簡介： 據(jù)統(tǒng)計，中央空調(diào)的用電量占各類大廈總用電量的70%以上，其中中央空調(diào)水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的20~40%，故節(jié)約低負荷時壓縮機系統(tǒng)和水系統(tǒng)的消耗的能量，具有很重要的意義。采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能使空調(diào)系統(tǒng)發(fā)揮更加理想的工作狀態(tài)，更重要的是通常其節(jié)能效果高達30%以上，能帶來良好的經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵字：變頻節(jié)能 冷卻塔風機 固定變頻 循環(huán)變頻

1.概論

中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應用于工業(yè)與民用領(lǐng)域，在賓館、酒店、寫字樓、商場、住院部大樓、工業(yè)廠房中的中央空調(diào)系統(tǒng)，其制冷壓縮機組、冷凍循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風機系統(tǒng)等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制熱負荷選定的，且再留有充足余量。在沒有使用具備負載隨動調(diào)節(jié)特性的控制系統(tǒng)中，無論季節(jié)、晝夜和用戶負荷的怎樣變化，各電機都長期固定在工頻狀態(tài)下全速運行，造成了能量的巨大浪費。近年來由于電價的不斷上漲，使得中央空調(diào)系統(tǒng)運行費用急劇上升，致使它在整個大廈營運成本費用中占據(jù)越來越大的比例，加之目前各生產(chǎn)、服務業(yè)競爭激烈，多數(shù)企業(yè)利潤空間不夠理想。因此電能費用的控制顯然已經(jīng)成為經(jīng)營管理者所關(guān)注的問題所在。據(jù)統(tǒng)計，中央空調(diào)的用電量占各類大廈總用電量的70%以上，其中中央空調(diào)水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的20~40%，故節(jié)約低負荷時壓縮機系統(tǒng)和水系統(tǒng)的消耗的能量，具有很重要的意義。所以，隨著負荷變化而自動調(diào)節(jié)變化的變流量變頻空調(diào)水系統(tǒng)和自適應智能負荷調(diào)節(jié)的壓縮機系統(tǒng)應運而生，并逐漸顯示其巨大的優(yōu)越性，而且得到越來越多的被廣泛推廣與應用。采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能使空調(diào)系統(tǒng)發(fā)揮更加理想的工作狀態(tài)，更重要的是通常其節(jié)能效果高達30%以上，能帶來良好的經(jīng)濟效益。

2.中央空調(diào)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)與工作原理

中央空調(diào)系統(tǒng)一般主要由制冷壓縮機系統(tǒng)、冷媒(冷凍和冷熱)循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、盤管風機系統(tǒng)、冷卻塔風機系統(tǒng)等組成。其工藝結(jié)構(gòu)流程圖如圖A所示，在圖A中制冷壓縮機組通過壓縮機將制冷劑(冷媒介質(zhì)如R134a、R22等)壓縮成液態(tài)后送蒸發(fā)器中，冷凍循環(huán)水系統(tǒng)通過冷凍水泵將常溫水泵入蒸發(fā)器盤管中與冷媒進行間接熱交換，這樣原來的常溫水就變成了低溫冷凍水，冷凍水被送到各風機風口的冷卻盤管中吸收盤管周圍的空氣熱量，產(chǎn)生的低溫空氣由盤管風機吹送到各個房間，從而達到降溫的目的。冷媒在蒸發(fā)器中被充分壓縮并伴隨熱量吸收過程完成后，再被送到冷凝器中去恢復常壓狀態(tài)，以便冷媒在冷凝器中釋放熱量，其釋放的熱量正是通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷卻水帶走。冷卻循環(huán)水系統(tǒng)將常溫水通過冷卻水泵泵入冷凝器熱交換盤管后，再將這已變熱的冷卻水送到冷卻塔上，由冷卻塔對其進行自然冷卻或通過冷卻塔風機對其進行噴淋式強迫風冷，與大氣之間進行充分熱交換，使冷卻水變回常溫，以便再循環(huán)使用。在冬季需要制熱時，中央空調(diào)系統(tǒng)僅需要通過冷熱水泵(在夏季稱為冷凍水泵)將常溫水泵入蒸汽熱交換器的盤管，通過與蒸汽的充分熱交換后再將熱水送到各樓層的風機盤管中，即可實現(xiàn)向用戶提供供暖熱風。
圖A 中央空調(diào)系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)流程

理解中央空調(diào)系統(tǒng)工藝流程對于節(jié)能改造的實現(xiàn)至關(guān)重要，從因果關(guān)系角度上看，冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷卻塔風機系統(tǒng)均是主壓縮機系統(tǒng)的從動系統(tǒng)。當主壓縮機系統(tǒng)的負荷發(fā)生變化時，對冷凍水、冷卻水的需求量和冷卻塔需求的冷卻風量也發(fā)生相應的變化，正因如此，我們才有節(jié)能改造的必要前提條件，才有實現(xiàn)“按需分配”控制方案的可能。

3.中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能原理

中央空調(diào)系統(tǒng)按負載類型可分為兩大類，①變轉(zhuǎn)矩負載:如冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、冷卻塔風機系統(tǒng)等風機、水泵類負載;②恒轉(zhuǎn)矩負載:如主制冷壓縮機系統(tǒng)。不同的轉(zhuǎn)矩類型具有完全不同的轉(zhuǎn)矩功率關(guān)系特性，我們知道風機、水泵類變轉(zhuǎn)矩負載特性滿足流體動力學關(guān)系理論，即以下數(shù)學關(guān)系成立:

N1/N2∝Q1/Q2 H1/H2∝(N1/N2)2 P1/P2∝(N1/N2)3 (1)

其中，N、H、Q、P分別表示轉(zhuǎn)速、流量、揚程、軸功率。

它們之間的關(guān)系曲線如圖B所示。

圖B 流量、揚程、功率三者間的關(guān)系曲線圖

由式1可知，若轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的70%，那么，揚程將下降到額定值的50%，同時，軸輸出功率下降到額定值的35%。從圖2中可以看出，管網(wǎng)的阻尼隨揚程的降低而減小。在滿足系統(tǒng)基本揚程需求的情形下，若系統(tǒng)的流量需求減少到額定流量的50%時，在變頻控制方式下，其對應輸出功率僅約為額定功率的13%。這就為實施變頻節(jié)能技術(shù)改造提供了數(shù)學理論上的可行性保障空間。

由上述流體傳輸設(shè)備水泵、風機的工作原理可知：水泵、風機的流量（風量）與其轉(zhuǎn)速成正比；水泵、風機的壓力（揚程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，而水泵、風機的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風機的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）根據(jù)上述原理可知：改變水泵、風機的轉(zhuǎn)速就可改變水泵、風機的功率。例如:將供電頻率由50Hz降為45Hz，則P45/P50=453/503=0.729，即P45=0.729P50（P為電機軸功率）；將供電頻率由50Hz降為40Hz，則P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50（P為電機軸功率）。

由以上內(nèi)容可以看出，用變頻器進行流量（風量）控制時，可節(jié)約大量電能。中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計時是按現(xiàn)場最大冷量需求量來考慮的，其冷卻泵，冷凍泵按單臺設(shè)備的最大工況來考慮的，在實際使用中有90%多的時間，冷卻泵、冷凍泵都工作在非滿載狀態(tài)下。而用閥門、自動閥調(diào)節(jié)不僅增大了系統(tǒng)節(jié)流損失，而且由于對空調(diào)的調(diào)節(jié)是階段性的，造成整個空調(diào)系統(tǒng)工作在波動狀態(tài)；而通過在冷卻泵、冷凍泵上加裝變頻器則可一勞永逸地解決該問題，還可實現(xiàn)自動控制，并可通過變頻節(jié)能收回投資。同時變頻器的軟啟動功能及平滑調(diào)速的特點可實現(xiàn)對系統(tǒng)的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，并延長機組及網(wǎng)管的使用壽命。

4.下面我們主要探討一下冷卻塔風機使用變頻節(jié)能的實施方案和應用效果

4.1 冷卻塔風機變頻控制實施方案

方案一：固定變頻控制方式。

因為冷卻塔的型式：有單塔型式、和多塔型式的；所以，固定變頻控制方式：可分為單臺固定變頻控制和多臺固定變頻控制。下面以多臺固定變頻控制為例，作如下講解。如圖所示：

圖一：固定變頻控制方式

該系統(tǒng)由變頻回路和工頻回路兩部分組成：

變頻回路：由一臺變頻器，空氣開關(guān)QF2，交流接觸器KM02和變頻運行控制回路及信號報警回路組成變頻循環(huán)運行回路。工頻回路：由空氣開關(guān)QF1、QF3、QF4、QF5、交流接觸器KM01、KM03、KM04、KM05、和熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4、以及手動運行控制回路等構(gòu)成工頻（50Hz）運行回路。

運行方式：

工頻運行時：風機根據(jù)工頻控制回路選擇指定風機啟動，并以50HZ全速運行。

變頻運行時：風機以傳感器所測實際水溫，經(jīng)過溫控器轉(zhuǎn)換成標準的電流信號或電壓信號，送到變頻器的摸擬輸入端，當?shù)谝慌_變頻電機達到滿負荷運行時，還不能滿足實際工況則第二臺電機就會被工頻起動，第一臺電機仍然變頻運行；同理，若第二臺電機起動后，還不能滿足工況則第三臺電機就會被工頻起動；此時，三臺電機全部運行：第一臺電機變頻運行、第二臺電機工頻運行、第三臺電機工頻運行。

方案二：循環(huán)變頻控制方式。

由P∝n³可知：風機節(jié)能的最佳方案是控制風機轉(zhuǎn)速，可通過改變電機控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電機運行的轉(zhuǎn)速，從而達到控制風機轉(zhuǎn)速的目的，下面以三臺相同功率的電機的冷卻塔為例，作如下講解：三臺風機為同一功率的的電機，可采用一臺變頻器循環(huán)控制的方式運行，系統(tǒng)電氣原理概況圖，如下所示：

圖二：循環(huán)變頻控制方式之一（變頻器內(nèi)置循環(huán)變頻切換功能）

該控制系統(tǒng)由變頻回路和工頻回路兩部分組成：

變頻回路：由一臺變頻器，空氣開關(guān)Q1，交流接觸器KM1、KM3、KM5和自動運行控制回路及信號報警回路組成變頻循環(huán)運行回路。工頻回路：空氣開關(guān)QF2、QF3、QF4、交流接觸器KM2、KM4、KM6和熱繼電器FR1、FR2、FR3以及手動運行控制回路等構(gòu)成工頻（50Hz）運行回路。

圖三：循環(huán)變頻控制方式之二（變頻器+PLC實現(xiàn)循環(huán)變頻切換功能）

該控制系統(tǒng)由變頻回路和工頻回路兩部分組成：

變頻回路：由一臺變頻器，空氣開關(guān)QF3，交流接觸器KM4、KM5、KM6和自動運行控制回路及信號報警回路組成變頻循環(huán)運行回路。工頻回路：空氣開關(guān)QF0、QF1、QF2、交流接觸器KM1、KM2、KM3和熱繼電器FR1、FR2、FR3以及手動運行控制回路等構(gòu)成工頻（50Hz）運行回路。

運行方式：

正常狀態(tài)，轉(zhuǎn)換開關(guān)切至自動運行回路，由溫度傳感器測定冷卻塔出水溫度，經(jīng)過溫控器轉(zhuǎn)換成標準的電流信號或電壓信號，送到變頻器的摸擬輸入端來控制變頻器的轉(zhuǎn)速，改變風機的風量，從而改變冷卻塔的出水溫度；當一臺風機運行仍舊不能滿足要求時，將此變頻運行的風機改為工頻運行，再變頻啟動另一臺風機，直到滿足生產(chǎn)裝置所需的循環(huán)水的溫度達到工藝要求為止（即水溫≤32°C）。整個控制系統(tǒng)為一個閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。根據(jù)裝置的工藝要求，自動確定風機是變頻運行還好工頻運行。并做到最先運行的風機最先切除，各電機循環(huán)運行，從而延長設(shè)備使用壽命的目的。當變頻系統(tǒng)控制回路或者變頻器出故障的時候，將轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到手動狀態(tài)，三臺電機運行在工頻狀態(tài)仍可滿足裝置工藝要求。

4.2 以循環(huán)變頻控制方式為例講解一下循環(huán)水冷卻塔變頻節(jié)能的效果：

4.2.1循環(huán)水冷卻塔運行概況

　　某公司供水廠共有3個編號分別為1#,2#和3#循環(huán)水冷卻塔。各生產(chǎn)裝置返回的循環(huán)熱水用泵輸送到這些塔內(nèi),通過塔內(nèi)的填料增加熱水與空氣接觸面積和時間,促進熱水與空氣進行熱交換,使循環(huán)水冷卻。從而獲得各生產(chǎn)裝置所需循環(huán)水溫度≤32℃的冷水。

當環(huán)境溫度升高時,啟動冷卻塔內(nèi)的軸流風機實行強制通風,加快冷卻塔填料上循環(huán)水氣相與液相的熱交換。每個冷卻塔內(nèi)裝設(shè)1臺軸流風機,其直徑為8500mm,由電壓為380V,額定功率為160kW的4極異步電機驅(qū)動。電機和風機之間采用恒定減速比的減速機直聯(lián),塔內(nèi)不裝設(shè)節(jié)流閥。因此軸流風機的轉(zhuǎn)速與風量是不可調(diào)的。3個塔的總處理能力達8000m3/h,遠大于各生產(chǎn)裝置最大需求量總和6600m3/h, 2002年度各塔的運行參數(shù)詳見表1與表2。

4.2.2冷卻塔風機采用變頻調(diào)速節(jié)能方案

4.2.2.1　風機節(jié)能可行性分析:

由表1所示的數(shù)據(jù)知：2002年度冷卻塔風機全部運行期間,冷卻塔進水溫度的最高溫度平均值分布

在34.5℃～38℃內(nèi)；循環(huán)水經(jīng)冷卻后,冷卻塔出水溫度的最高溫度平均值分布在27.6℃～28.8℃內(nèi),

其較各生產(chǎn)裝置所需冷卻水溫度32℃低3.2℃～4.4℃；并可知在同時滿足冷卻塔進水溫度低于最高

熱水溫度平均值及冷卻塔出水溫度低于最高冷水溫度平均值這一條件下,單臺風機全年的運行時間為

2705h。若采用變頻控制器調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速,改變風機風量,可使冷卻塔出水溫度提高2℃～3℃的情況下,

仍能滿足冷卻塔出水溫度≤32℃的工藝要求,這顯然可節(jié)省電能。根據(jù)廠家所提供的：a.出水與空氣濕

球溫度及冷卻塔進水溫度關(guān)系曲線圖；b.進出水溫差與空氣濕球溫度及風機軸功率百分比關(guān)系曲線圖；

以及表2的有關(guān)數(shù)據(jù),通過工藝計算得風機的不同月份節(jié)能潛力及收益值如表3。

注：收益率＝可運行時間×風機節(jié)能潛力×0.56元/kW·h×100%;表中P＝120.5kW；

總收益值=8.883元。

由表3可知各冷卻塔風機節(jié)能潛力為40%～54%。

4.2.3　風機變頻調(diào)速實施方案探討

4.2.3.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由P∝n3知：風機節(jié)能的最佳方案是控制風機轉(zhuǎn)速,可通過改變電機控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電機運行轉(zhuǎn)速,從而達到控制風機轉(zhuǎn)速的目的。

由于3臺風機驅(qū)動電機功率均為160kW,可采用1臺變頻控制器循環(huán)方式運行,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

該系統(tǒng)由2部分組成：變頻回路：1臺變頻器,空氣開關(guān)Q1,交流接觸器C1、C2、C3和自動運行控制回路及信號報警回路組成變頻循環(huán)運行回路;工頻回路：空氣開關(guān)Q2、交流接觸器C4、C5、C6和熱繼電器T1、T2、T3以及手動運行控制回路等構(gòu)成工頻(50Hz)運行回路。

4.2.3.2　運行方式

正常狀態(tài),轉(zhuǎn)換開關(guān)QK切至自動運行回路,由溫度傳感器測定冷卻塔出水溫度,轉(zhuǎn)換成標準的電流信號,送至變頻器的溫度檢測器,用于控制冷卻塔風機轉(zhuǎn)速,改變風機的風量,從而改變冷卻塔出水溫度；當1臺風機運轉(zhuǎn)頻率接近工頻運行仍不能滿足要求時,將此變頻運行風機改為工頻運行,再變頻啟動另1臺風機,直到滿足各生產(chǎn)裝置所需的循環(huán)水溫度≤32℃為止。整個控制系統(tǒng)為一個閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

根據(jù)工藝要求,自動確定電機是變頻運行或是工頻運行,并做到最先運行的風機最先切除,各電機循環(huán)運行,從而延長設(shè)備使用壽命。當變頻器出故障時,將轉(zhuǎn)換開關(guān)QK切換至手動狀態(tài),3臺電機運行在工頻狀態(tài)仍可滿足運行要求。

采用變頻器調(diào)速的方法,改變了以往電機的開、停僅為手動控制的單一工頻運行方式,從而避免為滿足冷卻塔出水水溫≤32℃,必須使1臺或幾臺風機均處在工頻狀態(tài)下運行,而造成水溫過低,形成不必要的能源浪費。采用變頻調(diào)速運行方式,提高了水溫控制的準確性,并可實現(xiàn)平滑啟動電機,使3臺電機循環(huán)運行,從而提高電機的使用壽命。

4.2.4風機節(jié)能經(jīng)濟分析

(1) 由表1所示的冷卻塔運行參數(shù)可知：1＃塔的處理能力只是2#或3#塔的66%,但其處理1m3/h熱水風機電功率單耗確是2#塔與3#塔風機電功率單耗之平均值的1.783倍(即其大0.0313kW/m3/h),其原因是該塔填料仍為舊式低效填料,若將1#塔填料改用與2#塔相同性能的新型高效填料,則每小時處理能力就可提高1000m3。如按1#塔處理量為2000m3/h計算,每小時節(jié)電2000×0.0313＝62.6kW,節(jié)能效果相當可觀。1#塔每年運行時間為3000h,更換填料需投資約45萬元。

收益率＝3000×62.6×0.56/45×104×100%＝23.37％。

(2) 采用變頻調(diào)速方案,根據(jù)表3可得每年總收益值為8.883萬元,實施變頻控制需要投資約15萬元,收益率=8.883/15×100%＝59.2％,約1.7年就能收回投資額,另外設(shè)備的折舊率大大降低,可見節(jié)能效果顯著。

5. 總述

智能樓宇和職能廠房的高速發(fā)展，使得現(xiàn)在樓宇和廠房的能耗越來越大，節(jié)能方法的使用是每一個管理者和經(jīng)營者都必須考慮的問題。而節(jié)能是目前全球關(guān)注的觀念主題，而就目前來講變頻器節(jié)能是最佳的投入最少的節(jié)能方式和控制方式。那么，作為冷卻塔的用戶如果在了解到變頻器節(jié)能的好處之后。對于這么少量的投資自然是十分的樂意。

對于冷卻塔的生產(chǎn)廠家來說，一種新的產(chǎn)品的投入生產(chǎn)首先看市場的需求和能夠產(chǎn)生的效益，通過以上的經(jīng)濟分析，我們可以得出使用方只要在了解到了變頻器應用的優(yōu)點后，基于運行成本和設(shè)備維護的考慮，必然會對這樣的投資產(chǎn)生濃厚的興趣。而事實上目前市場上對于冷卻塔變頻器應用已經(jīng)十分的成熟，而且也正是朝著這個方向快速的發(fā)展。變頻器的應用是目前整個冷卻塔市場乃至整個中央空調(diào)市場的趨勢，照目前的市場情況來看，越早投入變頻器的應用的廠商收到的經(jīng)濟效益必然是越快。當然這需要冷卻塔廠商的銷售人員對客戶進行詳盡的到位的變頻器技術(shù)的解釋。而冷卻塔生產(chǎn)商在掌握了變頻器技術(shù)后，控制部分的硬件收入和技術(shù)服務收入，都將可成為一個新的利潤增長點。從長遠來看，冷卻塔變頻器的應用優(yōu)勢會越來越明顯，變頻器的使用也會越來越普遍，廠商在使用了冷卻塔變頻技術(shù)后不僅可以得到收益而且也可使自己的冷卻塔在激烈的市場競爭中長期處于主動位置。

雖然在前期的投入中會有人員配備等投資，但是從長遠的立場來看，這項投資對冷卻塔的廠商來說必將收到豐厚的利潤回報。

附件: 系統(tǒng)配置及報價清單(以11KW變頻循環(huán)控制方式控制三臺電機為例)