变频器在中央空调系统的节能应用

变频器技术及应用论文

- 2 - 

盘管风机

冷冻主机

风扇

冷却塔

冷却泵

冷却水回水

冷冻水出水

压缩机

冷却水进水

冷冻水回水

房间

冷冻泵

冷冻水管道

冷却水管道

图

1-1 

中央空调冷水机组系统组成

冷凝器

蒸发器

冷却水

冷冻水

M

压缩机

32

℃

37

℃

7

℃

高压气体

低压气体

低压液体

高压液体

热力膨胀阀

（放热）

（吸热）

12

℃

图

1-2 

制冷压缩机系统的原理图

由图

1-1

可以看出，中央空调的冷水机组主要有两个水循环系统构成，即

冷却水循环系统和冷冻水循环系统，

压缩机

（图

1-2

）

不断地从蒸发器中抽取制

冷剂蒸汽，低压制冷剂蒸汽在压缩机内部被压缩为高压蒸汽后进入冷凝器中，

制冷剂和冷却水在冷凝器中进行热交换，制冷剂放热后变为高压液体，通过热

力膨胀阀后，液态制冷剂压力急剧下降，变为低压液态制冷剂后进入蒸发器，

在蒸发器中，低压液态制冷剂通过与冷冻水的热交换吸收冷冻水的热量，冷冻

水通过盘管吹出冷风以达到降温的目的，温度升高了的循环水回到冷冻主机又

中央空调冷水机组系统的组成以及工作原理

- 3 - 

成为了冷冻水，而变为低压蒸汽的制冷剂，在通过回气管重新吸入压缩机，开

始新的一轮制冷循环。

而冷却水在与制冷剂完成热交换之后，由冷却水泵加压，

通过冷却水管道到达散热塔与外界进行热交换，降��后的冷却水重新流入冷冻

主机开始下一轮的循环。

1.1

水泵的变频节能原理

中央空调进行热交换的大小由冷冻水的流量控制，通常采用的流量控制方

法有阀门控制和调述控制

[4]

。

阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的

目的，因而浪费了能量，如果采用调速控制，冷冻水的流量由冷冻泵电机的转

速决定，电机的耗电量决定于电机的输出功率，输出功率与电机转速的立方成

正比，而电机转速与供电频率成正比，所以电机转速稍有下降，即稍微降低供

电频率，输出功率将大幅度下降，若电机转速能根据实际所需的热交换量来调

整，电机的功率将大大减少，从而显著节约电能。

1.2

水泵节能改造的必要性

由于设计时，中央空调系统必须按天气*热、负荷*大时设计，并且留

10-20%

设计余量，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，

存在较大的富余，所以节能的潜力就较大，其中，冷冻主机可以根据负载变化

随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节，存在

很大的浪费。

水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成，因此，不可避免地存

在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能，而且

还造成中央空调*末端达不到合理效果的情况。为了解决这些问题需使水泵随

着负载的变化调节水流量并关闭旁通。

再因水泵采用的是

Y-

△

起动方式，

电机的起动电流均为其额定电流的

3

～

4

倍，

一台

90KW

的电动机其起动电流将达到

500A

，

在如此大的电流冲击下，

接

触器、电机的使用寿命大大下降，同时，起动时的机械冲击和停泵时水垂现象，

容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、

备件费用。

综上，为了节约能源和费用，对水泵系统进行改造，采用变频器加以实现，

以便达到节能和延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。

这是因为变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整水泵电机的

变频器技术及应用论文

- 4 - 

转速，在满足中央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵和冷却水泵作出相应

调节，以达到节能目的。水泵电机转速下降，电机从电网吸收的电能就会大大

减少。

其减少的功耗

△

P=P0

〔

1-(N1/N0)3

〕

（

1

）式

减少的流量

△

Q=Q0

〔

1-(N1/N0)

〕

（

2

）式

其中

N1

为改变后的转速，

N0

为电机原来的转速，

P0

为原电机转速下的

电机消耗功率，

Q0

为原电机转速下所产生的水泵流量。

由上式可以看出流量的减少与转速减少的一次方成正比，

但功耗的减少却

与转速减少的三次方成正比。

如：假设原流量为

100

个单位，耗能也为

100

个单位，如果转速降低

10

个

单位，由（

2

）式

△

Q=Q0

〔

1-(N1/N0)

〕

=100

＊〔

1-(90/100)

〕

=10

可得出流量改

变了

10

个单位，

但功耗由

（

1

）

式

△

P=P0[1-(N1/N0)3]=100

＊

〔

1-(90/100)3

〕

=27.1

可以得出，功率将减少

27.1

个单位，即比原来减少

27.1%

。

再因变频器是软启动方式，采用变频器控制电机后，电机在起动时及运转

过程中均无冲击电流，而冲击电流是影响接触器、电机使用寿命*主要、*直

接的因素，同时采用变频器控制电机后还可避免水垂现象，因此可大大延长电

机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。

2

水泵节能改造的方案

中央空调系统通常分为冷冻（媒）水和冷却水两个��统（如下图，左半部

分为冷冻（媒）水系统，右半部分为冷却水系统）

。

2.1

冷冻（媒）水泵系统的闭环控制

〔

1

〕

、制冷模式下冷冻水泵系统的闭环控制

该方案在保证*末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频

器工作的*小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调

水泵节能改造的方案

- 5 - 

节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再

经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减，控制方式是：冷冻回水

温度大于设定温度时频率无极上调。

〔

2

〕

、制热模式下冷冻水泵系统的闭环控制

该模式是在中中央空调中热泵运行

（即制热）

时冷冻水泵系统的控制方案。

同制冷模式控制方案一样，在保证*末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定

一个冷冻泵变频器工作的*小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷

冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻

水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减。不同的

是：冷冻回水温度小于设定温度时频率无极上调，当温度传感检测到的冷冻水

回温水越高，变频器的输出频率越低。

2.2

冷却水系统的闭环控制

目前，在冷却水系统进行改造的方案*为常见，节电效果也较为显著。该

方案同样在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出

频率来调节冷却水流量，

当中中央空调冷却水出水温度低时，

减少冷却水流量；

当中中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，从而达到在保证中中央

空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的。

现有的控制方式大都先确定一个冷却泵变频器工作的*小工作频率，将其

设定为

下限频率并锁定，变频冷却水泵的频率是取冷却管进、出水温度差和出水

温度信号来调节，当进、出水温差大于设定值时，频率无极上调，当进、出水

温差小于设定值时，频率无极下调，同时当冷却水出水温度高于设定值时，频

率优先无极上调，当冷却水出水温度低于设定值时，按温差变化来调节频率，

进、出水温差越大，变频器的输出频率越高；进、出水温差越小，变频器的输

出频率越低。

经多方实践应用，现用于冷却水系统闭环控制的系列智能变频器采用同制

冷模式下冷冻水泵系统闭环控制一样的控制方式。

2.3

水泵节能改造的方案的优点

1

、只需在中中央空调冷却管出水端安装一个温度传感器（如图，安装在冷

却水系统中中央空调冷却水出水主管上的

B

处）

，简单可靠。

变频器技术及应用论文

- 6 - 

2

、

当冷却水出水温度高于温度上限设定值时，频率直接优先上调至上限

频率。

3

、

当冷却水出水温度低于温度下限设定值时，频率直接优先下调至下限

频率。而采用冷却管进、出水温度差来调节很难达到这点。

4

、

当冷却水出水温度介于温度下限设定值与温度上限设定值时，通过对

冷却水出水温度及温度上、下限设定值进行ＰＩＤ计算，从而达到对频率进行

无极调速，闭环控制迅速准确。

5

、

节能效果更为明显。当冷却水出水温度低于温度上限设定值时，采用

冷却管进、出水温度差来调节方式没有将出水温度低这一因素加入节能考虑范

围，而仅仅由温度差来对频率进行无极调速，而采用上、下限温度来调节方式

充分考虑这一因素，因而节能效果更为明显，通过对多家用户市场调查，平均

节电率要提高

5

％以上，节电率达到

20

％～

40

％。

6

、

具有**起动全速运行功能。通过设定变频器参数中的数值可使水系

统充分交换一段时间，避免由于刚起动运行时热交换不充分而引起的系统水流

量过小。