摘要：本文阐述了电信行业中空调使用的现状、变频节能的原理及典型接线方式，指出变频器选型要注意的问题。并通过对广东电信科技大厦及广州电信某大楼中央水冷空调应该用变频系统的节能效果进行测试，从理论上与实际数据上上验证了变频节能的效果和产生的经济效益，为广东电信大规模推广使用提供依据。同时提出了应用变频节可能存在的问题及相应的处理方法。
关键词： 中央水冷空调、节能、水泵、变频调速

一、前言
      随着中国电信事业的飞速发展，通信机楼的不断兴建，电信业用电成本不断上涨。根据集团公司增收节支的要求，节约用电成本是节支的一个重要环节。
      从电信公司以前数据统计中可以得知，通信设备用电占总用电量的30%左右，照明及其它用电占总用电量的10%左右，空调用电占总用电的50～60%左右。其中空调水泵及风机的耗电量，可占中央空调空调系统耗电量的30％～40％，水泵及风机节能非常重要，节能潜力也比较大。风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大量的能源消耗在挡板、阀门地截流过程中。有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量，由于风机、水泵类负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降。

二、变频器原理
2．1 变频器技术原理：
      从原理上变频器结构比较简单，变频器先将直流电转换为交流电，然后用逆变桥将其再转换为变频、变压的交流电源。变频器的结构框图如下所示：

 图2-1变频器的结构框图

      三相电源在全波整流器整流后变成直流电，在直流回路的电容器能够降低电压波动，且在短时间的电源断路情况下能够继续提供能量。直流电压运用脉宽调制(PWM) 技术被转换为交流。通过改变IGBT 的开关时间，能够得到理想的电流。输出电压为一系列的方波脉冲，电机绕组的电感使其变成正弦的电机电流。

图2-2 变频器脉宽调制电机波形

2．2 变频器的典型接线方式：

  图2-3 变频器典型接线方式

 三、变频调节水泵转速的节电原理
      水泵的流量、扬程、轴功率和转速间的关系如下： 
               （3-1）
       式中：n1，n2――电机转速；
                G1，G2――水流量； 
                H1，H2――水泵扬程；
                N1，N2――水泵轴功率；
      由上可见，风机、水泵类负载，轴功率与转速成立方关系，当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降。
      下图中，图3.1和图3.2绘出了阀门调节和变频调速控制两种状态的压力一流量（H-Q）关系及功率一流量（P-Q）关系。从下图中可见当所需流量减少，水泵转速降低时，其电动机的所需功率按转速的三次方下降。如水泵转速下降到额定转速的60%，即f=30Hz时，其电动机轴功率下降了78.4%，即节电率为78.4% 。

    图3-1 变频调速压力一流量（H-Q）关系              

图3-2阀门调节和变频调速功率一流量（P-Q）关系

四、变频实际应用测试情况
      通过对广东电信科技大厦的变频节能情况进行了跟踪测试和数据分析，同时为了更进一步验证变频节能技术的实际效果，我们还搜集整理了广州电信某大厦的中央空调采用的变频节能技术后的测试数据资料，以下是我们分别对两栋大厦的测试数据分析情况。
4．1 实验方法：
      如图5-1所示，为所有水泵配电总输入端安装电度表。耗电量测试位置参见图5-1测试点1测试点2，也可根据具体情况灵活设置。测试点2可以测试整个空调系统的耗电量。
      按照以24小时为一个测试时间段轮流测试变频和工频供电模式下水泵系统总耗电量，总测试时间为连续4个办公日。对比测试所有变频器的水泵负载在工频供电和变频供电两种方式下的耗电量数据，并据此计算水泵系统节电率η1。
      η1= (W工频－W变频)/ W工频×100%             （4-1）
      其中W工频、W变频分别为水泵在工频和变频供电方式下的耗电量。 
 

图5-1实验方法示意图

4．2 广东电信科技大厦实验数据分析：
      广东电信科技大厦有四台开利（CARRIER）600RT离心式中央空调，一台开利（CARRIER）300RT螺杆中央空调机组。制冷量总共2700RT。我们对其中做了变频的系统做测试并随机取四天的数据分析，如下所示。
4．2．1  4月26日变频运行及4月27日工频运行数据分析 
 如下表5-1所示：

表5-1：测试数据一 

      分析：从上表我们可以看出，4月26到28的室外温度条件基本一致，主机在工频运行与变频运行时耗电量,只有约1.06%的差别,可以当成误差，也就是两种工况下对主机运行功率没有太大的影响。冷冻泵在变频运行时节电约42.23%，冷却泵在变频运行时节电约30.94%，一天内可以节能电1296度，折合合电费1114元，总节电率为13.28%，由此可见，节能效果非常可观。
4．2．2  4月28日变频运行及4月29日工频运行数据分析
如下表5-2所示：

表5-2：测试数据二

      分析：从上表我们可以看出，4月28到30的室外温度条件基本一致，主机在工频运行耗电量,比在变频运行高出9.8%，也就是两种工况下变频运行时主机运行耗电量还要小点。冷冻泵在变频运行时节电约44.14，冷却泵在变频运行时节电约26.57%，一天内可以节能电1900，折合合电费1634元，总节电率为19.63%，由此可见，节能效果非常可观。
由此可以，对水泵变频，对主机功率的影响很小，主机耗电量的大小与负荷有直接的关系。
4．3 广州电信某大厦实验数据对比分析：

4．3．1  12月3、4日实测数据对比析
如下表5-3所示：

表5-3：测试数据三

4．3．2  12月8、9实测数据对比分析
如下表5-4所示：

表5-4：测试数据四 
   

五、测试分析
1)    从广东电信科技大厦和广州电信某大厦的测试数据可以看出，空调水泵的耗电量在工频运行状况下，可占中央空调空调系统总耗电量的33.92~39.33％，在变频状态下，占中央空调空调系统总耗电量降到30%以下，所以水泵节能非常重要，节能潜力也比较大。
2)    两栋大厦只是对冷却水泵及冷冻水泵加装了变频器，空调主机并没有装变频器，在记录数据时同时将空调主机的运行参数及电流也记录下来就是为了对比水泵在变频运行及工频运行时对主机的影响。从以上测试数据可以看出，主机的能耗在变频运行状态下会略有下降，因此可以证明对水泵加装变频器不会增加主机的能耗。主机耗电量的大小与负荷有直接的关系。
3)    从以上测试数据可以看出，冷却水泵及冷冻水泵在变频运行状态下节能效果明显，因此可以说明加装变频器是有节能效果的。以广东电信科技大厦为例，以一天节省电费1000元计算，电信机楼空调系统一年360天在运行，一年就可以节能36万元，这还是以较热的天气为基础估算的，冷天节能效果会更明显。
4)    由于空调系统一般是按最大负荷设计安装，室外环境对空调系统影响很明显。在夏季空调系统负荷率就高，在冬季空调系统负荷率低，广州电信某大厦实测时间在12月中旬，天气较凉，所以节能效率更明显，水泵节能率可达60%以上。广东电信科技大厦实测的时间是4月底，天气较热，水泵节能率在26%~44%之间。所以说变频技术受天气影响很大。室外温度越低，空调系统变频节电越明显。同时主机功率及水泵功率冗余越大，变频节电也越明显。
5)    变频器的运转对水泵及空调系统可能会产生的负面影响。运行中可能出现的问题主要表现为：谐波问题、噪声、振动、负载匹配、发热等问题；应该有从多方面考虑减少这些问题的发生，保证空调系统的稳定正常运行。
6)    我们不建议对空调主机安装变频器，原因是：从成本来考虑，变频器的选择是与功率相匹配的，功率越大，成本越高。同时空调主机自身是非常复杂的智能控制系统，它的运转是随外界的负荷进行自动调节，对空调主机加装变频器有可能会影响主机的正常运行，也得不到空调主机制造商的认同。

六、总结：
      从广东电信科技大厦及广州电信某大厦实验得出的数据可以知道，变频节能是一种有效的空调节能手段。通过采用变频节能技术，可以有效的降低空调能耗，达到增收节支、降低运营成本的目的。

参考文献：
1.    西门子自动化与驱动产品选型、EMC规则以及安装规范手册；
2.    艾默生网络能源工程维护技术——变频器专刊2003；
3.    西门子通用变频器应用实例手册；
4.    彦启森主编，空气调节用制冷技术，中国建筑工业出版社；
5.    ASHRAE handbook 2005 。