变频技术在空调系统中的节能分析

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2 1 2 1

n n

G G 

2 1 2 1

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N

2 1 2

1

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变频技术在空调系统中的节能分析

王 健 刘志渊 付 博

中国建筑第八工程局有限公司设计管理总院

【摘要】文章描述了变频技术在空调系统中应用形式、特点以及对空调房间的影响；分析了变频技术在空调系统中的节能原因，并分析了变 频节能的显著效果，同时指出实际应用时注意与空调系统的合理配置

【关键词】变频 空调 节能

Analysis to energy conservation about frequency conversion in air conditioning system Application Wang jian liuzhiyuan fubo

（China Shanghai Architecture Design & Research Institute Co.，Ltd）

Abstract： The article describes the frequency conversion technology in air-conditioning system application forms、characteristics and the effect to the air conditioning room; analyze the reason of the energy conservation of the frequency conversion technology in the air conditioning system，And analyze frequency conversion the effect of energy conservation is very significant. Point out it should be used correctly in airconditioning system.

Keywords： frequency conversion air-conditioning energy conservation

0 前 言

由于公共建筑尤其大型高档公共建筑设置全年性采暖、通风和 空调系统和较密集照明设备，往往室内环境参数标准较高，所以采 暖、通风空调和照明能耗相当高。特别是在经济高速发展的今天能 源的重要性尤显重要，空调系统中节能能起到重要的作用。目前制 冷空调系统普遍采用变频器技术，提高控制精度和控制范围，大约 可以节电 10%~30%左右，可以达到理想的节能效果， 大大的降低 空调了运行费用。

1 变频器工作原理

变频器原理（VFD）是应用变频技术与微电子技术的原理，通 过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设 备。使用的电源分为交流电源和直流电源，一般的直流电源大多是 由交流电源通过变压器变压，整流滤波后得到的。变频器主要由整 流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动 单元、检测单元微处理单元等组成的 ^[1] ，变频器靠内部 IGBT 的开 断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所 需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。在变频技术不断发 展的今天，其功能也变的更加的多 样化。同时传统的交流系统与变 频技术相比，其优势是非常明显的，变频技术具有良好的节能优势，

其系统也相对较为简单，在设备维护方面，也相对较为便利， 调速 范围也相对较为广泛，调速控制更容易，可以进行较高频度启停运 转、易操作、可靠、环保等优点。

2 变频技术在空调系统中节能应用分析

空调系统的节能主要体现在以下几方面：对冷热源规定设备选 型的能效比限值，严格限制直接用电作为采暖和空调系统的热源；

控制水、空气输送系统中的功耗；进行排风热回收；监测与控制。

冷热水的输送及空气输送系统中的功耗与设计及运行管理密切相 关，是节能中比较重要的部分。由于空调系统的绝大部分是在部分 负荷下运行的，在传统空调系统运行中经常造成空调房间过热或过 冷，在最大负荷时经常达不到设计的要求，造成房间舒适度下降的 同时也造成了能源的较大的浪费。所以根据不同的负荷调整空调系 统设备的运行状态尤为重要。

在空调水系统中，是通过冷冻水供回水总管上的压差旁通装置 来实现水量控制的，从而进一步控制冷冻机的运行台数，以达到确 保系统正常运行和节能的目的。但是为了确保制冷设备的安全运行，

机组的冷凝器和蒸发器都对水流量有要求。在空调冷冻水系统中，

为了便于系统的调节，可采用两级泵系统。一次泵系统用来克服蒸 发器和机房内部分管路的阻力损失，可根据制冷机的运行台数而启 停，一般采用定转速的水泵。二次泵是用来克服冷冻水输送管路及 末端装置的阻力，起到输送冷量的作用，为了节能二次泵可采用变 频技术，变频水泵的流量是由典型不利环路的末端压差来控制，调 节规则是维护最远端用户处的供回水压差为额定的资用压头，来满 足不同时刻用户的需求，而避免循环水泵一直处在最大工况运行从 而达到节能的目的。

2.2 制冷机组节能

制冷系统中的主要动力设备是压缩机，压缩机也是整个空调系 统中的主要耗能设备，压缩机的性能是影响制冷机组性能的重要因 素。对空调系统的压缩机进行变频控制以减少能耗是各厂家、设计、

科研单位的研究的重点。

制冷机组的变频主要是利用制冷机组压缩机的变频技术；变频 压缩机可以分为两部分，一部分是变频控制器；另一部分是压缩机 通过调节方波脉冲的频率（即调节占空比），就可以控制驱动压缩 机的电机转速。频率越高，转速也越高。运用变频控制技术的变频 机组，通过调节压缩机转速实现空调制冷量的调节。空调系统可根 据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转方式，使室内温度在短 时间内迅速达到所需要的温度，并在低转速、低能耗状态 下以较小 的温差波动，实现了快速、节能和舒适控温效果。制冷压缩机的耗 电量约占制冷空调系统的 45%以上，而在实际工作过程中，全年平 均热 负荷大约是峰 值热负荷的 60%-70%，只有 压缩机容量 的 50%-60%，造成压缩机在大部分时间在低负载下运转^[2]。

近年来因制冷机组的制造技术的提高，先进的制冷机组可在可 在一定范围内变流量运行，并保持出水温度的稳定，而对机组的能 耗影响不大。因此负荷变化时，可保持冷水机组的供回水温度不变，

使冷水机组的蒸发器侧流量随用户侧的流量的变化而变化，从而节 约蒸发器侧的变频循环水泵的能耗，节能的效果比较显著。

2.3 水泵变频节能

一次泵变频技术是建立在传统一次泵冷冻水系统的基础上的变 流量技术。一次泵系统大都采用定速泵，水泵的转速和流量是不随 空调负荷变化的。因此在运行过程中会出现大流量小温差现象，浪 费大量电能。

关于变频调速水系统一般采用水泵相似定律，节能分析的文章 多引用“三次方律”即， 、

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图 1 水泵的等效率曲线

认为水泵功率与转速的三次方成正比，但这只对相似工况才成 立如图 1。由于控制压差的存在及控制策略的不同，加之用户负荷 多样性，水泵实际控制曲线与设计系统曲线有很大不同，水泵工况 点并不满足相似工况。此外，实际的功耗还应考虑部分负荷下水泵 效率、电机效率及变频器效率的下降。对于节能效果的评价还应考 虑空调负荷的时间频率分布^[3]。

水泵、电机、变频器的效率

图 1 为某水泵变速调节时的等效率曲线，实线表示不同转速下 的流量扬程曲线，等效率曲线用虚线表示^[4]。由图 1 可以看出，即使 水泵工况点按相似工况变化，实际水泵效率也会有所降低。图 2、3 分别为某电机和变频器在变速调节下的效率变化^[5]。在低于额定频率 20%时，变频器效率下降明显。

85%

87%

89%

91%

93%

95%

0% 20% 40% 60% 80% 100%

功率 效率

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 20% 40% 60% 80% 100%

功率 效率

转速

图 2 电机的效率曲线 图 3 变频器的效率曲线 综合考虑三者效率影响后，采用变速调节的综合效率曲线可用 下式表示：

v m p

e   

 

式中，ηe 为综合效率曲线，ηp、ηm、ηv 分别为水泵、电机 和变频器的效率曲线。

对变水量系统来说，在假定用户负荷按等比例变化、水泵运行 满足相似工况要求的前提下，仅考虑水泵、电机、变频器三者效率 影响下的综合效率曲线如图 4 所示。在进行效率合成时应注意将电 机效率折算成相应水泵转速下的效率值。

对比图 4 中不同转速下的综合效率可知， 20%转速的综合效率 较 100%转速下降了 40%。由综合效率曲线可以得到变水量系统水泵 功率与转速的关系，如图 5 所示。曲线 1 为满足三次方关系的理论 曲线，曲线 2 为考虑效率影响后的曲线。

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0% 20% 40% 60% 80% 100%

转速 效率

0%

1%

10%

100%

0% 20% 40% 60% 80% 100%

1

转速 功率

2

图 4 电机的效率曲线 图 5 水泵功率与转速的关系 以上分析仅仅是考虑了变水量系统部分负荷下水泵、电机及变 频器效率变化的影响。实际上，由于系统控制策略、负荷多样性及 负荷分布频率等的影响，变水量系统节能潜力会有很大不同。

据统计，即使采用变频技术，水泵也有将近 60%的能量被各个 调节阀门所消耗掉。所以在设计中尽量采用同程系统，并且系统环 路之间的不平衡率控制在 15%之内，尽量不采用阀门来平衡系统之 间的不平衡率。这样循环水泵的扬程才会降低，采用变频的效果才 会显著。

变频调速循环水系统的节能性与运行方式、控制方式密切相关，

其节能整体效果应根据具体项目具体分析评判。

2.4 风机变频节能

在风系统中，对风量的调节主要通过调节风阀的开度对风量和 风压进行调节，造成系统阻力较大。如果采用变风量装置，用调节 房间送风量的方法，补偿房间负荷的变化，可大量节约风机能耗。

送排风机可以根据室内二氧化碳的浓度来控制风机的风量，冬 夏季节采用最小新风量，以满足室内的卫生和正压的要求，减小制 冷机组和锅炉的负荷；过渡季节尽量采用全新风来消除室内的余热 余湿减少制冷机组的运行。不但可以节省设备的初投资，而且可以 降低运行费用。要实现这些不同工况只有通过风机的变频设备来完 成。完整的变风量系统是由空气处理设备、送风系统末端装置和自 动控制元件等组成的。

由于空调风机的流量、压力、功率等性能参数分别与转速的一、

二、三次方比例变化，风机变转速调节方式调节范围宽，附加损失 少，是调节范围最大、经济性最好的一种风量调节方式。用网络控 制器可实现空调风机的转速调节，从而可以节约更多的能量。如果 中央空调通过控制实现对风机风量的无级调节，则对于变风量系统 可实现节能 50%^[6]，使风机能耗占系统总能耗为 10～20%的系统节 能达 5～10%。

风机的节电率如下表^[7]： 节电率（%）

实需流量

（%） 与不调节方案比 与出口节流比 与入口节流比 90 20～23 19～22 17～20 80 37～42 35～40 32～37 70 50～57 47～54 43～50 60 58～68 54～64 48～58 注：节电率=（非节电状态用电量-节电状态用电量）×100%÷非节电状态用电量

3 结束语

空调系统中设备选型要根据空调的系统形式和设备运行特点进 行合理设备选型计算，空调系统的才能达到节能目的，如果空调设 备选型与系统水力工况不匹配反而起不到节能效果。另外自动控制 系统是保证变频控制能否顺利运行的重要措施，针对系统的不同的 工况及时控制设备的运行频率和台数，避免过冷过热等大马拉小车 的现象，节约能源及系统运行费用，所以自动控制系统是设备节能 运行的有效措施。在设计阶段根据不同的建筑和用途及空调系统形 式经过技术分析比较后方可确定变频技术在空调通风系统中的应 用。另外施工安装、运行管理和设备的可靠性等环节因素很重要，

各个环节紧密配合才能最终实现节能目标。

【参考文献】

[1]喻黎霞，王辉，周计文. 基于软件无线电的数字下变频原理 和实现[J]. 微处理机，2008，29（4）：189-191.

[2] 陆耀庆主编《实用供热空调设计手册》中国建筑工业出版社 2008 年 5 月第二版

[3] 李建兴，涂光备，涂岱昕. 多泵并联空调水系统的技术经济 分析. 流体机械 2004，32（10）：38-41，31

[4] WinCAPS Version7.6 中文选型手册 格兰富（Grundfos）中国 公司

[5] ASHRAE Handbook CD 2000 System and Equipment，Chapter 39 Centrifugal Pumps.

[6]电子工业部第十设计研究院，主编.空气调节设计手册（第二 版）.北京：中国建筑工业出版社，1995

[7] 张建一 李莉主编《制冷空调装置节能原理与技术》机械工 业出版社 2007 年 3 月第 1 版

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