中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)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(jī)組、冷凍循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制熱負(fù)荷選定的，且再留有充足余量。在沒有使用具備負(fù)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(fù)荷的怎樣變化，各電機(jī)都長期固定在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)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(yùn)行費用急劇上升，致使它在整個大廈營運(yùn)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(wù)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(fù)荷時壓縮機(jī)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(fù)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(yīng)智能負(fù)荷調(diào)節(jié)的壓縮機(jī)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)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(yīng)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(dá)30%以上，能帶來良好的經(jīng)濟(jì)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(jī)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(fēng)機(jī)系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)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(jī)組通過壓縮機(jī)將制冷劑(冷媒介質(zhì)如R134a、R22等)壓縮成液太后送蒸發(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(jìn)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(fēng)機(jī)風(fēng)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(fēng)機(jī)吹送到各個房間，從而達(dá)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(fù)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(jìn)行自然冷卻或通過冷卻塔風(fēng)機(jī)對其進(jìn)行噴淋式強(qiáng)迫風(fēng)冷，與大氣之間進(jìn)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(fēng)機(jī)盤管中，即可實現(xiàn)向用戶提供供暖熱風(fēng)。
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(fēng)機(jī)系統(tǒng)均是主壓縮機(jī)系統(tǒng)的從動系統(tǒng)。當(dāng)主壓縮機(jī)系統(tǒng)的負(fù)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(fēng)量也發(fā)生相應(yīng)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(fù)載類型可分為兩大類，①變轉(zhuǎn)矩負(fù)載：如冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載；②恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：如主制冷壓縮機(jī)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(fēng)機(jī)、水泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性滿足流體動力學(xué)關(guān)系理論，即以下數(shù)學(xué)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(yáng)程、軸功率。
由式1可知，若轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的70%，那么，揚(yáng)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(yáng)程的降低而減小。在滿足系統(tǒng)基本揚(yáng)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(yīng)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(xué)理論上的可行性保障空間。

由上述流體傳輸設(shè)備水泵、風(fēng)機(jī)的工作原理可知：水泵、風(fēng)機(jī)的流量（風(fēng)量）與其轉(zhuǎn)速成正比；水泵、風(fēng)機(jī)的壓力（揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，而水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可改變水泵、風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)軸功率）。
由以上內(nèi)容可以看出，用變頻器進(jìn)行流量（風(fēng)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(jī)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(fēng)機(jī)使用變頻節(jié)能的實施方案和應(yīng)用效果

4.1 冷卻塔風(fēng)機(jī)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(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(yùn)行控制回路及信號報警回路組成變頻循環(huán)運(yùn)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(yùn)行控制回路等構(gòu)成工頻（50Hz）運(yùn)行回路。

運(yùn)行方式：

工頻運(yùn)行時：風(fēng)機(jī)根據(jù)工頻控制回路選擇指定風(fēng)機(jī)啟動，并以50HZ全速運(yùn)行。

變頻運(yùn)行時：風(fēng)機(jī)以傳感器所測實際水溫，經(jīng)過溫控器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號或電壓信號，送到變頻器的摸擬輸入端，當(dāng)?shù)谝慌_變頻電機(jī)達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行時，還不能滿足實際工況則第二臺電機(jī)就會被工頻起動，第一臺電機(jī)仍然變頻運(yùn)行；同理，若第二臺電機(jī)起動后，還不能滿足工況則第三臺電機(jī)就會被工頻起動；此時，三臺電機(jī)全部運(yùn)行：第一臺電機(jī)變頻運(yùn)行、第二臺電機(jī)工頻運(yùn)行、第三臺電機(jī)工頻運(yùn)行。

方案二：循環(huán)變頻控制方式。

由P∝n3可知：風(fēng)機(jī)節(jié)能的最佳方案是控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可通過改變電機(jī)控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，下面以三臺相同功率的電機(jī)的冷卻塔為例，作如下講解：三臺風(fēng)機(jī)為同一功率的的電機(jī)，可采用一臺變頻器循環(huán)控制的方式運(yùn)行，系統(tǒng)電氣原理概況圖，如下所示：
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(yùn)行控制回路及信號報警回路組成變頻循環(huán)運(yùn)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(yùn)行控制回路等構(gòu)成工頻（5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(yùn)行控制回路及信號報警回路組成變頻循環(huán)運(yùn)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(yùn)行控制回路等構(gòu)成工頻（50Hz）運(yùn)行回路。

運(yùn)行方式：

正常狀態(tài)，轉(zhuǎn)換開關(guān)切至自動運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)機(jī)的風(fēng)量，從而改變冷卻塔的出水溫度；當(dāng)一臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行仍舊不能滿足要求時，將此變頻運(yùn)行的風(fēng)機(jī)改為工頻運(yùn)行，再變頻啟動另一臺風(fēng)機(jī)，直到滿足生產(chǎn)裝置所需的循環(huán)水的溫度達(dá)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(fēng)機(jī)是變頻運(yùn)行還好工頻運(yùn)行。并做到最先運(yùn)行的風(fēng)機(jī)最先切除，各電機(jī)循環(huán)運(yùn)行，從而延長設(shè)備使用壽命的目的。當(dāng)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(jī)運(yùn)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(yùn)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(jìn)熱水與空氣進(jìn)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(dāng)環(huán)境溫度升高時，啟動冷卻塔內(nèi)的軸流風(fēng)機(jī)實行強(qiáng)制通風(fēng)，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(fēng)機(jī)，其直徑為8500mm，由電壓為380V，額定功率為160kW的4極異步電機(jī)驅(qū)動。電機(jī)和風(fēng)機(jī)之間采用恒定減速比的減速機(jī)直聯(lián)，塔內(nèi)不裝設(shè)節(jié)流閥。因此軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)量是不可調(diào)的。3個塔的總處理能力達(dá)8000m3/h，遠(yuǎn)大于各生產(chǎn)裝置最大需求量總和6600m3/h， 2002年度各塔的運(yùn)行參數(shù)詳見表1與表2。

4.2.2冷卻塔風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速節(jié)能方案

4.2.2.1　風(fēng)機(jī)節(jié)能可行性分析：
表1　各塔運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計表
塔編號 處理能力(m3/h) 電機(jī)電流(A) 電機(jī)電壓(V) 功率因數(shù)(cosφ) 電機(jī)輸入功率(kw) 電功率單耗(kW/m3)
1 2000 250 380 0.87 143 0.0715
2 3000 200 380 0.87 115 0.0383
3 3000 220 380 0.87 128 0.042
由表1所示的數(shù)據(jù)知：2002年度冷卻塔風(fēng)機(jī)全部運(yùn)行期間，冷卻塔進(jìn)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(jìn)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(fēng)機(jī)全年的運(yùn)行時間為2705h。若采用變頻控制器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)機(jī)風(fēng)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(jìn)水溫度關(guān)系曲線圖；b.進(jìn)出水溫差與空氣濕球溫度及風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的不同月份節(jié)能潛力及收益值如表3。