摘要：在现代楼宇中央空调系统中，冷水机组、冷冻水泵和冷却水泵的容量是根据建筑物最大设计热负荷选定的，且留有一定的设计余量。水泵没有使用变频驱动调速系统，一年四季在工频状态下全速运行，之前都采用节流或回流的方式来调节流量，所以产生大量的节流或回流损失，且对水泵电机而言，由于它完全是在工频下全速运行，因此造成了能量的大量浪费。本文浅述中央空调水泵变频驱动调速节能改造方案。
关键词：中央空调；水泵；变频驱动调速系统；节能改造
一年四季有阴晴雨雪及白天与黑夜，外界温度的变化，使得中央空调的热负荷在绝大部分时间里远比设计负荷低。中央空调启动运行前的30分钟至一小时机组电流百分比从98%降到60%，之后全天机组电流百分比基本运行在50%左右，也就是说，中央空调实际大部分时间运行在低负荷状态下。据统计，67%的工程设计热负荷值为94-165W/m2，而实际上83%的工程热负荷只有58-93 W/m2，满负荷运行时间都在启动运行前期，每年不超过20-30小时。
实践证明，在中央空调的循环系统(冷却泵和冷冻泵)中接入变频驱动调速系统，利用变频技术改变电机转速来调节流量和压力的变化用来取代阀门控制流量，能取得明显的节能效果。
一、中央空调工作系统
1、工作简述
图一
⑴、中央空调启动后，中央空调主机的冷冻单元工作，在主机离心叶轮运行作用下，主机蒸发器中的冷媒压力降低使其蒸发，吸收冷冻水中的热量，使之温度降低；同时，冷凝器冷媒压力升高释放热量使冷却水温度升高（如图一所示）。
⑵、降温的冷冻水通过冷冻水泵加压进入冷冻水管道，送到各个房间由室内盘管风机、空气处理器进行热交换，带走房间内的热量，又流回中央空调主机冷冻水入口端(如图一的蓝色和黄色线路所示)。
⑶、而升温的冷却水通过冷却水泵送到大楼外天面的冷却塔，由冷却塔风机加速将冷却水中的热量散发到大气中，使水温降低后，流回中央空调主机冷却水入口端(如图一的红色和绿色线路所示)。
⑷、中央空调主机工作一段时间后，由温度传感器检测出来，达到设定温度，并通过调节中央空调主机导流叶片开度变小，从而降低输出冷量，使温度升高；温度回升到一定值后又通过调节中央空调主机导流叶片开度变大，从而升高输出冷量，使温度降低。最终稳定在一个设定的相对平衡点。
二、原中央空调水泵存在的问题
1、启动电压高、电流大、属硬启动，其控制接触器等电器动作频繁，导致使用寿命短，维修量大；而对于大容量系统，传统的控制线路复杂，可靠性差，需专人负责；
2、冷冻水，冷却水循环泵不能根据实际需求来调整循环量，电机工作效率低下，造成大量电力浪费，并加速机组磨损；
3、整个系统运行噪音大、控制性能差、耗电量大、使用寿命短;在维护管理，检修调整方面工作量大，维护费用高。
三、节能原理
由流体传输设备水泵的工作原理可知：水泵的流量与其转速成正比；水泵的压力（扬程）与其转速的平方成正比，而水泵的轴功率等于流量与压力的乘积，故水泵的轴功率与其转速的三次方成正比，根据上述原理可知：降低水泵的转速，水泵的功率可以下降得更多。
例如:将供电频率由50Hz降为45Hz，则P45/P50=(45/50)3=0.729，即P45=0.729P50（P为电机轴功率）；将供电频率由50Hz降为40Hz，则P40/P50=(40/50)3=0.512，即P40=0.512P50（P为电机轴功率）。
由以上内容可以看出，用变频器进行流量控制时，可节约大量电能。中央空调系统在设计时是按现场最大冷量需求量来考虑的，其冷却泵，冷冻泵按单台设备的最大工况来考虑的，在实际使用中有90%多的时间，冷却泵、冷冻泵都工作在非满载状态下。而通过在冷却泵、冷冻泵上加装变频器则可一劳永逸地解决该问题，还可实现自动控制，并可通过变频节能收回投资。同时变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对系统的平稳调节，使系统工作状态稳定，并延长机组及网管的使用寿命。
因此，随热负荷而改变水量的变流量空调水系统显示了巨大的优越性，因而得到越来越广泛的应用，采用SPWM变频器调节泵的转速，可以方便地调节水的流量，根据负荷变化的反馈信号经PID调节与变频器组成闭环控制系统，使泵的转速随负荷变化，这样就可以实现节能，其节能率通常都在20%以上。改造的节电率与用户的使用情况密切相关，一般情况下，春、秋两季运行节电率较高，可达40%以上，夏季由于本身需要的电能就大，可节省的空间有限，一般在20%左右。
我们中央空调机组一年总耗电量约50万元，其中中央空调水泵一年耗电量约15万元，占总耗电量30％。按现在的20-30％节能系数的数据计算，此方案年可节约电费3-4.5万元，工程总投资约12万元，预计可在3-4年收回成本。
四、节能方案
1、整体说明
中央空调水泵系统目前由两用一备3台30KW冷却泵和两用一备3台30KW冷冻泵组成。我们可对冷却系统和冷冻系统进行节能改造。
中央空调实际运行时，冷却系统和冷冻系统的进、出水温差（△T）约为2℃，根据：
冷冻水、冷却水带走的热量（r）= 流量(Q)×温差（△T）
我们可以适当提高温差（△T），降低流量(Q)，即降低转速，即可达到节能的目的。
分析：采用变频器配合可编程控制器组成控制单元，其中冷却水泵，冷冻水泵均采用温度自动闭环调节即用温度传感器对冷却水、冷冻水的水温进行采样，并转换成电信号（一般为4—20mA，0—10V等）后送至节电器 ,将该信号与设定值进行比较运算后决定变频器输出频率，以达到改变冷冻水泵、冷却水泵转速从而达到节能目的。
中央空调系统节电变频改造的原理示意图如下：
其中冷却水循环系统，回水与出水温度之差，反应了需要进行交换的热量；根据回水和出水温度之差，通过控制循环水的速度来控制热交换的速度，在满足系统冷却需要的前提下，达到节电的目的。温差大说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大循环速度，加速冷却水的降温；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可降低冷却泵的循环速度，以节约电能（如图二所示）。
在冷冻循环系统中，由于出水温度比较稳定，因此仅回水温度就足以反应了房间的温度，所以节电器可根据回水温度进行控制。回水温度高，说明房间温度高，应提高冷冻泵转速，加快冷冻水的循环；反之回水温度低说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，以节约能源（如图二所示）。
图二
图三
采用变频调速器驱动，两台冷却泵互为备用，可编程控制节电器根据传感器检测到的温差信号，同设定温差比较后控制变频器驱动电机运转。节电器先控制变频器软启动电动机M1，当M1到达额定转速时，仍未达到设定温差值时，节电器控制M1切换到工频电网运行，然后再启动M2，经控制变频器调节电机M2运转，从而控制冷却水的循环速度；当电机M2工作在下限转速值时，如果检测值大于设定值，节电器控制电机M1停机，同时控制变频器调节电机M2转速从而达到设定要求（如图三所示）。
2、冷冻水系统控制
由于低温冷冻水温度取决于蒸发器的运行参数，只需控制高温冷冻水（回水）的温度，即可控制温差，现采用温度传感器、PID调节器和变频器组成闭环控制系统，使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。即不同的季节、不同的空调点负荷的多少要求循环水的流量和压力不同，夏季7-9月份或空调点较多时要求流量与压力较高，而5月份和10月份、11月份的春秋季节或空调点较少时要求流量与压力较低，因此设计变频控制系统使供水系统满足最佳流量与压力，达到节能的目的，所以变频改造后可以节省大量的电能，达到节电非常理想效果。
3、冷却水系统控制
对于冷却水系统，取冷凝器两侧冷却水的温度作为控制参数，采用温度传感器、PID温差调节器和变频器及冷却水泵组成闭环控制系统，冷却水温差控制在△T2（例如：5℃），使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化，而冷却水的温差保持在设定值不变，使系统在满足主机工况不变条件下，冷却水泵系统节能最大。即冷却水依靠冷却泵给至冷却塔，不同的内部热交换程度要求冷却水循环的流量不同，因在空调设计时会考虑足够多热交换的余量，所以5月份和10月份、11月份的春秋季节及空调点负荷少时会有大量能源浪费，采用变频恒压控制设备对循环水系统进行控制，可节省大量的电能，节电率达30%左右。
4、控制方式
本方案在保留原工频系统的基础上加装变频控制系统，与原工频系统之间仅设置连锁以确保系统工作安全。同时要求2台冷却（冷冻）泵循环使用。
图四：工频/变频切换简图
图四
图五
五、系统选择
1、 器件选型
从性价比的角度出发，变频器节电器主要器件变频器和温度传感器选用加拿大进口名牌部件由国内德勤电工组装的DK-3200G系列产品。低压电器部份选用进口产品。因水泵负载不重，按1：1的比例配置即可。温度传感器选用管道式温度变送器。
主要装置：变频器水温传感器、主断路器交流接触器、热过载继电器电气柜、指示灯/转换开关/按钮交流电压表、交流电流表、互感器、数码LED显示器高稳定度开关电源、控制电源滤波器、可选装置（控制系统可编程控制器；A/D、D/A扩展功能模块）。如图五：
六、节能效果分析
下面举例说明采用变频调速后系统的节能效果：
中央空调的冷冻水泵功率PN=60KW，全速时供水量为QN,每天的平均流量为80%QN，泵的空载损耗约为15%PN，则消耗功率为
P=（60-60*15%）*0.8*0.8*0.8+60*15%=35.11KW
节电率为 (60-35.11)/60=41%
即使每天的平均流量为90%QN，则消耗功率为
P=（60-60*15%）*0.9*0.9*0.9+60*15%=46.18KW
节电率为 (60-46.18)/60=23%，通过实测，如图六：
图六
（没安装节电器电量-安装节电器电量）/没安装节电器电量%=（339-249）/339%=26.5%。
实践证明，改造后系统节电率一般可达到20%-40%。
七、中央空调系统经变频改造后的性能
（1）采用变频器闭环控制，可按需要进行软件组态并设定温度进行PID调节，使电机输出功率随热负载的变化而变化，在满足使用要求的前提下达到最大限度的节能。
（2）由于降速运行和软启运，减少了振动、噪音和磨损，延长了设备维修周期和使用寿命，减少了维修维护工作量，并减少了对电网冲击，提高了系统的可靠性。
（3）系统具有各种保护措施，使系统运转率和安全可靠性大大提高。
（4）变频调速闭环控制系统与原工频控制系统互为互锁，不影响原系统的运行，且在变频调速闭环控制系统检修或故障时，原工频控制系统照样可以正常运行。如图七：
图七
八、结论
当初经过将近三个月的论证、设计、立项、招标和施工，终于在我的主推下与商家共同完成了该中央空调水泵变频驱动调速节能工程改造项目，节电理想效果非常好，经过近几年的使用，完全达到了预期效果。要成为一名真正的工程师，不仅要技术好而且要有很好的想象力与前瞻性，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识运用到实际当中，学习嵌入式更是如此，技术只有经常的实际运用过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。
参考文献
[1]《大型中央空调工作原理及系统结构图》中国节能产业网
[2]《水泵转速和扬程、流量关系》百度文库>专业资料>工程技术>
[1]《动力设备节电器》深圳市鑫德勤科技开发有限公司
论文作者:韦正东
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
标签：水泵论文; 冷却水论文; 系统论文; 转速论文; 中央空调论文; 变频器论文; 温度论文; 《电力设备》2017年第34期论文;