diǎn)
◆ 變頻器界面為L(zhǎng)ED顯示，監(jiān)控參數(shù)豐富，鍵盤布局簡(jiǎn)潔、操作方便

◆ 溫度/溫差傳感器為數(shù)字雙屏LED顯示，溫度參數(shù)設(shè)定方便，易于監(jiān)控
◆ 變頻器有過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)熱等多種電子保護(hù)裝置，并具有豐富的故障報(bào)警輸出功能，可有效保護(hù)供水系統(tǒng)的正常運(yùn)作
◆ 加裝變頻器后，電機(jī)具有軟啟動(dòng)及無(wú)極調(diào)速功能，可使水泵和電機(jī)的機(jī)械磨損大為降低，延長(zhǎng)管組壽命
◆ 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，室內(nèi)溫度變化平穩(wěn)，令舒適度大大提高
 

結(jié)束語(yǔ)
       目前，中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造工程項(xiàng)目市場(chǎng)分布不僅廣泛，而且數(shù)量眾多，這為節(jié)能改造市場(chǎng)化的應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，已投入運(yùn)行的中央空調(diào)系統(tǒng)中，至少有70%以上未進(jìn)行過(guò)任何節(jié)能改造，且具有很好的節(jié)能空間。將變頻技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)提升中央空調(diào)自動(dòng)化水平、降低能耗、減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊、延長(zhǎng)機(jī)械及管網(wǎng)的使用壽命，都具有重要的意義。