基于變頻技術的中央空調冷卻水循環系統改造設計

摘要：基于變頻技術，對中央空調的冷卻水循環系統實施改造。分析了中央空調系統的運行中出現的高能耗問題，闡述了水泵的變頻節能控制原理，繼而給出了PID調節的溫差閉環控制設計方案，最后設計了變頻器和PLC的控制電路。本研究為設計或使用部門對中央空調的改造提供一定借鑒。
關鍵詞：中央空調；變頻技術；冷卻水循環系統；改造；設計

隨著國民經濟的發展和人民生活水平的日益提高，中央空調越來越廣泛地應用在的民用和公共建筑中。中央空調為人們創造舒適環境的同時，其耗電量卻不能被忽視。據統計，中央空調的耗電量占各類大型建筑總用電量的60％以上，其中僅水泵電機的耗電量約占到空調系統耗電量的20％～40％。而在傳統的設計中，中央空調的各電機都長期工頻恒速運行，雖然可滿足最大的用戶負荷，但不能隨用戶負荷動態調節，而在90％的時間都是低負荷運行，這樣就造成很大的能源浪費。空調能耗不僅給城市能源、環境保護帶來巨大壓力，而且也給建筑的經營者帶來沉重的經濟負擔。在低碳生活的呼聲越來越高的情形下，中央空調的巨大的耗水耗電量的現狀必須得到改變，因此采用變頻調速技術節約低負荷時主機系統和水泵、風機系統的電能消耗，具有極其重要的經濟和社會意義。

1 中央空調系統的結構與冷卻水循環系統
如圖1所示，中央空調一般由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統及主機3部分組成。冷卻水循環系統由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔和冷凝器等組成。冷凍水循環系統進行熱交換時，冷凍主機產生大量熱量，該熱量通過主機內的制冷劑傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水(出水)壓入冷卻水塔，由冷卻塔對其進行自然冷卻或通過冷卻塔風機對其進行噴淋式強迫風冷，使之與空氣進行熱交換，待溫度降低后(回水)再送回冷凍主機的冷凝器。

2 水泵的變頻節能控制原理
水泵運行時，通常采用閥門調節來滿足工藝對流量的變化要求，即所謂節流調節。在節流調節過程中，水泵的固有機械特性不變，僅僅靠調節閥門的開度，人為地增加管路的阻力來減小流量，因此增大了管路系統的損失。

圖2為閥門調節和變頻調速控的3種不同的工況下運行時的能量變化曲線。曲線(1)(2)分別為水泵在額定轉速n1和轉速n2運行時的特性曲線，曲線(3)(4)為水泵管路閥門全開和部分開時的管阻特性曲線。當不變速也不調節流量，工況點是曲線(1)、(3)的交點A點，此時水泵所需的功率正比AQ1OH1所圍成的面積。水泵全速運行用閥門控制時，即節流調節。當流量要求從Q1減小到Q2，必須關小閥門。這時閥門的磨擦阻力變大，管阻特性曲線從(3)移到(4)，揚程則從H1上升到H2，運行工況點從A點移到B點。這時水泵所需的功率正比于BQ2OH2所圍成的面積。當水泵采用變頻調速控制方式運行時，要求流量從Q1減小到Q2，由于管阻特性曲線(3)不變，泵的特性取決于轉速，則速度從n1降到n2，揚程從H1下降到H3，運行工況點則從A點移到C點。這時水泵所需的功率正比于CQ2OH3所圍成的面積。
由圖2可見，四邊形CQ2OH3的面積總是小于四邊形BQ2OH2的面積，功率的減少是非常明顯的，閥門控制流量時，有BH2H3C的功率被損耗浪費掉了，且隨著閥門不斷關小，這個損耗還要增加。而用轉速控制時，由于電動機的所需功率按轉速的三次方下降。那么在運轉同樣流量的情況下，原來消耗在閥門的功率就可以全避免，取得良好的節能效果，這就是水泵變頻調速節能的基本原理。