變頻器在中央空調系統的節能應用

變頻器技術及應用論文

- 2 - 

盤管風機

冷凍主機

風扇

冷卻塔

冷卻泵

冷卻水回水

冷凍水出水

壓縮機

冷卻水進水

冷凍水回水

房間

冷凍泵

冷凍水管道

冷卻水管道

圖

1-1 

中央空調冷水機組系統組成

冷凝器

蒸發器

冷卻水

冷凍水

M

壓縮機

32

℃

37

℃

7

℃

高壓氣體

低壓氣體

低壓液體

高壓液體

熱力膨脹閥

（放熱）

（吸熱）

12

℃

圖

1-2 

制冷壓縮機系統的原理圖

由圖

1-1

可以看出，中央空調的冷水機組主要有兩個水循環系統構成，即

冷卻水循環系統和冷凍水循環系統，

壓縮機

（圖

1-2

）

不斷地從蒸發器中抽取制

冷劑蒸汽，低壓制冷劑蒸汽在壓縮機內部被壓縮為高壓蒸汽后進入冷凝器中，

制冷劑和冷卻水在冷凝器中進行熱交換，制冷劑放熱后變為高壓液體，通過熱

力膨脹閥后，液態制冷劑壓力急劇下降，變為低壓液態制冷劑后進入蒸發器，

在蒸發器中，低壓液態制冷劑通過與冷凍水的熱交換吸收冷凍水的熱量，冷凍

水通過盤管吹出冷風以達到降溫的目的，溫度升高了的循環水回到冷凍主機又

中央空調冷水機組系統的組成以及工作原理

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成為了冷凍水，而變為低壓蒸汽的制冷劑，在通過回氣管重新吸入壓縮機，開

始新的一輪制冷循環。

而冷卻水在與制冷劑完成熱交換之后，由冷卻水泵加壓，

通過冷卻水管道到達散熱塔與外界進行熱交換，降??后的冷卻水重新流入冷凍

主機開始下一輪的循環。

1.1

水泵的變頻節能原理

中央空調進行熱交換的大小由冷凍水的流量控制，通常采用的流量控制方

法有閥門控制和調述控制

[4]

。

閥門控制是通過增加管道的阻抗而達到控制流量的

目的，因而浪費了能量，如果采用調速控制，冷凍水的流量由冷凍泵電機的轉

速決定，電機的耗電量決定于電機的輸出功率，輸出功率與電機轉速的立方成

正比，而電機轉速與供電頻率成正比，所以電機轉速稍有下降，即稍微降低供

電頻率，輸出功率將大幅度下降，若電機轉速能根據實際所需的熱交換量來調

整，電機的功率將大大減少，從而顯著節約電能。

1.2

水泵節能改造的必要性

由于設計時，中央空調系統必須按天氣*熱、負荷*大時設計，并且留

10-20%

設計余量，然而實際上絕大部分時間空調是不會運行在滿負荷狀態下，

存在較大的富余，所以節能的潛力就較大，其中，冷凍主機可以根據負載變化

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調節，存在

很大的浪費。

水泵系統的流量與壓差是靠閥門和旁通調節來完成，因此，不可避免地存

在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現象，不僅大量浪費電能，而且

還造成中央空調*末端達不到合理效果的情況。為了解決這些問題需使水泵隨

著負載的變化調節水流量并關閉旁通。

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象，

容易對機械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞，從而增加維修工作量和備品、

備件費用。

綜上，為了節約能源和費用，對水泵系統進行改造，采用變頻器加以實現，

以便達到節能和延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。

這是因為變頻器能根據冷凍水泵和冷卻水泵負載變化隨之調整水泵電機的

變頻器技術及應用論文

- 4 - 

轉速，在滿足中央空調系統正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵作出相應

調節，以達到節能目的。水泵電機轉速下降，電機從電網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

為改變后的轉速，

N0

為電機原來的轉速，

P0

為原電機轉速下的

電機消耗功率，

Q0

為原電機轉速下所產生的水泵流量。

由上式可以看出流量的減少與轉速減少的一次方成正比，

但功耗的減少卻

與轉速減少的三次方成正比。

如：假設原流量為

100

個單位，耗能也為

100

個單位，如果轉速降低

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

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*主要、*直

接的因素，同時采用變頻器控制電機后還可避免水垂現象，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。

2

水泵節能改造的方案

中央空調系統通常分為冷凍（媒）水和冷卻水兩個??統（如下圖，左半部

分為冷凍（媒）水系統，右半部分為冷卻水系統）

。

2.1

冷凍（媒）水泵系統的閉環控制

〔

1

〕

、制冷模式下冷凍水泵系統的閉環控制

該方案在保證*末端設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*小工作頻率，將其設定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調

水泵節能改造的方案

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節是通過安裝在冷凍水系統回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再

經由溫度控制器設定的溫度來控制變頻器的頻率增減，控制方式是：冷凍回水

溫度大于設定溫度時頻率無極上調。

〔

2

〕

、制熱模式下冷凍水泵系統的閉環控制

該模式是在中中央空調中熱泵運行

（即制熱）

時冷凍水泵系統的控制方案。

同制冷模式控制方案一樣，在保證*末端設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*小工作頻率，將其設定為下限頻率并鎖定，變頻冷

凍水泵的頻率調節是通過安裝在冷凍水系統回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍

水回水溫度，再經由溫度控制器設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定溫度時頻率無極上調，當溫度傳感檢測到的冷凍水

回溫水越高，變頻器的輸出頻率越低。

2.2

冷卻水系統的閉環控制

目前，在冷卻水系統進行改造的方案*為常見，節電效果也較為顯著。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

頻率來調節冷卻水流量，

當中中央空調冷卻水出水溫度低時，

減少冷卻水流量；

當中中央空調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央

空調機組正常工作的前提下達到節能增效的目的。

現有的控制方式大都先確定一個冷卻泵變頻器工作的*小工作頻率，將其

設定為

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

溫度信號來調節，當進、出水溫差大于設定值時，頻率無極上調，當進、出水

溫差小于設定值時，頻率無極下調，同時當冷卻水出水溫度高于設定值時，頻

率優先無極上調，當冷卻水出水溫度低于設定值時，按溫差變化來調節頻率，

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。

經多方實踐應用，現用于冷卻水系統閉環控制的系列智能變頻器采用同制

冷模式下冷凍水泵系統閉環控制一樣的控制方式。

2.3

水泵節能改造的方案的優點

1

、只需在中中央空調冷卻管出水端安裝一個溫度傳感器（如圖，安裝在冷

卻水系統中中央空調冷卻水出水主管上的

B

處）

，簡單可靠。

變頻器技術及應用論文

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2

、

當冷卻水出水溫度高于溫度上限設定值時，頻率直接優先上調至上限

頻率。

3

、

當冷卻水出水溫度低于溫度下限設定值時，頻率直接優先下調至下限

頻率。而采用冷卻管進、出水溫度差來調節很難達到這點。

4

、

當冷卻水出水溫度介于溫度下限設定值與溫度上限設定值時，通過對

冷卻水出水溫度及溫度上、下限設定值進行ＰＩＤ計算，從而達到對頻率進行

無極調速，閉環控制迅速準確。

5

、

節能效果更為明顯。當冷卻水出水溫度低于溫度上限設定值時，采用

冷卻管進、出水溫度差來調節方式沒有將出水溫度低這一因素加入節能考慮范

圍，而僅僅由溫度差來對頻率進行無極調速，而采用上、下限溫度來調節方式

充分考慮這一因素，因而節能效果更為明顯，通過對多家用戶市場調查，平均

節電率要提高

5

％以上，節電率達到

20

％～

40

％。

6

、

具有**起動全速運行功能。通過設定變頻器參數中的數值可使水系

統充分交換一段時間，避免由于剛起動運行時熱交換不充分而引起的系統水流

量過小。