中央空调变频节能控制设计分析

中央空调变频节能控制设计分析

黄宇

广西建设职业技术学院广西南宁530007

摘要：为了提高室内环境的舒适度，人们在对中央空调进行设计时通常都是以最大负载量为设计标准的，而且为了避免中央空调出现超负载现象，还要在最大负载量的基础上增加一定的余量。但是在实际生活中，中央空调在运行过程中很少发生满载运行现象，虽然中央空调中的冷冻主机会根据温度的变化来对其自身负载进行自主调节，但和冷冻主机匹配的冷却泵与冷冻泵却始终按照满负荷的方式进行运行，难以实现根据室内温度的大小进行负载的自主调节，从而大大的增加了中央空调的能耗。本文针对中央空调变频节能控制设计进行了分析。

关键词：中央空调；节能变频控制；设计

一、中央空调能耗简介

有数据表明，在各类高层建筑中，中央空调的用电量占总建筑能耗的60%以上，而耗电量占比比较大的设备是水泵，空调系统耗电量的20-40%为水泵的耗电量，非常的浪费资源。而传统的设计方案中，中央空调的制冷机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量基本是按照设计规范设计为建筑物最大需求容量、制热负荷或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。无论夏天还是冬天、白天或晚上，或者建筑物的负荷发生怎样的变化，各电机都在长期固定在工频状态下满负荷运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不具备随用户负荷动态调节系统功率的智能，而在大多数时间里，用户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。因此采用新技术降低系统能耗是目前的重点工作。

二、中央空调系统的简介

中央空调系统主要由制冷机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和冷却塔组成。各部分的作用及工作原理如下：

制冷机会通过压缩机把冷冻剂压缩成液体，以输送到蒸发器，和冷冻的水进行热交换，把冷冻的水，冷冻泵会将冷冻水送到每个风机风口的冷却盘管。风机会将其吹开以达到冷却的目的。蒸发后的制冷剂将热量释放到冷凝器的气体状态。冷却泵将冷却水送至冷却塔，由水塔风机冷却。热量与大气交换，热量被发射到大气中。

三、基于变频方式的中央空调的节能控制

3.1变频调速的原理

变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，在极对数np一定的情况下，同步转速n1随频率变化，即

而实际转速n=（1-s）n1，当转差率s不变时，转速n与频率f成正比，这时改变电源的频率就可对电机的转速进行控制。而调速所用的变频器实际就是一个可以改变频率的交流电源。

变频器按变频方式分为交交变频器和交-直-交变频器两种。综合考虑设计成本，空调容量，通用性，联合运行等实际因素决定选用交-直-交变频器，因为只是进行变频控制，所以电压不变，故交-直-交变频器先将恒压恒频的交流电以二极管为整流元件，采用三相全桥不可控整流电路整成直流，为了减小整流直流电的脉动，采用大电容滤波（电压型），再用全控型器件（IGBT）与续流二极管将直流电逆变成频率可调节的交流电，这种变频方式被称作间接变频。

3.2中央空调控制系统的整体设计

控制系统采用单闭环进行控制，利用温度传感器分别测出冷却水的出水温度和回水温度，将出水温度和回水温度分别转换为相应的电信号，这些信号通过PID控制器进行相应的放大使之能作为变频器的控制信号，在控制中采用PLC进行控制，驱动变频器产生变频信号，进而驱动变频器进行变频控制，从而实现对感应电机转速的控制。

3.3冷却水循环系统的温度闭环控制

由于冷却塔的水温是随环境温度而变化的，其单侧水温不能准确的反应冷冻机组内产生的热量的多少。所以，对于冷却泵，以进水和回水之间的温差作为控制依据，实现进水和回水之间的恒温差控制是比较合理的。目前，这种对冷却水系统进行改造的方案最为常见，节电效果也较为显著。该方案同样在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量，当中央空调冷却水回水水温度低时，降低冷却泵的转速，减少冷却水流量；当中央空调冷却水出水温度高时，提高冷却泵的转速，加大冷却水流量，从而达到在保证中央空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的。

对于控制电路，其控制方式为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控制是取冷却管进、回水温度信号进行调节，温度信号由温度传感器进行采集，转换成电量信号后经PID装置整理后再将整理后的信号输出给PLC，PLC将这个信号读入到自己的内存中，并经过自处理后，PLC发出指令给变频器，变频器根据信号进行提高频率或降低频率操作。

四、基于PLC的变频节能系统的运行方案

4.1冷却（冻）泵系统的运行方案

（1）开始启动1号泵，控制温度差。

（2）转换到工作频率规定的上限（通常可小于50Hz，如48Hz）时，启动控制系统（PLC，下同）同时发出指令，启动2号泵。1号泵和2号泵同时进行变频调速，进行恒温度（差）控制。

（3）两台台泵同时运行时，切换工作频率下限至设定的下限频率值（如35Hz）时，控制系统发出停止指令，1号泵运行停止，系统只有一台泵运行。

4.2采集与放大温度信号

PLC的输入信号是电信号，而电信号为可测的信号，所以测量出温度后，可以使用温度传感器，把测量的温度量转换为电信号，然后，把测量出来的电信号通过PID调节器中的比例环节进行放大，通过PLC的输入端进行信号放大，进而驱动PLC系统进行变频节能控制。

在冷却泵和冷却泵出口的位置各设置一个温度传感器，在冷却水泵的出口的地方放入一个，另一个在冷却泵的回水口，直接接到信号装置然后再接到PID信号调节器的信号输入端口，直接接收PLC的信号输入端口。调整驱动系统以改变频率，实现节能。

五、节能效果分析

5.1理论分析

离心水泵的相似定律又称为比例定律，表示如下：

公式中Q——水泵流量；H——水泵扬程；P——水泵功率；n——水泵转速。

由此可以看出功率与转速成三次方的关系，流量与转速成一次方的关系，因此，转速每下降10%，流量也会减少10%，而功率减少为1-（1-10%）*（1-10%）*（1-10%）=27.3%，因此说变频闭环控制实现了频率随负

荷需要的改变进而实现了转速随负荷需要的变化，节能效果非常显著。

六、结语

总而言之，在中央空调设计中，变频控制技术的应用在很大程度上降低了中央空调的能耗，发挥了非常明显的节能作用，这也使变频控制技术成为中央空调设计中的一种主要节能手段，在我国大力提倡节能减排的背景下，变频控制技术的出现，为中央空调的设计提供了一种简单而又实用的控制方法。

参考文献：

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[2]李国瑞.中央空调节能系统分析及其控制[J].科技传播，2012，4（18）：88.

[3]赵辛.变频控制技术在中央空调水系统中的应用[J].沈阳师范大学学报（自然科学版），2013，31（02）：260-262.

作者简介：黄宇，女，讲师，工程师，1982-，研究方向：电子技术，电气控制。

基金：2018年度广西高校中青年教师基础能力提升项目“夏热冬暖地区某活动中心中央空调节能改造控制系统的研究（2018KY1047）”