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一、前言
大部份建筑物在一年當(dāng)中，只有幾十天時(shí)間，中央空調(diào)處于最大負(fù)荷。中央空調(diào)冷負(fù)荷，始終處于動(dòng)態(tài)變化之中，如每天早晚、每季交替、每年輪回、環(huán)境及人文等因素都實(shí)時(shí)影響著中央空調(diào)冷負(fù)荷。一般，冷負(fù)荷在5~60%范圍內(nèi)波動(dòng)，大多數(shù)建筑物每年至少70%的時(shí)間是處于這種情況。而大多數(shù)中央空調(diào)，因系統(tǒng)設(shè)計(jì)多數(shù)以最大冷負(fù)荷為最大功率驅(qū)動(dòng)。這樣，就往往造成實(shí)際需要冷負(fù)荷與最大功率輸出之間的矛盾，實(shí)際造成巨大能源浪費(fèi)，給使用方造成巨額電費(fèi)支出，增加經(jīng)營者的成本，降低經(jīng)營競爭力。
本文介紹了AB變頻器PF400在中央空調(diào)系統(tǒng)的水循環(huán)、變頻風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。
二、PF400在中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
中央空調(diào)系統(tǒng)的水循環(huán)系統(tǒng)主要分為冷凍水（或熱水）循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，智能變頻柜主要控制的對象為冷凍水（熱水）回路和冷卻水回路。如下圖所示。
1、冷凍水循環(huán)的控制
由冷凍泵及冷凍水管道組成，從冷水機(jī)組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在個(gè)房間內(nèi)進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)熱量，從而使房間內(nèi)的溫度下降。
冷凍水泵的控制方式為：最高層（或最不利端）壓力控制
在高層的中央空調(diào)系統(tǒng)中，由于各層的空調(diào)機(jī)想對應(yīng)于熱負(fù)載的變動(dòng)開閉冷水進(jìn)口閥，以此調(diào)節(jié)室溫。由于冷凍水的流量經(jīng)常發(fā)生變化，引起最高層水壓的較大變化，為了解決該問題，需要控制冷水泵的出水閥，以保持最高層水壓大致恒定，但大多數(shù)應(yīng)用場合，都是保持出水閥門開度一定，任隨壓力變化。如果這樣，會(huì)導(dǎo)致壓力損失大，效率低。此時(shí)若采用轉(zhuǎn)速控制，以保持最佳壓力，可防止壓力損失并較大幅度提高效率并取得好的節(jié)能效果。
2、冷卻水循環(huán)的控制
由冷卻泵及冷卻水管道及冷卻塔組成。冷水機(jī)組進(jìn)行熱交換，是水溫冷卻的同時(shí)，必將釋放大量的熱量。該熱量被冷卻水吸收，是冷卻水溫度升高。冷卻泵將升了溫冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進(jìn)行熱交換，然后再降了溫的冷卻水，送回到冷水機(jī)組。如此不斷循環(huán)，帶走冷水機(jī)組釋放的熱量。
冷卻水泵的控制方式為：恒溫差控制。
由于冷卻塔的水溫是隨環(huán)境溫度而變化的，其單側(cè)水溫不能準(zhǔn)確地反映冷凍機(jī)組產(chǎn)生熱量的多少。所以，對于冷卻水泵，以進(jìn)水和回水的溫差作為控制依據(jù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水和回水間的恒溫差控制是比較合理的。溫差大，說明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水的循環(huán)速度；反之則應(yīng)該降低轉(zhuǎn)速。
3、變頻控制原理
從以上的分析可以知道，對于中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)的變頻控制一般都采用恒壓力差或恒溫差閉環(huán)控制，PF400變頻器有一個(gè)內(nèi)置的PID控制回路，用來使過程反饋的壓力差或溫度差與設(shè)定值保持一致。具體示意如圖二：
在PF400的PID控制中，比例運(yùn)算是指輸出控制量與偏差的比例關(guān)系。積分運(yùn)算的目的是消除靜差，只要偏差存在，積分作用將控制量向使偏差消除的方向移動(dòng)。比例作用和積分作用是對控制結(jié)果的修正動(dòng)作，響應(yīng)較慢。微分作用是為了消除其缺點(diǎn)而補(bǔ)充的。微分作用根據(jù)偏差產(chǎn)生的速度對輸出量進(jìn)行修正，使控制過程盡快恢復(fù)到原來的控制狀態(tài)，微分時(shí)間是表示微分作用強(qiáng)度的單位。
4、節(jié)能預(yù)估
根據(jù)流體力學(xué)原理，流量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，管壓H與轉(zhuǎn)速n的二次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比。即
Q=K1*n
H=K2*n2
Ps=K3*n3
當(dāng)所需流量減少，離心泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。如所需流量的80%，則轉(zhuǎn)速也下降為額定轉(zhuǎn)速的80%，而軸功率降51。2%；當(dāng)所需流量為而額定流量的50%時(shí)，而軸功率降12。5%。當(dāng)然，轉(zhuǎn)速降低時(shí)，效率也會(huì)有所下降，同時(shí)還應(yīng)考慮控制裝置的附加損耗等影響。即使如此，這種節(jié)電效果也非常可觀。通過實(shí)際證明，水泵類，節(jié)能40%-50%。
綜合實(shí)際運(yùn)行效果，對冷凍泵拖動(dòng)系統(tǒng)、冷卻泵拖動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施變頻控制后的基本節(jié)能效果為35%～55%左右。
三、PF400在中央空調(diào)變頻風(fēng)機(jī)控制的設(shè)計(jì)
目前的中央空調(diào)系統(tǒng)中，變頻風(fēng)機(jī)正在在被廣泛使用，其有如下突出的優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能潛力大，控制靈活，可避免冷凍水、冷凝水上頂棚的麻煩等。然而變頻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)需要精心設(shè)計(jì)，精心施工，精心調(diào)試和精心管理，否則有可能產(chǎn)生諸如新風(fēng)不足、氣流組織不好、房間負(fù)壓或正壓過大、噪聲偏大、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、節(jié)能效果不明顯等一系列問題。
中央空調(diào)中變頻風(fēng)機(jī)的控制方式主要有以下幾種：
1、變頻風(fēng)機(jī)的靜壓PID控制方式
送風(fēng)機(jī)的空氣處理裝置是采用冷熱水來調(diào)節(jié)空氣溫度的熱交換器，冷、熱水是通過冷、熱源裝置對水進(jìn)行加溫或冷卻而得到的。大型商場、人員較集中且面積較大的場所常使用此類裝置。圖一所示給出了一個(gè)空氣處理裝置中送風(fēng)機(jī)的靜壓控制系統(tǒng)。
在第一個(gè)空氣末端裝置的75%到100%處設(shè)置靜壓傳感器，通過改變送風(fēng)機(jī)入口的導(dǎo)葉或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的辦法來控制系統(tǒng)靜壓。如果送風(fēng)干管不只一條，則需設(shè)置多個(gè)靜壓傳感器，通過比較，用靜壓要求最低的傳感器控制風(fēng)機(jī)。風(fēng)管靜壓的設(shè)定值（主送風(fēng)管道末端最后一個(gè)支管前的靜壓）一般取250-375Pa之間。若各通風(fēng)口擋板開啟數(shù)增加，則靜壓值比給定值低，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，加大送風(fēng)量；若各通風(fēng)口擋板開啟數(shù)減少，靜壓值上升，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，送風(fēng)量減少，靜壓又降低，從而形成了一個(gè)靜壓控制的PID閉環(huán)。
在靜壓PID控制算法中，通常采用兩種方式，即定靜壓控制法和變靜壓控制法。定靜壓控制法是系統(tǒng)控制器根據(jù)設(shè)于主風(fēng)道2/3處的靜壓傳感器檢測值與設(shè)定值的偏差,變頻調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,以維持風(fēng)道內(nèi)靜壓一定。變靜壓控制法即利用DDC數(shù)據(jù)通訊技術(shù)，系統(tǒng)控制器綜合各末端的閥位信號，來判斷系統(tǒng)送風(fēng)量盈虧，并變頻調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，滿足末端送風(fēng)量需要。由于變靜壓控制法在部分負(fù)荷下風(fēng)機(jī)輸出靜壓低，末端風(fēng)閥開度大、噪聲低，風(fēng)機(jī)節(jié)能效果好，同時(shí)又能充分保證每個(gè)末端的風(fēng)量需要。
控制管道靜壓的好處是有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行并排除各末端裝置在調(diào)節(jié)過程中的相互影響。此種靜壓PID控制方式特別適合于上下樓或被隔開的各個(gè)房間內(nèi)用一臺空氣處理裝置和公用管道進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)的場合，如商務(wù)大廈的標(biāo)準(zhǔn)辦公層都得到了廣泛的應(yīng)用。
2、變頻風(fēng)機(jī)的恒溫PID控制方式
在室內(nèi)空調(diào)要求有諸如舒適性等要求較高而空間又不是太過于大的空調(diào)區(qū)域內(nèi)，可以使用恒溫控制。恒溫控制中必須注意以下幾個(gè)方面：
（1） 溫控系統(tǒng)的熱容量比較大，控制指令發(fā)出后，不是瞬間響應(yīng)，響應(yīng)速度慢；
（2） 外界條件如氣溫、日照等對溫控系統(tǒng)的影響很大；
（3） 因?yàn)榭刂茖ο鬄闅怏w，溫度檢測傳感器的安裝位置非常重要。
本控制方式也是利用了變頻器PF400內(nèi)置的PID算法進(jìn)行溫度控制，當(dāng)通過傳感器采集的被測溫度偏離所希望的給定值時(shí)，PID程序可根據(jù)測量信號與給定值的偏差進(jìn)行比例（P）、積分（I）、微分（D）運(yùn)算，從而輸出某個(gè)適當(dāng)?shù)目刂菩盘柦o執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即變頻器），提高或降低轉(zhuǎn)速，促使測量值室溫恢復(fù)到給定值，達(dá)到自動(dòng)控制的效果。
恒溫控制中必須要注意PID的正作用和反作用，也就是說在夏季（使用冷氣）和冬季（使用暖氣）是不一樣的。在使用冷氣中，如果檢測到的溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，變頻器就必須加快輸出頻率；而在使用暖氣中，如果檢測到溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，變頻器就必須降低輸出頻率。因此，必須在控制系統(tǒng)增設(shè)夏季/冬季切換開關(guān)以保證控制的準(zhǔn)確性。
3、變頻風(fēng)機(jī)的多段速變風(fēng)量控制方式
在大型的空調(diào)大樓中，由于所需要的空氣量是隨著樓內(nèi)人數(shù)及晝夜大氣溫度的變化而不同，所以相應(yīng)地對風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)可以減少輸入風(fēng)扇的電能并調(diào)整主機(jī)的熱負(fù)載。人少時(shí)，如周末、星期日、節(jié)假日，空氣需求量少。所以考慮這些具體情況來改變吸氣扇轉(zhuǎn)速，控制進(jìn)風(fēng)量，可減少吸氣扇電機(jī)的能耗，同時(shí)還可以減輕輸入暖氣時(shí)鍋爐的熱負(fù)載和輸入冷氣時(shí)制冷機(jī)的熱負(fù)載。
下圖所示為某大樓在不同的工作時(shí)段內(nèi)（平時(shí)、周六、周日或節(jié)假日）的風(fēng)量需求量，該風(fēng)量必須根據(jù)二氧化碳濃度等環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)來確定最少必需量。由于通常在設(shè)計(jì)中都留有一定的余量，因此可以按高速時(shí)86%、中速時(shí)67%、低速時(shí)57%的進(jìn)風(fēng)量來進(jìn)行多段速控制。
該控制方式是基于對風(fēng)量需求進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的程序控制，在PF400進(jìn)行控制時(shí)可以選擇通過端子功能切換多段速來實(shí)現(xiàn)。
四、PF400在冷卻塔風(fēng)機(jī)控制中的應(yīng)用
在中央空調(diào)水冷式機(jī)組中，使用循環(huán)冷卻水是最常用的方法之一。為了使機(jī)組中加熱了的水再降溫冷卻，重新循環(huán)使用，常使用冷卻塔。風(fēng)機(jī)為機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的關(guān)鍵部件，通常都采用戶外立式冷卻塔專用電機(jī)。水在冷卻塔滴下時(shí)，冷卻風(fēng)機(jī)使之與空氣較充分的接觸，將熱量傳遞給周圍空氣，將水溫降下來。
由于冷卻塔的設(shè)備容量是根據(jù)在夏天最大熱負(fù)載的條件下選定的，也就是考慮到最惡劣的條件，然而在實(shí)際設(shè)備運(yùn)行中，由于季節(jié)、氣候、工作負(fù)載的等效熱負(fù)載等諸多因素都決定了機(jī)組設(shè)備經(jīng)常是處于在較低熱負(fù)載的情況下運(yùn)行，所以機(jī)組的耗電常常是不必要的和浪費(fèi)的。因此，使用變頻調(diào)速控制冷卻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在夜間或在氣溫較低的季節(jié)氣候條件下，通過調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和冷卻風(fēng)機(jī)的開啟臺數(shù)，節(jié)能效果就非常顯著。
冷卻水系統(tǒng)能耗是空調(diào)系統(tǒng)總能耗的重要組成部分之一。采用截止閥對冷卻水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)將導(dǎo)致能量無謂的浪費(fèi)，在部分負(fù)荷時(shí)固定冷卻水流量以及不對冷卻塔風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行控制也將浪費(fèi)大量電能。如采用微機(jī)控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)對冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行控制節(jié)能效果約為30%，具有顯著的節(jié)能效益。特別對于賓館、飯店、商場等工作期較長的集中空調(diào)系統(tǒng)以及南方地區(qū)空調(diào)運(yùn)行期長的其他建筑物空調(diào)系統(tǒng)，采用空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行系統(tǒng)的投資回收期一般在1―2年，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
在典型的冷卻塔風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中，變頻器可以利用內(nèi)置PID功能，可以組成以溫度為控制對象的閉環(huán)控制。圖六所示為典型的冷卻塔變頻控制原理，冷卻塔風(fēng)機(jī)的作用是將出水溫度降到一定的值，其降溫的效果可以通過變頻器的速度調(diào)整來進(jìn)行。被控量（出水溫度）與設(shè)定值的差值經(jīng)過變頻器內(nèi)置的PID控制器后，送出速度命令并控制PWM輸出，最終調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
對冷卻塔風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速控制，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
（1） 由于冷卻塔風(fēng)機(jī)拖動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2一般都較大，所以給定加減速時(shí)間要長一些，如30－50S。
（2） 在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)由于外界風(fēng)力作用下，冷卻風(fēng)機(jī)會(huì)自轉(zhuǎn)，此時(shí)如果起動(dòng)變頻器，電動(dòng)機(jī)會(huì)進(jìn)入再生狀態(tài)，就會(huì)出現(xiàn)故障跳，對于變頻器應(yīng)該將啟動(dòng)方式設(shè)為轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動(dòng)。這樣一來，變頻器在啟動(dòng)前，通過檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，實(shí)施對旋轉(zhuǎn)中電機(jī)的平滑無沖擊啟動(dòng)。
（3） 由于采用普通電機(jī)，因此應(yīng)該設(shè)置最低運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，以保持電機(jī)合適的溫升，一般為頻率下限為20Hz。
（4） 為防止冷卻風(fēng)機(jī)在較寬的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率范圍內(nèi)（一般20Hz～50Hz）出現(xiàn)特定轉(zhuǎn)速下的機(jī)械共振現(xiàn)象，應(yīng)該在試運(yùn)轉(zhuǎn)中分析這種情況，并采取修改參數(shù)的方法件系統(tǒng)的固有頻率列為跳躍頻率。
五、結(jié)束語
綜上所述，空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷是隨室外氣象條件而變化的，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及設(shè)備選型是按最不利工況進(jìn)行的。根據(jù)空調(diào)負(fù)荷變化對水循環(huán)、變頻風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行變頻控制，對于空調(diào)節(jié)能具有十分重要的意義。
PF400變頻器已經(jīng)在國內(nèi)多家大型中央空調(diào)系統(tǒng)得到應(yīng)用，如寧波北侖行政中心應(yīng)用了多達(dá)80幾臺，目前使用效果良好。
現(xiàn)場圖片1
現(xiàn)場圖片2
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號