1 前言
据有关资料统计，我国现有电动机装机总容量约4亿多千瓦，其用电量占当年全国发电量的60%～70%，而风机、水泵设备装机总功率达1.6亿千瓦，年耗电量3 200kWh，约占当年全国电力消耗总量的1/3。而应用变频器节电率一般在20%～60%，投资回收期1～2年，企业和社会经济效益相当可观。所以，大力推广应用变频调速技术不仅是当前推进企业节能降耗、提高产品质量的重要手段，而且也是实现经济增长方式转变和我国可持续发展战略的必然要求。
基于中央空调系统选型配备时，其冷冻泵和冷却泵的容量均按最大负荷选定，且留有余量的原则，泵组在大部分时间处于低温差、大流量的运行状态，造成整个系统的能源利用率降低，浪费了大量能源。同时，设备长期高速运转，大大缩短了使用寿命，增加了维护费用。
随着技术的日益成熟和产业化发展,变频调速技术在中央空调系统的应用已十分普遍。为了节能降耗、提高经济效益，依据国家集中式空调系统经济运行的标准，采用变频调速技术对中央空调系统进行节能控制改造，具有很大的现实意义。本文就变频调速技术、节能原理以及在中央空调系统的应用进行阐述，并通过笔者利用变频调速技术对烟台金海湾酒店中央空调系统的改造实例，说明其节能效果。
2 变频调速技术实现节能的原理
在工农业生产和人们的日常生活中，经常需要对一些物理量进行控制，如空调系统的温度、供水系统的水压、通风系统的风量等，这些系统绝大多数是用交流电机驱动的。以前由于电机的转速无法方便调节，为了达到对上述物理量的控制，人们只好采用一些简单的方法，如用挡板调节风量，用阀门来调节流量压力等，致使这些系统不仅达不到很好的调节效果，而且大量的电能被挡板和阀门白白浪费。据统计，我国目前使用的风机、水泵大约有25%的能量是无谓消耗。因此，原国家经贸委于1994年下发了763号文件《关于加强风机、水泵节能改造的意见》，鼓励支持变频节能技术在各行各业推广使用。另外，根据交流电机的特性，要实现连续平滑的速度调节，最佳的方法就是采用变频调速器，变频器是将标准的交流电转成频率、电压可变的交流电，供给电机并能对电机转速进行调节的装置。采用变频器进行风机、水泵的节能改造，不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费，而且还会极大提高控制和调节的精度，从而方便地实现恒温空调系统和恒压供水系统。
3 中央空调系统控制原理
大中型中央空调由制冷、制热站，空调水管网系统和空调末端装置（空调机组，风机盘管和新风机组等）三部分组成。
工作原理：采用设备中的风扇使室内空气循环，并通过设备中的冷、温水盘管来冷却和加热，以达到空调的目的。盘管中的冷、温水由机房中的制冷设备和锅炉提供。
该系统的缺点是：设备配置较大、风机噪音大。当环境温度变化或冷、热负荷变化时，只能通过增减冷、温水循环数量或使用挡风板的方法来调节室内温度，既耗费能源又造成环境温度波动。
中央空调系统的外部热交换由两个循环水系统来完成。循环水系统的回水与进（出）水温度之差，反映了需要进行热交换的热量。因此，根据回收与进（出）水温度之差来控制循环水的流动速度，从而控制了热交换的速度，是比较合理的控制方法。分述如下：
(1) 冷冻水循环系统的控制
由于冷水的出水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，常常是比较稳定的。因此，单是回水温度的高低就足以反映房间内的温度。所以，冷冻泵变频调速系统，可以简单地根据回水温度进行如下控制：回水温度高，说明房间温度高，应提高冷冻泵的循环速度，降低温度。反之亦然。总之，对于冷冻水循环系统，控制依据是回水温度，即通过变频调速，实现回水的恒温控制。
(2) 冷却水循环系统的控制
由于冷却塔的水温是随环境温度而变化的，其单测水温不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。所以，对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据，实现进水和回水间的恒温差控制是比较合理的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度。
4 中央空调末端送风的变频控制
随着生活水平的提高，人们已开始关注生活与工作环境的舒适性。大型公共建筑均设置有中央空调系统。而大多数中央空调的运行，绝大部分末端机采用开/关控制方式，难以满足人们对舒适感的要求。变频技术的飞速发展，成本的进一步下降，使得满足舒适感要求成为现实。
(1) 调节风量
在中央空调系统中，冷、暖的输送介质通常是水，在末端将与热交换器充分接触的清洁空气由风机直接送入室内，从而达到调节室温的目的。
在输送介质（水）温度恒定的情况下，改变送风量可以改变带入室内的制冷（热）量，从而较方便地调节室内温度。这样，便可以根据自己的要求来设定需要的室温。调整风机的转速可以控制送风量。使用变频器对风机实现无级变速，在变频的同时，输入端的电压亦随之改变，从而节约了能源，降低了系统噪音，其经济性和舒适性是不言而喻的。
(2) 控制方式的确立
① 在室内适当的位置，安装手动调节控制终端，调速电位器VR和运行开关KK置于控制终端盒内，变频器的集中供电由空气开关控制，需要送电时在配电控制室直接操作。调整频率设定电位器VR，可以改变变频器的输出频率，从而控制风机的送风量，关闭时断开KK即可，此方式成本低廉，随意性强。
② 当室外温度变化，或者冷/暖输送介质温度发生改变时，可能造成室温随之改变，对环境舒适要求较高的消费群体，可以采用自动恒温运行方式。
选择内置PID软件模块的变频器。控制终端的方式与手动方式相同。电位器用来设定温度（而不是调整频率）。变频器通过采集来自反馈端VPF/IPF的温度测量值，与给定值作比较，送入PID模块运算时自动改变U、V、W端子的输出频率，调整送风量，达到自动恒温运行。
③ 送风机的分布可能不是均匀的，对于稍大的室内空间，则可以采用“区域温度平均法”策略调节送风量，以满足特殊需要量场所。
④ 为降低成本，个别的变频器可能没有内置PID软件模块，可选用外加PID调节器即可。
(3) 应注意的几个问题
① 共振（动）：选择末端送风机时，应考虑测试其在全转速范围的共振转速点并应避免电机工作于这样的转速区。通过设定变频器的回避频率及其宽度值，则可以避免电机运行于该转速区域。
② 频率限制：电机转速较低时，散热效果较差；转速过大，会引起因风速过高而造成的不适当状态。制冷时，可能因风速过大，致使冷凝水不能被吸水盘完全接收，造成外漏。应选择适宜的上、下限频率，下限频率以不小于15Hz为宜，上限频率不要超过60Hz，根据最大风速确定。
③ 载波频率：将变频器的载波频率适当提高，则可以降低电机运行噪音，提高环境质量。多机并联运行时，若电机距离变频器较远，则需调整载波频率，以避免引起电机电流振荡。
④ 安装：变频器应装于末端机的“隔离室”内，除保证良好的散热外，还应让其不置身于潮湿环境下，亦需考虑中央空调在制冷或制热时末端机自身的温度影响。
⑤ 节能：风机属于平方转矩负载，应用时，选择风机、泵类专用变频器（亦称为节能型变频器）较好，并将其转矩曲线（V/F）设定为“平方转矩”，这样可以达到较好的节能效果。
5 应用实例
烟台金海湾酒店中央空调机组由主机四台（其中3#、4#为美国“凯利”机组，制冷量为150万大卡/时）、冷媒泵三台（开一台37kW，两台45kW备用）、冷却泵三台（一用两备，均是55kW）、两台冷却塔冷却风机（11kW）组成。
主机主要运行一台3#或4#机，冷媒泵运行2#机（37kW）。冷却泵运行一台55kW，冷却风机运行两台，均是11kW。
主机运行工况由本身自动调节。冷却泵及冷却风机不论环境温度如何，均全速50Hz运行。冷却泵进出阀门全开，流量不调节，大流量运行，温差为2℃左右。大流量小温差运行状态造成水泵电能大量浪费。冷媒泵也是全速50Hz运行，由阀门控制分水器和集水器上的连通管，以调节管路压力，致使部分冷媒水未进入系统循环，造成电能的浪费。金海湾酒店的中央空调机组是按当地极端环境条件设计的，并留有富裕量。烟台地区每年出现最大冷热天气状况时间仅为5～7天，因此，机组大多数时间都处在远远低于设计负荷状况下运行，造成整个系统的能源利用率降低，浪费大量能源。同时，设备长期处于高速运行状态，缩短使用寿命，增加维护费用。
针对上述能量的浪费，笔者于2003年8月对该机组进行了节能改造。经过一个月的运行测试统计，节约电能平均达到53.6%，节水平均达到67%，同时降低了运行噪音，提高了机组效率和设备使用寿命，节能效果十分显著（见表1、表2）。
