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变频技术在中央空调系统控制中的应用


2007年1月 第 期 总164期

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变频技术在中央空调系统控制中的应用
陈世民 王 伟
200031) (上海市住安建设发展股份有限公司, 上海 摘 要:简要阐述了变

频技术在大型公共建筑中央空调系统控制中应用的理论, 从一个关注节约电能的问题提升成为 可持续发展的突出问题, 已经成为当前极其紧迫需要解决的课题。 同时也解释了变频技术的概念对大型公共 建筑中央空调系统运用的可行性分析, 为今后进一步研究和推广变频技术控制研究打下基础。 关键词: 变频技术; 中央空调; 系统控制; 可持续发展; 积极探索 中图分类号:TU831.3+1,TM921.51 文献标识码:B 文章编号:1002-3607(2007)01-0031-03 变频器的工作原理就是把工频电源(50Hz或60Hz)变换 成各种频率的交流电源, 以实现电机的变速运行的设备, 其 中控制电路完成对主电路的控制, 整流电路将交流电变换 成直流电, 直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波, 逆变电路将直流电再逆变成交流电。 按照主电路工作方式 分类, 变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器。 在交 流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、 转差频 率控制、 矢量控制、 直接转矩控制等。 按照异步电动机的实际转速对应的电源频率,并根 据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率,就可以使 电动机具有对应的输出转矩。进而达到控制电动机转矩 的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量 的作用时间,又可以形成各种PWM波,达到各种不同的控 制目的。特别是模糊控制算法用于控制变频器的电压和 频率,使电动机的升速时间得到控制,以避免升速过快 对电机使用寿命的影响以及升速过慢影响工作效率。

1 引言
在国家号召节能的形势下,变频技术已经成为人们关 注的热点。随着中央空调系统在现代公共建筑中的广泛 运用,一个节约电能的问题已经成为当前极其紧迫需要 解决的课题。众所周知,由于我国的供电现状,节约用 电、合理用电也已成为各行各业首先考虑的问题。缓解 我国能源供应与经济社会发展的矛盾,有着举足轻重的 作用。在可持续发展成为全社会所追求的目标时,关注 节约电能已成为可持续发展突出问题,需要有技术上的 强势突破,更需要有市场上的强力推进,发展变频技术就 是实现节能的重要举措之一。 中央空调系统在一年中处于最大负荷一般只有几十 天时间,随着冷热负荷需求始终处于动态变化的状态之 中。由于季节的变化,一般情况下冷负荷波动就较大, 据统计在10%~60%范围内波动。而系统设计多数以最大 冷负荷为依据。这样,实际需要冷负荷与最大功率输出 之间的矛盾,造成巨大电能浪费,给用户带来巨额电费 支出,增加经营者的成本。从我对电机专业多年研究的 观点认为,在大型公共建筑中积极采用变频技术对中央 空调系统的控制,就能节约大量的电能。节能对节约资 源、减少污染具有十分重要意义。

3 采用变频技术对中央空调系统实现自控的 意义
能使用户按需使用空调,节约大量电费;软启动, 软停止,减少对电网和设备电气及机械的冲击;降低设 备磨损15%以上,减少设备维修维护;减少用电高峰,避 免增加电网的压力。

2 变频技术的概念
交流变频技术以其节能显著、保护完善、控制性能 好、过载能力强、使用维护方便等特点,迅速发展起 来,已成为电动机调速的主潮流。

4 中央空调系统的构成及作用
4.1 冷水机组和热泵空调机组

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这是中央空调的“制冷源”,“心脏”。通往各个 房间循环水由冷水机组进行“内部交换”,降温为“冷 冻水”;而冬季采用锅炉或热水系统,利用循环泵进 行热量供应,达到采暖的目的;或采用热泵系统,对 建筑物进行冷热水的供应,达到中央空调系统的冷热 源供应。

冷却水的循环。主要依靠冷却循环泵实现。 空气循环系统,主要依靠风机实现。

5 中央空调采用变频技术自控系统节能节点 的分析
5.1 从节能的角度看,由于制冷压缩机、热泵机组 不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性,所以设 计按最大需求来决定电动机的容量。在实际运行中,轻 载运行的时间所占的比例是非常高的,如果提高轻载运 行时的工作效率,则节能潜力是很大的。有些调节方式 (如调节阀门开度和改变叶片角度),即使在需求量较 小的情况下,也不能减少电动机的运行功率。采用变频 调速后,当需求量较小时,可降低电动机的转速,减少 电动机的运行功率从而实现节能。无论是空调→冷水( 热泵)机组的类型、单台额定制冷量、单台额定制热、 热效率、对机组拖动系统、压缩机拖动系统,按照进出 水的温度在运行过程中对运行工况进行变频调节可节能 35%~55%。 5.2 从运行质量的角度看,单台电动机拖动系统 大多数不能根据负载的轻重连续进行调节,不能保持 压力、流量、温度等参数的稳定,而采用变频调节技术 后,大大提高电动机的工作性能。对冷冻循环水泵和热 泵机组的热效率水系统离心式水泵采用变频调速技术, 根据负荷PID调节转速达到节能的目的。机组变频自动节 能分析:在5%~60%冷热负荷范围内,每年节约电费大于 25%,最大达35%。大部分舒适性空调系统,一年大部分 时间均在小于或等于建筑物设计负荷80%下运行,且大部 分介于50%~60%之间。结合水泵电动机工作特点,变频 的频率调节范围40~50HZ。实现变频调速,其节能效果 较交流电动机一般调速提高10%~15%。 5.3 对空调的送风质量看,中央空调所属的风机( 包括室内风机和冷却塔风机)采用变频技术后,根据流 体力学原理,风量Q与转速N的一次方成正比,风压H与转 速N的二次方成正比,轴功率与转速N的三次方成正比。 当所需风量减少,风机转速降低时,其功率按转速的三 次方下降。当然,转速降低时,效率也会有所下降,同 时,还应考虑控制装置的附加损耗等影响。即使如此, 通过实际工程中运用的变频技术,节约电能20%~30%,

4.2 外部冷热交换系统
空调机组系统包含两个循环水系统,分别为冷热媒 水循环和冷却水循环,而热泵系统仅包含一个冷热媒水 循环系统。 4.2.1 冷热媒水循环系统:由冷冻泵及冷冻水管道 组成。从冷水机组流出的冷冻水由冷冻泵送入冷冻水管 道,在各个房间内进行热交换,带走房间内热量,达到 控制房间内温度的目的。两管制系统,冷冻水系统切换 改变为热水循环,对房间进行供热。 4.2.2 冷却水循环系统: 由冷却泵、 冷却水管道及冷却 塔组成。 冷水机组进行热交换, 在水冷却的同时, 释放大量 热量, 该热量被通过冷水机组的循环冷却水吸收, 使冷却 水温度升高。 冷却泵将升温后的冷却水送入冷却塔, 使之 在冷却塔中与大气进行热交换, 然后再将其送回到冷水机 组。 如此不断循环, 带走冷水机组释放的热量。 由于热泵空调系统采用的是风冷系统,冷热交换 在机组和空气之间进行,因此在热泵系统中没有冷却 水系统。

4.3 冷却水塔
用于为冷水机组提供冷却水。热泵系统没有冷却 塔设备。

4.4 空调系统的风机
4.4.1 空调系统的风机主要有两个途径: 室内风机。安装于需要降温和采暖的房间内,用于 将空调系统的冷热量转化气流的方式,加速房间内的冷 热交换。 冷却塔风机。用于降低冷却塔的水温,加大水气的 热量交换程度,加速将热量散发到大气中去。热泵机组 没有冷却塔,因此没有冷却塔风机,但是热泵机组本身 带有换热风机。 4.4.2 中央空调系统的机组外部循环: 冷冻水的循环,主要依靠冷冻循环泵实现。

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《安装》杂志2007年征订启事
《安装》杂志是中国安装协会会刊,由国家建设部主管,中国安装协会与陕西省设备安装工程公司共同主办。 《安装》杂志按照政策性、管理性、科学性、知识性相结合的原则,宣传党和国家的方针政策,贯彻建设部及中国 安装协会的工作部署,及时报道安装行业的信息和动态,交流安装企业的管理经验,推广先进的安装技术,介绍和 传播安装知识,促进行业的振兴和发展。 《安装》杂志自2007年1月起全部由杂志社自行发行,每月一期,每期定价8元,全年96元,请各单位和读者自 即日起可直接将款从邮局或银行汇至中国安装协会办理订阅手续。

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在运行中节约效益来赢利和滚动发展是很可观的。

空调运行系统水泵和风机需要电机的运作来进行工 作, 在电机和风机的运行过程中, 会产生一定的振动和噪 音, 而现代化的办公大楼, 拥有高科技、 精密仪器的实验大 楼工作需要是满足低噪音、 低振动, 在建筑物中, 除了生产 机械外, 就是建筑物的本身设备。 建筑物的设备在能满足 空调工况的情况下, 尽量要减少噪音和振动, 变频技术又 是最佳的选择。 因此在公共建筑中央空调系统的风机水泵 采用变频技术后, 在设计过程中不超出工程概算下, 尽量采 用变频技术对中央空调系统控制的应用。

6 实现空调变频技术运行对楼宇管理的现实 意义
6.1 从节能的角度和运行的需要
办公大楼各个区域的功能不一致,对运行工况的要 求不一致,因此整个水循环的流量在每个时间段不一 致,设计考虑智能按最大需求来决定电动机的容量,故 设计余量一般偏大。采用变频调速,可以大大提高轻载 运行时的工作效率,尤其是采用阶段电价的地区,变频 技术运用更加广泛。

6.4 从空调系统最大发挥效能需要
冷冻机、热泵机组使用变频后,扩大了压缩机的工 作范围,不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、 暖控制,达到降低电力消耗,消除由于温度变动而引起 的不适感。 参考文献
⑴陈国呈,《PWM变频调速及软开关电力变换技术》,机械工业出版社 ⑵姚锡福,《变频器控制技术与应用》,福建科学技术出版社 ⑶冯垛生,《变频器实用指南》,人民邮电出版社

6.2 从智能建筑控制的需要
由于公共建筑各个区域的功能不一致,人员对中央 空调系统的运行要求不一致,为了便于对系统运行的控 制和对循环管线的合理运用,可以通过采用变频泵对水 循环的控制,实现真正意义上的降低能耗。

6.3 从降低建筑物内部的噪音的需要
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变频技术在中央空调系统控制中的应用
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 陈世民, 王伟 上海市住安建设发展股份有限公司,上海,200031 安装 INSTALLATION 2007(1) 3次

参考文献(3条) 1.陈国呈 PWM变频调速及软开关电力变换技术 2.姚锡福 变频器控制技术与应用 3.冯垛生 变频器实用指南

引证文献(3条) 1.涂慧华.张华圣 基于能源优化的中央空调控制策略[期刊论文]-机械工程与自动化 2009(1) 2.涂慧华.张华圣 基于能源优化的中央空调控制策略[期刊论文]-制冷空调与电力机械 2008(6) 3.张仙平.段焕林 制冷业可持续发展问题探析[期刊论文]-制冷与空调(四川) 2007(3)

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