今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
一、前言
大部份建筑物在一年當中，只有幾十天時間，中央空調(diào)處于最大負荷。中央空調(diào)冷負荷，始終處于動態(tài)變化之中，如每天早晚、每季交替、每年輪回、環(huán)境及人文等因素都實時影響著中央空調(diào)冷負荷。一般，冷負荷在5~60%范圍內(nèi)波動，大多數(shù)建筑物每年至少70%的時間是處于這種情況。而大多數(shù)中央空調(diào)，因系統(tǒng)設計多數(shù)以最大冷負荷為最大功率驅動。這樣，就往往造成實際需要冷負荷與最大功率輸出之間的矛盾，實際造成巨大能源浪費，給使用方造成巨額電費支出，增加經(jīng)營者的成本，降低經(jīng)營競爭力。
本文介紹了AB變頻器PF400在中央空調(diào)系統(tǒng)的水循環(huán)、變頻風機和冷卻塔風機中的設計和應用。
二、PF400在中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)的設計
中央空調(diào)系統(tǒng)的水循環(huán)系統(tǒng)主要分為冷凍水（或熱水）循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，智能變頻柜主要控制的對象為冷凍水（熱水）回路和冷卻水回路。如下圖所示。
圖一 中央空調(diào)水循環(huán)控制原理
1、冷凍水循環(huán)的控制
由冷凍泵及冷凍水管道組成，從冷水機組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在個房間內(nèi)進行熱交換，帶走房間內(nèi)熱量，從而使房間內(nèi)的溫度下降。
冷凍水泵的控制方式為：最高層（或最不利端）壓力控制
在高層的中央空調(diào)系統(tǒng)中，由于各層的空調(diào)機想對應于熱負載的變動開閉冷水進口閥，以此調(diào)節(jié)室溫。由于冷凍水的流量經(jīng)常發(fā)生變化，引起最高層水壓的較大變化，為了解決該問題，需要控制冷水泵的出水閥，以保持最高層水壓大致恒定，但大多數(shù)應用場合，都是保持出水閥門開度一定，任隨壓力變化。如果這樣，會導致壓力損失大，效率低。此時若采用轉速控制，以保持最佳壓力，可防止壓力損失并較大幅度提高效率并取得好的節(jié)能效果。
2、冷卻水循環(huán)的控制
由冷卻泵及冷卻水管道及冷卻塔組成。冷水機組進行熱交換，是水溫冷卻的同時，必將釋放大量的熱量。該熱量被冷卻水吸收，是冷卻水溫度升高。冷卻泵將升了溫冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進行熱交換，然后再降了溫的冷卻水，送回到冷水機組。如此不斷循環(huán)，帶走冷水機組釋放的熱量。
冷卻水泵的控制方式為：恒溫差控制。
由于冷卻塔的水溫是隨環(huán)境溫度而變化的，其單側水溫不能準確地反映冷凍機組產(chǎn)生熱量的多少。所以，對于冷卻水泵，以進水和回水的溫差作為控制依據(jù)，實現(xiàn)進水和回水間的恒溫差控制是比較合理的。溫差大，說明冷凍機組產(chǎn)生的熱量大，應提高冷卻泵的轉速，增大冷卻水的循環(huán)速度；反之則應該降低轉速。
3、變頻控制原理
從以上的分析可以知道，對于中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)的變頻控制一般都采用恒壓力差或恒溫差閉環(huán)控制，PF400變頻器有一個內(nèi)置的PID控制回路，用來使過程反饋的壓力差或溫度差與設定值保持一致。具體示意如圖二：
圖二 水循環(huán)變頻控制示意
在PF400的PID控制中，比例運算是指輸出控制量與偏差的比例關系。積分運算的目的是消除靜差，只要偏差存在，積分作用將控制量向使偏差消除的方向移動。比例作用和積分作用是對控制結果的修正動作，響應較慢。微分作用是為了消除其缺點而補充的。微分作用根據(jù)偏差產(chǎn)生的速度對輸出量進行修正，使控制過程盡快恢復到原來的控制狀態(tài)，微分時間是表示微分作用強度的單位。
4、節(jié)能預估
根據(jù)流體力學原理，流量Q與轉速n的一次方成正比，管壓H與轉速n的二次方成正比，軸功率與轉速n的三次方成正比。即
Q=K1*n
H=K2*n2
Ps=K3*n3
當所需流量減少，離心泵轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降。如所需流量的80%，則轉速也下降為額定轉速的80%，而軸功率降51。2%；當所需流量為而額定流量的50%時，而軸功率降12。5%。當然，轉速降低時，效率也會有所下降，同時還應考慮控制裝置的附加損耗等影響。即使如此，這種節(jié)電效果也非常可觀。通過實際證明，水泵類，節(jié)能40%-50%。
綜合實際運行效果，對冷凍泵拖動系統(tǒng)、冷卻泵拖動系統(tǒng)實施變頻控制后的基本節(jié)能效果為35%～55%左右。
三、PF400在中央空調(diào)變頻風機控制的設計
目前的中央空調(diào)系統(tǒng)中，變頻風機正在在被廣泛使用，其有如下突出的優(yōu)點：節(jié)能潛力大，控制靈活，可避免冷凍水、冷凝水上頂棚的麻煩等。然而變頻風機系統(tǒng)需要精心設計，精心施工，精心調(diào)試和精心管理，否則有可能產(chǎn)生諸如新風不足、氣流組織不好、房間負壓或正壓過大、噪聲偏大、系統(tǒng)運行不穩(wěn)定、節(jié)能效果不明顯等一系列問題。
中央空調(diào)中變頻風機的控制方式主要有以下幾種：
1、變頻風機的靜壓PID控制方式
送風機的空氣處理裝置是采用冷熱水來調(diào)節(jié)空氣溫度的熱交換器，冷、熱水是通過冷、熱源裝置對水進行加溫或冷卻而得到的。大型商場、人員較集中且面積較大的場所常使用此類裝置。圖一所示給出了一個空氣處理裝置中送風機的靜壓控制系統(tǒng)。
在第一個空氣末端裝置的75%到100%處設置靜壓傳感器，通過改變送風機入口的導葉或風機轉速的辦法來控制系統(tǒng)靜壓。如果送風干管不只一條，則需設置多個靜壓傳感器，通過比較，用靜壓要求最低的傳感器控制風機。風管靜壓的設定值（主送風管道末端最后一個支管前的靜壓）一般取250-375Pa之間。若各通風口擋板開啟數(shù)增加，則靜壓值比給定值低，控制風機轉速增加，加大送風量；若各通風口擋板開啟數(shù)減少，靜壓值上升，控制風機轉速下降，送風量減少，靜壓又降低，從而形成了一個靜壓控制的PID閉環(huán)。
圖三 中央空調(diào)送風機的靜壓控制
在靜壓PID控制算法中，通常采用兩種方式，即定靜壓控制法和變靜壓控制法。定靜壓控制法是系統(tǒng)控制器根據(jù)設于主風道2/3處的靜壓傳感器檢測值與設定值的偏差,變頻調(diào)節(jié)送風機轉速,以維持風道內(nèi)靜壓一定。變靜壓控制法即利用DDC數(shù)據(jù)通訊技術，系統(tǒng)控制器綜合各末端的閥位信號，來判斷系統(tǒng)送風量盈虧，并變頻調(diào)節(jié)送風機轉速，滿足末端送風量需要。由于變靜壓控制法在部分負荷下風機輸出靜壓低，末端風閥開度大、噪聲低，風機節(jié)能效果好，同時又能充分保證每個末端的風量需要。
控制管道靜壓的好處是有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行并排除各末端裝置在調(diào)節(jié)過程中的相互影響。此種靜壓PID控制方式特別適合于上下樓或被隔開的各個房間內(nèi)用一臺空氣處理裝置和公用管道進行空氣調(diào)節(jié)的場合，如商務大廈的標準辦公層都得到了廣泛的應用。
2、變頻風機的恒溫PID控制方式
在室內(nèi)空調(diào)要求有諸如舒適性等要求較高而空間又不是太過于大的空調(diào)區(qū)域內(nèi)，可以使用恒溫控制。恒溫控制中必須注意以下幾個方面：
（1） 溫控系統(tǒng)的熱容量比較大，控制指令發(fā)出后，不是瞬間響應，響應速度慢；
（2） 外界條件如氣溫、日照等對溫控系統(tǒng)的影響很大；
（3） 因為控制對象為氣體，溫度檢測傳感器的安裝位置非常重要。
本控制方式也是利用了變頻器PF400內(nèi)置的PID算法進行溫度控制，當通過傳感器采集的被測溫度偏離所希望的給定值時，PID程序可根據(jù)測量信號與給定值的偏差進行比例（P）、積分（I）、微分（D）運算，從而輸出某個適當?shù)目刂菩盘柦o執(zhí)行機構（即變頻器），提高或降低轉速，促使測量值室溫恢復到給定值，達到自動控制的效果。
恒溫控制中必須要注意PID的正作用和反作用，也就是說在夏季（使用冷氣）和冬季（使用暖氣）是不一樣的。在使用冷氣中，如果檢測到的溫度高于設定溫度時，變頻器就必須加快輸出頻率；而在使用暖氣中，如果檢測到溫度高于設定溫度時，變頻器就必須降低輸出頻率。因此，必須在控制系統(tǒng)增設夏季/冬季切換開關以保證控制的準確性。
圖四 變頻風機的恒溫控制
3、變頻風機的多段速變風量控制方式
在大型的空調(diào)大樓中，由于所需要的空氣量是隨著樓內(nèi)人數(shù)及晝夜大氣溫度的變化而不同，所以相應地對風量進行調(diào)節(jié)可以減少輸入風扇的電能并調(diào)整主機的熱負載。人少時，如周末、星期日、節(jié)假日，空氣需求量少。所以考慮這些具體情況來改變吸氣扇轉速，控制進風量，可減少吸氣扇電機的能耗，同時還可以減輕輸入暖氣時鍋爐的熱負載和輸入冷氣時制冷機的熱負載。
下圖所示為某大樓在不同的工作時段內(nèi)（平時、周六、周日或節(jié)假日）的風量需求量，該風量必須根據(jù)二氧化碳濃度等環(huán)境標準來確定最少必需量。由于通常在設計中都留有一定的余量，因此可以按高速時86%、中速時67%、低速時57%的進風量來進行多段速控制。
該控制方式是基于對風量需求進行經(jīng)驗估算的基礎上進行的程序控制，在PF400進行控制時可以選擇通過端子功能切換多段速來實現(xiàn)。
圖五 變頻風機的多段速控制
四、PF400在冷卻塔風機控制中的應用
在中央空調(diào)水冷式機組中，使用循環(huán)冷卻水是最常用的方法之一。為了使機組中加熱了的水再降溫冷卻，重新循環(huán)使用，常使用冷卻塔。風機為機械通風冷卻塔的關鍵部件，通常都采用戶外立式冷卻塔專用電機。水在冷卻塔滴下時，冷卻風機使之與空氣較充分的接觸，將熱量傳遞給周圍空氣，將水溫降下來。
由于冷卻塔的設備容量是根據(jù)在夏天最大熱負載的條件下選定的，也就是考慮到最惡劣的條件，然而在實際設備運行中，由于季節(jié)、氣候、工作負載的等效熱負載等諸多因素都決定了機組設備經(jīng)常是處于在較低熱負載的情況下運行，所以機組的耗電常常是不必要的和浪費的。因此，使用變頻調(diào)速控制冷卻風機的轉速，在夜間或在氣溫較低的季節(jié)氣候條件下，通過調(diào)節(jié)冷卻風機的轉速和冷卻風機的開啟臺數(shù)，節(jié)能效果就非常顯著。
冷卻水系統(tǒng)能耗是空調(diào)系統(tǒng)總能耗的重要組成部分之一。采用截止閥對冷卻水流量進行調(diào)節(jié)將導致能量無謂的浪費，在部分負荷時固定冷卻水流量以及不對冷卻塔風機電機進行控制也將浪費大量電能。如采用微機控制技術和變頻調(diào)速技術對冷卻水系統(tǒng)進行控制節(jié)能效果約為30%，具有顯著的節(jié)能效益。特別對于賓館、飯店、商場等工作期較長的集中空調(diào)系統(tǒng)以及南方地區(qū)空調(diào)運行期長的其他建筑物空調(diào)系統(tǒng)，采用空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能運行系統(tǒng)的投資回收期一般在1―2年，具有非常顯著的經(jīng)濟效益。
在典型的冷卻塔風機控制系統(tǒng)中，變頻器可以利用內(nèi)置PID功能，可以組成以溫度為控制對象的閉環(huán)控制。圖六所示為典型的冷卻塔變頻控制原理，冷卻塔風機的作用是將出水溫度降到一定的值，其降溫的效果可以通過變頻器的速度調(diào)整來進行。被控量（出水溫度）與設定值的差值經(jīng)過變頻器內(nèi)置的PID控制器后，送出速度命令并控制PWM輸出，最終調(diào)節(jié)冷卻塔風機的轉速。
圖六 冷卻塔風機變頻控制原理
對冷卻塔風機采用變頻調(diào)速控制，還應注意以下幾點：
（1） 由于冷卻塔風機拖動部分的轉動慣量GD2一般都較大，所以給定加減速時間要長一些，如30－50S。
（2） 在實際運轉中經(jīng)常出現(xiàn)由于外界風力作用下，冷卻風機會自轉，此時如果起動變頻器，電動機會進入再生狀態(tài)，就會出現(xiàn)故障跳，對于變頻器應該將啟動方式設為轉速跟蹤再啟動。這樣一來，變頻器在啟動前，通過檢測電機的轉速和方向，實施對旋轉中電機的平滑無沖擊啟動。
（3） 由于采用普通電機，因此應該設置最低運轉頻率，以保持電機合適的溫升，一般為頻率下限為20Hz。
（4） 為防止冷卻風機在較寬的運轉頻率范圍內(nèi)（一般20Hz～50Hz）出現(xiàn)特定轉速下的機械共振現(xiàn)象，應該在試運轉中分析這種情況，并采取修改參數(shù)的方法件系統(tǒng)的固有頻率列為跳躍頻率。
五、結束語
綜上所述，空調(diào)系統(tǒng)的冷負荷是隨室外氣象條件而變化的，空調(diào)系統(tǒng)的設計及設備選型是按最不利工況進行的。根據(jù)空調(diào)負荷變化對水循環(huán)、變頻風機和冷卻塔風機系統(tǒng)進行變頻控制，對于空調(diào)節(jié)能具有十分重要的意義。
PF400變頻器已經(jīng)在國內(nèi)多家大型中央空調(diào)系統(tǒng)得到應用，如寧波北侖行政中心應用了多達80幾臺，目前使用效果良好。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號