中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司 陕西省西安市 710054
摘要：在中央空调使用率不断增加的背景下，传统空调水系统耗能大的劣势逐渐突显出来，与此同时，人们开始将变频节能理念应用到中央空调的水系统控制中去，不断根据空调类型设计出适合中央空调水系统节能的方案，贯彻落实了我国能源可持续发展战略。但目前我国在中央空调水系统变频节能改造方面还存在一定的不足，还需要不断地进行创新和改革。因此，本文将从促进我国水系统变频节能改造技术的发展角度出发，围绕中央空调水系统的变频节能改造进行探讨。
关键词：中央空调；水系统；变频节能
一、空调水系统变频节能原理
中央空调水系统变频是指对冷却水泵和冷冻水泵进行改造。通过对水泵变频，将水系统改造为变流量运行，使空调系统的负荷与实际相匹配。
通常冷水机组是在定流量设计下运行的，冷水机组要保持定流量的主要原因是：①蒸发器（或冷凝器）内水流速的改变会改变水侧放热系数，影响传热；②管内流速太低，若水中含有机物或盐，在流速小于1m/s时，会造成管壁腐蚀；③避免由于冷水流量突然减小，引起蒸发器的冻结。实际空调系统水泵变频改造工程表明，对空调水系统水泵进行变频节能改造，对冷水机组的功率几乎没有影响。因此，合理利用变频节能控制方法，对整个中央空调控制系统会起到更好的保护作用。
空调系统变频节能的依据是空调系统在部分负荷的运行状态下，通过减小水流量来维持空调系统冷负荷的不变，从而节省循环水系统中水泵的能耗。根据水泵的工作原理可知，水泵的流量、扬程、转速与功率之间的关系为：
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式中：Q1、Q2为水泵的流量，m3/h；n1、n2为水泵的转速，r/s；H1、H2为水泵的扬程，m；P1、P2为水泵的功率，kW。由式（1）可知，水泵的流量与转速成正比关系，而水泵的输入功率与转速的立方成正比关系。由该关系可知，当水泵的转速降低后，流量按照某比例减小，相应泵的功率按照该比例的三次方下降。
一次泵水系统是实现空调水系统节能的最佳配置。传统的空调水系统在末端设置电动两通阀或电动三通阀，通过阀门开度来调节水流量。这种方法虽然能减小空调系统的流量，但却大大增加了系统的压力，即增加系统的管路阻力，使大部分的能量消耗在阀门上。
随着变频器价格的下降，变频泵在空调水系统中的应用也越来越多。当泵的转速由n1变为n2时，相应的流量也从Q1变为Q2，实现了流量调节，与普通的循环泵相比，节约了水泵的能耗。另外，变频泵可以使管网的流量连续变化，实现无级调节，有利于更好地降低水泵的能耗。设置旁通阀调节水量原理如图1所示。
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二、变频节能控制原理
空调水系统包括冷却水和冷冻水系统两部分。冷却水部分包括冷却水泵、冷却塔和冷却水管道。冷冻水部分包括冷冻水泵和冷冻水管道。在冷冻水部分出口和冷却水部分进出口都安装有二线制的温度变送器，对冷却水部分的进出口温度送至变频器作温差控制，而冷冻水的出口温度作恒温控制。系统结构如图2所示。
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图2中，温度变送器传送三个温度模拟量（冷却水进口温度、冷却水出口温度和冷冻水出口温度）至变频器，三个模拟量作为变频器控制判定根据。变频器再将启动泵信号传至PLC，通过PLC启动相应水泵，实现水泵间的切换。变频器输出信号控制着电机转速的大小，最终实现水泵内水的流量控制。变频器将设置最低限和最高限来保护制冷主机和电机，根据实际需要，冷却水进出口温差变大时，则变频器增大频率，加快电机转速，加大水的流量；反之，温差变小，则减小频率，减慢电机转速，减小水的流量。
水系统变频节能改造系统控制原理如图3所示。
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三、工程改造及节能效果
由于空调系统的不同，采用变频节能改造的节能效益也不相同。本文以改造的某工程为例，分析其改造和节能效果。
改造工程为一政府办公楼，采用H2蒸汽双效型溴化锂吸收式制冷主机，配备两台冷却水泵和两台冷冻水泵。空调水系统的主要设备如表2所示。
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改造前，系统工频运行，即冷冻水和冷却水系统均按工频运行。运行过程中出现电机电流远超过电机的额定电流，电机外壳发热严重，甚至出现启动电流过大直接导致系统不能启动的情况。按照文中的控制原理和方法对现场系统进行改造，分析对比了系统改造前后的能耗状况。改造前，水系统每天的能耗基本相等；改造后，每天水系统的能耗会根据当天天气情况导致空调房间制冷量的变化。系统改造前后水系统单月的耗电量如表3所示。
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其中，E前冷却水为改造前冷却水系统所消耗的总能量；E前冷冻水为改造前冷冻水系统所消耗的总能量；E后冷却水为改造后冷却水系统所消耗的总能量；E后冷冻水为改造后冷冻水系统所消耗的总能量。该工程冷却水部分节省电能计算式为：
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冷冻水部分节能电能为：
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冷却水部分节电率为：
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冷冻水部分节电率为：
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综上所述，该工程水系统部分变频节能改造的节电率约为33%。
四、结语
由此看来，中央空调水系统变频节能改造工作的开展具有重要意义，我们应该意识到水系统变频对节约能源的重要性，不断围绕水系统的能耗改造问题进行创新和改革，为城市建筑设计以及生活、生产提供便利，从而实现环保节能的目标，促进能源的可持续发展。
参考文献：
[1]谢琼慧.中央空调水系统变频节能改造的探讨[J].科技与创新，2014（13）.
[2]王宪，李夔.深圳地铁车站中央空调系统变频节能改造方案分析[J].制冷，2011（12）.
[3]赵辛.变频控制技术在中央空调水系统中的应用[J].沈阳师范大学学报（自然科学版），2013（04）.