1.概論

　　中央空調系統已廣泛應用于工業與民用領域，在賓館、酒店、寫字樓、商場、住院部大樓、工業廠房中的中央空調系統，其制冷壓縮機組、冷凍循環水系統、冷卻循環水系統、冷卻塔風機系統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節特性的控制系統中，無論季節、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，使得中央空調系統運行費用急劇上升，致使它在整個大廈營運成本費用中占據越來越大的比例，加之目前各生產、服務業競爭激烈，多數企業利潤空間不夠理想。因此電能費用的控制顯然已經成為經營管理者所關注的問題所在。據統計，中央空調的用電量占各類大廈總用電量的70%以上，其中中央空調水泵的耗電量約占總空調系統耗電量的20~40%，故節約低負荷時壓縮機系統和水系統的消耗的能量，具有很重要的意義。所以，隨著負荷變化而自動調節變化的變流量變頻空調水系統和自適應智能負荷調節的壓縮機系統應運而生，并逐漸顯示其巨大的優越性，而且得到越來越多的被廣泛推廣與應用。采用變頻調速技術不僅能使空調系統發揮更加理想的工作狀態，更重要的是通常其節能效果高達30%以上，能帶來良好的經濟效益。

　　2.中央空調系統的一般結構與工作原理

　　中央空調系統一般主要由制冷壓縮機系統、冷媒(冷凍和冷熱)循環水系統、冷卻循環水系統、盤管風機系統、冷卻塔風機系統等組成。其工藝結構流程圖如圖A所示，在圖A中制冷壓縮機組通過壓縮機將制冷劑(冷媒介質如R134a、R22等)壓縮成液太后送蒸發器中，冷凍循環水系統通過冷凍水泵將常溫水泵入蒸發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，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冷卻水系統的冷卻水帶走。冷卻循環水系統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，以便再循環使用。在冬季需要制熱時，中央空調系統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，即可實現向用戶提供供暖熱風。

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

　　3.中央空調系統的節能原理

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

　　N1/N2∝Q1/Q2H1/H2∝(N1/N2)2P1/P2∝(N1/N2)3(1)

　　其中，N、H、Q、P分別表示轉速、流量、揚程、軸功率。

　　由式1可知，若轉速下降到額定轉速的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，管網的阻尼隨揚程的降低而減小。在滿足系統基本揚程需求的情形下，若系統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%。這就為實施變頻節能技術改造提供了數學理論上的可行性保障空間。

　　由上述流體傳輸設備水泵、風機的工作原理可知：水泵、風機的流量（風量）與其轉速成正比；水泵、風機的壓力（揚程）與其轉速的平方成正比，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速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）根據上述原理可知：改變水泵、風機的轉速就可改變水泵、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）。

　　由以上內容可以看出，用變頻器進行流量（風量）控制時，可節約大量電能。中央空調系統在設計時是按現場最大冷量需求量來考慮的，其冷卻泵，冷凍泵按單臺設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下。而用閥門、自動閥調節不僅增大了系統節流損失，而且由于對空調的調節是階段性的，造成整個空調系統工作在波動狀態；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，還可實現自動控制，并可通過變頻節能收回投資。同時變頻器的軟啟動功能及平滑調速的特點可實現對系統的平穩調節，使系統工作狀態穩定，并延長機組及網管的使用壽命。

　　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。

　　該系統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運行回路。工頻回路：由空氣開關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成工頻（50Hz）運行回路。

　　運行方式：

　　工頻運行時：風機根據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，經過溫控器轉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，當第一臺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：循環變頻控制方式。

　　由P∝n3可知：風機節能的最佳方案是控制風機轉速，可通過改變電機控制系統來調節電機運行的轉速，從而達到控制風機轉速的目的，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控制的方式運行，系統電氣原理概況圖，如下所示：

　　該控制系統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運行回路。工頻回路：空氣開關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成工頻（5該控制系統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運行回路。工頻回路：空氣開關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成工頻（50Hz）運行回路。

　　運行方式：

　　正常狀態，轉換開關切至自動運行回路，由溫度傳感器測定冷卻塔出水溫度，經過溫控器轉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，直到滿足生產裝置所需的循環水的溫度達到工藝要求為止（即水溫≤32°C）。整個控制系統為一個閉環調節系統。根據裝置的工藝要求，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，各電機循環運行，從而延長設備使用壽命的目的。當變頻系統控制回路或者變頻器出故障的時候，將轉換開關切換到手動狀態，三臺電機運行在工頻狀態仍可滿足裝置工藝要求。

　　4.2以循環變頻控制方式為例講解一下循環水冷卻塔變頻節能的效果：

　　4.2.1循環水冷卻塔運行概況

　　某公司供水廠共有3個編號分別為1#，2#和3#循環水冷卻塔。各生產裝置返回的循環熱水用泵輸送到這些塔內，通過塔內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，使循環水冷卻。從而獲得各生產裝置所需循環水溫度≤32℃的冷水。

　　當環境溫度升高時，啟動冷卻塔內的軸流風機實行強制通風，加快冷卻塔填料上循環水氣相與液相的熱交換。每個冷卻塔內裝設1臺軸流風機，其直徑為8500mm，由電壓為380V，額定功率<