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摘要：随着社会的发展，中央空调系统的应用越来越广泛，但是在应用过程中却产生了十分大的能源浪费，违背了我国节约能源的发展理念。通过使用变频器，可以增加中央空调运行过程中的能源使用率，达到节能、环保的目的，具有重要的现实意义。
关键词：变频器；中央空调；节能设计
随着社会的发展，节能环保已经成为我国的一个基本发展理念。但是，在现在应用十分广泛的中央空调系统中，却存在着较大的能源浪费问题。通过使用变频器，将过去的设备进行技术改革，实现自动化的控制，可以获得节能、环保的社会效益和经济效益。
1.中央空调系统组成及工作原理
（1）冷冻机组：在中央空调系统中，通往各个房间的循环水一般是借助冷冻机组来完成“内部热交换”的，以确保冷冻水降温为5~7℃。同时，借助循环水系统还能够将外部热交换源提供给各个空调点，对于内部热交换产生的热量可以直接在冷却塔中通过冷却水系统向空气中排放。在中央空调中内部热交换系统被称之为“制冷源”。
（2）冷冻水塔：其主要是为冷冻机组提供“冷却水”。
（3）“外部热交换”系统：其一般是由两个循环水系统构成，第一个是由冷冻管道及冷冻泵组成。在中央空调系统中，从冷冻机组流出的冷冻水可以直接通过冷冻泵加压传输给冷冻水管道，并实现热交换，使房间内部的热量被带走，从而达到降低房间内温度的目的。另一个是由冷却水管道、冷却泵及冷却塔组成。通过冷冻机组来完成热交换，在使水温得到冷却之后，将会释放出大量的热量，冷却水可以吸收走热量，冷却泵将升温的冷却水传输至水塔，并通过与大气进行热交换，从而达到降温冷却水的目的，如此不断循环就可以使冷冻机释放的热量带走。
（4）冷却风机。通常在所有需要降温的房间内安装室内风机，以确保冷冻水冷却了的冷空气送至房间，以完成房间内的热交换。同时，中央空调系统中的冷却塔风机可以使冷却塔中的水温降低，并把“回水”带回的热量释放到大气中去。
图1 中央空调系统图
2传统中央空调的控制方式
2.1冷水机组的控制方式
冷水机组的核心部分就是制冷机，通常都是由一台或者多台压缩机组合而成。对于只有一台压缩机的系统，主要的控制方式表现为：如果实际的温度已经达到设定温度的下限，那么压缩机就会停止运行，制冷也就会停止；如果温度已经到了设定温度的上限，压缩机就会继续运行，重新开始制冷。而对于具有多台压缩机的系统，控制方式主要就是在温度控制的范围之内，一步步的增加或者减少压缩机的数量，然后将温度控制在一定的范围之内进行波动。
2.2冷冻水循环系统的控制
冷冻水循环系统主要包括冷冻泵、分水器、集水器、风机盘管、冷冻水管。冷水从冷水机中流出来，在冷冻泵的加压下进入分水器，同时被输送到每层的冷冻水管道当中，然后在每一个房间的风机盘管道中进行热交换，将房间中的热量带走，从而可以使房间内的温度下降，最后通过集水器再次进入到冷水机组中。这个过程中的控制方式一般都是手动或者自动调整冷冻水管道上的阀门，对进入风机盘管道中的冷水量进行控制，从而对每一个房间的温度进行控制。在这个循环系统当中，冷冻水泵一直都在稳定的运行，因为每一层的冷水量都是分别调整的，为了保证最高层和最不利端的进出水压力保持平衡，会在分水器和集水器中间加上一个旁路管道，通过调整上面的阀门来控制压力。
2.3冷却水循环系统的控制
冷却水循环系统主要包括冷却泵、冷却水管道、冷却塔。在冷水机组热交换时，在冷冻水温冷却的时候，一定放出很多的热量。这些热量会被冷却水吸收掉，然后冷却水的温度就会升高。这时候，冷却水泵将升高之后的冷却水加压，将其输送到冷却水塔中，让这些水和大气进行热交换，同时使用风扇进行强制性的制冷，然后将降温过后的水输送到冷水机组当中。通过这样的循环，就会不断的带走冷水机组释放出来的热量。在这个系统运行过程中，冷却水泵和风扇一直都在运转，管道中的水通过阀门控制其流量和压力。
3中央空调系统如何节能
虽然很多中央空调系统中的主机都能够随着负载的变化而调节能量，但是和主机关联的冷冻水泵系统、冷却水系统、冷却塔风机却不能随负载的变化而进行自我调节，一直都是在满负荷的情况下运行。还有就是冷却水和冷冻水系统经常都是在流量大、温差小的条件下运行的，这样就会浪费很多的电量，十分不利于空调主机的运行。空调主机本身也具有相应的控制系统，在没有配置一个统一的控制系统的情况下，所有的设备都是独立控制的，没有和其他的设备进行协调统一，或者是结合人工的经验，调整每个设备的开关顺序和时间。比如结合冷热负荷，可以自动的选择应该开关的主机数量、水泵数量、冷却塔打开的时间等，所以空调主机部分一般都需要配置一个额外的控制系统。空调系统主要包括制冷主机、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔。可以使用PLC控制系统对这些设备进行控制。同时，对冷冻水和冷却水的变频控制，能够节约大量的能源。对于水泵来说，转速越高，流量也就越大，水泵的扬程也会随之提高，水泵的功率和转速呈正比例的关系。可以通过变频来改变水泵的转速，也就是改变电机的频率。我国的电源全部都是50赫兹，通过减少输入的频率，可以降低水泵的转速，从而可以降低实际的功率，减少电能的使用。但是，过度的降低转速就会使冷却水系统的扬程降低，冷却塔的布水器就会受到影响，所以水泵的实际转速也不能太低，必须能够满足基本的要求。
4变频器在中央空调系统中的节能运用
在设计中央空调系统时，冷冻泵、冷却泵以及风机的容量大都是按照使用设备最大冷负荷量110%的比例参数。在传统中央空调的实际运行过程中，水泵和风机消耗的电量占据着整个系统的百分之二十左右，但是在过度的季节里，制冷机通常都是低负荷运行，而水泵和风机也没有办法进行调节，这个时候的用电量可以达到整个系统消耗电量的百分之四十。在实际情况中，中央空调系统常年都在满负荷运行的时间并不多，所以，为了减少能耗，可以对冷冻水系统和冷却水系统的能量进行自动的调节，这也是中央空调系统节能改造的重点。
4.1水系统中的变水量原理
变水量调节的原理可以使用能量守恒定理来表示，具体就是系统的冷负荷等于水的比热容乘以冷水的流量，再乘以回水的温差和供水的温差。从这个定理可以看出，水系统可以调节水的流量、回水温差和供水温差。当水系统的负荷发生变化时，系统的温差和水流量也一定会发生变化。假如将回水的温差和供水的温差进行更改，同时保证水流量不会发生任何变化，那么就会形成定流量系统。但是，在中央空调冷水机组中，冷冻水和冷却水的实际工作标准是5摄氏度的温差，所以只能按照科学合理的方法来改变水流量的系统，保证回水的温差和供水的温差一直都保持不变，而且负荷和水量都是成正比的关系，这时候就可以使用变频的水泵。
4.2变频器在冷却水和冷冻水系统节能中的运用
因为受到气候气温变化的影响，对室内输送的冷负荷的量也存在差异，即使室内也具有温度调节的装置，但是还是无法让人们享受到生活的舒适性。最好的方法就是结合气温的变化，自动的调节冷却水系统的流量大小，使空调最后吹出来的冷风最大程度的让人感受舒适。图1描述的是冷却水系统构成图，通过PLC温度模块可以采集冷温水入口温度T1、冷温水出口温度T2、冷却水入口温度T3、冷却水出口温度T4，为了达到冷却水系统的节能效果，往往会在采集程序中添加中值滤波子程序，以确保系统的运行效率。同时，可以借助PLC的I／O部分来对拖动系统的启动、运行、故障信号进行采集，并准确的输出拖动系统的频率值，并实现对空调主机启动信号的有效采集。变频器在冷却水系统中的运用，配置了触摸屏，可以实现对冷却水系统的全方位操作和监控，从而达到良好的节能效果。
通常情况下，中央空调系统主要是由冷冻(媒)水和冷却水组成，其闭环控制系统如图2所示。根据国内外相关研究资料可以发现，目前大部分的水泵系统节能改造主要借助变频器来实现，其在确保最末端设备冷冻水流量满足供给要求的基础上，来保证冷冻泵变频器维持最小工作频率，并将其锁定为下限频率。在冷冻水系统回水主管上安装温度传感器可以实现对冷冻水回水温度的有效检测，并在此基础上对变频冷冻水泵的频率进行相应的调节，从而实现对变频器频率增减的有效调节，降低变频器的输出频率越低，从而达到节能的效果。
图2冷冻水泵系统的闭环控制
4.3冷却水泵的变频改造
在冷凝器的出水端和进水端对温度进行检测，可以得到相应的温度差信号，同时将得到的信号传输给冷却水泵，然后进行变频控制。假如进水端和出水端的温度差值超过了标准值，那么就说明现在的负载比较大，这时候需要增加水的流量，也就是将电机的频率提高到上限频率，使其达到上限转速。如果形成的温度差比标准值低，就说明这个时候的负载比较小，这时就需要减少水流量，也就是将电机的频率转变为下限频率，使其达到下限转速。也就是说，进水端和出水端的温度差值越大，就需要变频器的输出频率越高。通常情况下，中央空调中的主机都会有一个最低的流量限制，也就是有一个下限频率，一般大小都是30Hz，在变频的过程中，频率始终都不会低于30Hz，这个时候的最低流量也比较固定，也就是满载流量的70%，也能够将空调主机的温度一直控制在相对安全的范围之内。在运行了冷却水泵的启动之后，需要结合控制系统的输出信号，控制变频器的频率，就可以对电机的转速进行调节，控制水的实际流量，使冷冻水可以被最大程度的进行利用，提高利用率的同时可以减少能源的使用，达到节能的目的。
4.4冷却塔的变频改造
冷却塔是一个热交换设备，在冷水机组中的冷却水系统中占有十分重要的地位，在冷却塔中的冷却水，通过和冷空气的换热的风机来将温度降低。过去的风机没有办法改变转速，风量一直都是恒定的。为了保证冷水机组中进口冷却水的温度一直都在标准的工作条件下，可以在冷却塔的冷却水出口的位置安装一个温度的传感器设备，通过温度传感器，能够及时的了解冷却水的温度，接着可以使用频率转换器提供一个模拟的信号。因为逆变器本来就可以对PID进行调节，所以变频器可以提供适当的电压和频率，来对冷却塔风机的转速和输出频率进行调节，这样就可以简单的形成一个闭环的反馈系统，能够不断的维持冷却水的温度。如果冷却水的温度有所下降，就可以将风机的转速调低，降低热交换的实际速度；如果冷却水的温度上升，就需要提高风机的转速，提升热交换的速度。
5小结
近年来，中央空调系统的应用数量不断增加，所以对其进行节能改造有十分大的现实意义，能够更好的实现环保目标。通过使用变频器，可以减少故障出现的频率，保证运行更加稳定，实现更好的节能效果，满足现代社会的要求。
参考文献
[1]冯浩源.浅谈变频器在中央空调系统节能改造中的运用[J].洁净与空调技术,2010,(4):47-50.
[2]汪春华,王丁.变频器在空调设备中的应用[J].卷宗,2013,(12):244-244.
论文作者:罗锦帆
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/25
标签：冷却水论文; 水泵论文; 温度论文; 热交换论文; 系统论文; 变频器论文; 冷却塔论文; 《基层建设》2018年第6期论文;