安邦信 AMBG9變頻器在中心空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)用
一、 水泵節(jié)能改造的必要性
中心空調(diào)是大廈里的耗電大戶，每年的電費中空調(diào)耗電占 60% 左右，因此中心空調(diào)的節(jié)能改造顯得尤為重要。
由于設(shè)計時，中心空調(diào)系統(tǒng)必須按天氣最熱、負荷最大時設(shè)計，并且留 10-20% 設(shè)計余量，然而實際上盡大部分時間空調(diào)是不會運行在滿負荷狀態(tài)下，存在較大的富余，所以節(jié)能的潛力就較大，其中，冷凍主機可以根據(jù)負載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，存在很大的浪費。
水泵系統(tǒng)的流量與壓差是靠閥門和旁通調(diào)節(jié)來完成，因此，不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，不僅大量浪費電能，而且還造成中心空調(diào)最末端達不到公道效果的情況。為了解決這些題目需使水泵隨著負載的變化調(diào)節(jié)水流量并封閉旁通。
再因水泵采用的是 Y- △起動方式，電機的起動電流均為其額定電流的 3 ～ 4 倍，一臺 90KW 的電動機其起動電流將達到 500A ，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機的使用壽命大大下降，同時，起動時的機械沖擊和停泵時水垂現(xiàn)象，輕易對機械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞，從而增加維修工作量和備品、備件用度。
綜上，為了節(jié)約能源和用度，需對水泵系統(tǒng)進行改造，經(jīng)市場調(diào)查與了解采用成熟的變頻器來實現(xiàn)，以便達到節(jié)能和延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。
這是由于變頻器能根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵負載變化隨之調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，在滿足中心空調(diào)系統(tǒng)正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，以達到節(jié)能目的。水泵電機轉(zhuǎn)速下降，電機從電網(wǎng)吸收的電能就會大大減少。
其減少的功耗 △ P=P0 〔 1-（N1/N0）3 〕 （ 1 ）式
減少的流量 △ Q=Q0 〔 1-（N1/N0） 〕 （ 2 ）式
其中 N1 為改變后的轉(zhuǎn)速， N0 為電機原來的轉(zhuǎn)速， P0 為原電機轉(zhuǎn)速下的電機消耗功率， Q0 為原電機轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的水泵流量。
由上式可以看出流量的減少與轉(zhuǎn)速減少的一次方成正比，但功耗的減少卻與轉(zhuǎn)速減少的三次方成正比。如：假設(shè)原流量為 100 個單位，耗能也為 100 個單位，假如轉(zhuǎn)速降低 10 個單位，由（ 2 ）式△ Q=Q0 〔 1-（N1/N0） 〕 =100 ＊〔 1-（90/100） 〕 =10 可得出流量改變了 10 個單位，但功耗由（ 1 ）式△ P=P0[1-（N1/N0）3]=100 ＊〔 1-（90/100）3 〕 =27.1 可以得出，功率將減少 27.1 個單位，即比原來減少 27.1% 。
再因變頻器是軟啟動方式，采用變頻器控制電機后，電機在起動時及運轉(zhuǎn)過程中均無沖擊電流，而沖擊電流是影響接觸器、電機使用壽命最主要、最直接的因素，同時采用變頻器控制電機后還可避免水垂現(xiàn)象，因此可大大延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。
二、 水泵節(jié)能改造的方案
中心空調(diào)系統(tǒng)通常分為冷凍（媒）水和冷卻水兩個系統(tǒng)（如下圖，左半部分為冷凍（媒）水系統(tǒng)，右半部分為冷卻水系統(tǒng)）。根據(jù)國內(nèi)外最新資料先容，并多處通過對在中心空調(diào)水泵系統(tǒng)進行閉環(huán)控制改造的成功范例進行考察，現(xiàn)在水泵系統(tǒng)節(jié)能改造的方案大都采用變頻器來實現(xiàn)。
1 、 冷凍（媒）水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制
1、制冷模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制
該方案在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再經(jīng)過溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減，控制方式是：冷凍回水溫度大于設(shè)定溫度時頻率無極上調(diào)。
2、制熱模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制
該模式是在中中心空調(diào)中熱泵運行（即制熱）時冷凍水泵系統(tǒng)的控制方案。同制冷模式控制方案一樣，在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再經(jīng)過溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減。不同的是：冷凍回水溫度小于設(shè)定溫度時頻率無極上調(diào)，當溫度傳感檢測到的冷凍水回水溫越高，變頻器的輸出頻率越低。
AMB-G9系列智能變頻器都具有以上功能，通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器（如圖，安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的 A 處）來檢測冷凍水的回水溫度，并可直接通過設(shè)定變頻器參數(shù)使系統(tǒng)溫度調(diào)控在需要的范圍內(nèi)。
另外，針對已往改造的方案中首次運行時溫度交換不充分的缺陷，AMB-G9系列智能變頻器增加了首次起動全速運行功能，通過設(shè)定變頻器參數(shù)可使冷凍水系統(tǒng)充分交換一段時間，然后再根據(jù)冷凍回水溫度對頻率進行無極調(diào)速，并且變頻器輸出頻率是通過檢測回水溫度信號及溫度設(shè)定值經(jīng)PID運算而得出的。
2 、 冷卻水系統(tǒng)的閉環(huán)控制
目前，在冷卻水系統(tǒng)進行改造的方案最為常見，節(jié)電效果也較為明顯。該方案同樣在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量，當中中心空調(diào)冷卻水出水溫度低時，減少冷卻水流量；當中中心空調(diào)冷卻水出水溫度高時，加大冷卻水流量，從而達到在保證中中心空調(diào)機組正常工作的條件下達到節(jié)能增效的目的。
現(xiàn)有的控制方式大都先確定一個冷卻泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定為：
下限頻率并鎖定，變頻冷卻水泵的頻率是取冷卻管進、出水溫度差和出水溫度信號來調(diào)節(jié)，當進、出水溫差大于設(shè)定值時，頻率無極上調(diào)，當進、出水溫差小于設(shè)定值時，頻率無極下調(diào)，同時當冷卻水出水溫度高于設(shè)定值時，頻率優(yōu)先無極上調(diào)，當冷卻水出水溫度低于設(shè)定值時，按溫差變化來調(diào)節(jié)頻率，進、出水溫差越大，變頻器的輸出頻率越高；進、出水溫差越小，變頻器的輸出頻率越低。
與其他廠家的控制方式相比，其優(yōu)點有：
1 、 只需在中中心空調(diào)冷卻管出水端安裝一個溫度傳感器（如圖，安裝在冷卻水系統(tǒng)中中心空調(diào)冷卻水出水主管上的 B 處），簡單可靠。
2 、 當冷卻水出水溫度高于溫度上限設(shè)定值時，頻率直接優(yōu)先上調(diào)至上限頻率。
3 、 當冷卻水出水溫度低于溫度下限設(shè)定值時，頻率直接優(yōu)先下調(diào)至下限頻率。而采用冷卻管進、出水溫度差來調(diào)節(jié)很難達到這點。
4 、 當冷卻水出水溫度介于溫度下限設(shè)定值與溫度上限設(shè)定值時，通過對冷卻水出水溫度及溫度上、下限設(shè)定值進行PID計算，從而達到對頻率進行無極調(diào)速，閉環(huán)控制迅速正確。
5 、 節(jié)能效果更為明顯。當冷卻水出水溫度低于溫度上限設(shè)定值時，采用冷卻管進、出水溫度差來調(diào)節(jié)方式?jīng)]有將出水溫度低這一因素加進節(jié)能考慮范圍，而僅僅由溫度差來對頻率進行無極調(diào)速，而采用上、下限溫度來調(diào)節(jié)方式充分考慮這一因素，因而節(jié)能效果更為明顯，通過對多家用戶市場調(diào)查，均勻節(jié)電率要進步 5 ％以上，節(jié)電率達到 20 ％～ 40 ％。
6 、 具有首次起動全速運行功能。通過設(shè)定變頻器參數(shù)中的數(shù)值可使水系統(tǒng)充分交換一段時間，避免由于剛起動運行時熱交換不充分而引起的系統(tǒng)水流量過小。
中心空調(diào)是大廈里的耗電大戶，每年的電費中空調(diào)耗電占 60% 左右，因此中心空調(diào)的節(jié)能改造顯得尤為重要。
由于設(shè)計時，中心空調(diào)系統(tǒng)必須按天氣最熱、負荷最大時設(shè)計，并且留 10-20% 設(shè)計余量，然而實際上盡大部分時間空調(diào)是不會運行在滿負荷狀態(tài)下，存在較大的富余，所以節(jié)能的潛力就較大，其中，冷凍主機可以根據(jù)負載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，存在很大的浪費。
水泵系統(tǒng)的流量與壓差是靠閥門和旁通調(diào)節(jié)來完成，因此，不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，不僅大量浪費電能，而且還造成中心空調(diào)最末端達不到公道效果的情況。為了解決這些題目需使水泵隨著負載的變化調(diào)節(jié)水流量并封閉旁通。
再因水泵采用的是 Y- △起動方式，電機的起動電流均為其額定電流的 3 ～ 4 倍，一臺 90KW 的電動機其起動電流將達到 500A ，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機的使用壽命大大下降，同時，起動時的機械沖擊和停泵時水垂現(xiàn)象，輕易對機械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞，從而增加維修工作量和備品、備件用度。
綜上，為了節(jié)約能源和用度，需對水泵系統(tǒng)進行改造，經(jīng)市場調(diào)查與了解采用成熟的變頻器來實現(xiàn)，以便達到節(jié)能和延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。
這是由于變頻器能根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵負載變化隨之調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，在滿足中心空調(diào)系統(tǒng)正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，以達到節(jié)能目的。水泵電機轉(zhuǎn)速下降，電機從電網(wǎng)吸收的電能就會大大減少。
其減少的功耗 △ P=P0 〔 1-（N1/N0）3 〕 （ 1 ）式
減少的流量 △ Q=Q0 〔 1-（N1/N0） 〕 （ 2 ）式
其中 N1 為改變后的轉(zhuǎn)速， N0 為電機原來的轉(zhuǎn)速， P0 為原電機轉(zhuǎn)速下的電機消耗功率， Q0 為原電機轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的水泵流量。
由上式可以看出流量的減少與轉(zhuǎn)速減少的一次方成正比，但功耗的減少卻與轉(zhuǎn)速減少的三次方成正比。如：假設(shè)原流量為 100 個單位，耗能也為 100 個單位，假如轉(zhuǎn)速降低 10 個單位，由（ 2 ）式△ Q=Q0 〔 1-（N1/N0） 〕 =100 ＊〔 1-（90/100） 〕 =10 可得出流量改變了 10 個單位，但功耗由（ 1 ）式△ P=P0[1-（N1/N0）3]=100 ＊〔 1-（90/100）3 〕 =27.1 可以得出，功率將減少 27.1 個單位，即比原來減少 27.1% 。
再因變頻器是軟啟動方式，采用變頻器控制電機后，電機在起動時及運轉(zhuǎn)過程中均無沖擊電流，而沖擊電流是影響接觸器、電機使用壽命最主要、最直接的因素，同時采用變頻器控制電機后還可避免水垂現(xiàn)象，因此可大大延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。
二、 水泵節(jié)能改造的方案
中心空調(diào)系統(tǒng)通常分為冷凍（媒）水和冷卻水兩個系統(tǒng)（如下圖，左半部分為冷凍（媒）水系統(tǒng)，右半部分為冷卻水系統(tǒng)）。根據(jù)國內(nèi)外最新資料先容，并多處通過對在中心空調(diào)水泵系統(tǒng)進行閉環(huán)控制改造的成功范例進行考察，現(xiàn)在水泵系統(tǒng)節(jié)能改造的方案大都采用變頻器來實現(xiàn)。
1 、 冷凍（媒）水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制
1、制冷模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制
該方案在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再經(jīng)過溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減，控制方式是：冷凍回水溫度大于設(shè)定溫度時頻率無極上調(diào)。
2、制熱模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制
該模式是在中中心空調(diào)中熱泵運行（即制熱）時冷凍水泵系統(tǒng)的控制方案。同制冷模式控制方案一樣，在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再經(jīng)過溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減。不同的是：冷凍回水溫度小于設(shè)定溫度時頻率無極上調(diào)，當溫度傳感檢測到的冷凍水回水溫越高，變頻器的輸出頻率越低。
AMB-G9系列智能變頻器都具有以上功能，通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器（如圖，安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的 A 處）來檢測冷凍水的回水溫度，并可直接通過設(shè)定變頻器參數(shù)使系統(tǒng)溫度調(diào)控在需要的范圍內(nèi)。
另外，針對已往改造的方案中首次運行時溫度交換不充分的缺陷，AMB-G9系列智能變頻器增加了首次起動全速運行功能，通過設(shè)定變頻器參數(shù)可使冷凍水系統(tǒng)充分交換一段時間，然后再根據(jù)冷凍回水溫度對頻率進行無極調(diào)速，并且變頻器輸出頻率是通過檢測回水溫度信號及溫度設(shè)定值經(jīng)PID運算而得出的。
2 、 冷卻水系統(tǒng)的閉環(huán)控制
目前，在冷卻水系統(tǒng)進行改造的方案最為常見，節(jié)電效果也較為明顯。該方案同樣在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量，當中中心空調(diào)冷卻水出水溫度低時，減少冷卻水流量；當中中心空調(diào)冷卻水出水溫度高時，加大冷卻水流量，從而達到在保證中中心空調(diào)機組正常工作的條件下達到節(jié)能增效的目的。
現(xiàn)有的控制方式大都先確定一個冷卻泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定為：
下限頻率并鎖定，變頻冷卻水泵的頻率是取冷卻管進、出水溫度差和出水溫度信號來調(diào)節(jié)，當進、出水溫差大于設(shè)定值時，頻率無極上調(diào)，當進、出水溫差小于設(shè)定值時，頻率無極下調(diào)，同時當冷卻水出水溫度高于設(shè)定值時，頻率優(yōu)先無極上調(diào)，當冷卻水出水溫度低于設(shè)定值時，按溫差變化來調(diào)節(jié)頻率，進、出水溫差越大，變頻器的輸出頻率越高；進、出水溫差越小，變頻器的輸出頻率越低。
與其他廠家的控制方式相比，其優(yōu)點有：
1 、 只需在中中心空調(diào)冷卻管出水端安裝一個溫度傳感器（如圖，安裝在冷卻水系統(tǒng)中中心空調(diào)冷卻水出水主管上的 B 處），簡單可靠。
2 、 當冷卻水出水溫度高于溫度上限設(shè)定值時，頻率直接優(yōu)先上調(diào)至上限頻率。
3 、 當冷卻水出水溫度低于溫度下限設(shè)定值時，頻率直接優(yōu)先下調(diào)至下限頻率。而采用冷卻管進、出水溫度差來調(diào)節(jié)很難達到這點。
4 、 當冷卻水出水溫度介于溫度下限設(shè)定值與溫度上限設(shè)定值時，通過對冷卻水出水溫度及溫度上、下限設(shè)定值進行PID計算，從而達到對頻率進行無極調(diào)速，閉環(huán)控制迅速正確。
5 、 節(jié)能效果更為明顯。當冷卻水出水溫度低于溫度上限設(shè)定值時，采用冷卻管進、出水溫度差來調(diào)節(jié)方式?jīng)]有將出水溫度低這一因素加進節(jié)能考慮范圍，而僅僅由溫度差來對頻率進行無極調(diào)速，而采用上、下限溫度來調(diào)節(jié)方式充分考慮這一因素，因而節(jié)能效果更為明顯，通過對多家用戶市場調(diào)查，均勻節(jié)電率要進步 5 ％以上，節(jié)電率達到 20 ％～ 40 ％。
6 、 具有首次起動全速運行功能。通過設(shè)定變頻器參數(shù)中的數(shù)值可使水系統(tǒng)充分交換一段時間，避免由于剛起動運行時熱交換不充分而引起的系統(tǒng)水流量過小。
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