【關鍵詞】中央空調,變頻器,分布式系統,節能
【論文摘要】在中央空調系統中使用變頻器可為氣流和冷/熱水流的調節提供最有效最節能的控制方式。對氣流和水流進行自動調節不僅可以提高酒店客人的居住舒適度，而且在控制系統中使用變頻器則可以將運行成本降到最低。本文還將闡述在建筑智能管理系統中使用暖通空調系統專用的智能型變頻器可同時降低系統初始成本，從而將系統的初始成本和運行成本均降到最低。

1  引言

    從表面上看，變頻控制通常被視作是一個獨立部分，是一個純資本支出項目。在許多新項目的設計過程中，一旦需要降低成本，變頻器往往都是首先考慮要縮減省去的部件之一。但是，如果能將變頻器真正設計到控制系統中，便可實現成本、效率雙贏的最佳效果。
2  暖通空調系統專用的變頻器具備節省成本的功能

    廣泛用于標準酒店的大型中央空調系統中都可使用變頻器。如何使變頻器達到最佳應用效果通常取決于變頻器自身的內置功能。制造生產暖通空調系統專用變頻器的廠家比比皆是(例如:丹佛斯VLT6000 HVAC暖通空調系統專用變頻器)。這些變頻器具備用于標準暖通空調系統所需的所有特定功能，因此，通常可縮減系統中的部分其它元件。這樣一來便可減低初期系統的總成本。本文中還具體說明了一些有關變頻器極具代表性的典型應用情況以及如何實現變頻器的最佳使用效果和如何利用變頻器達成效果最佳且成本最低的操作方案。但是，在具體說明各項應用情況之前，先就暖通空調系統專用變頻器與酒店暖通空調系統應用相關的多種特性做出說明。

2.1 變頻器的安裝位置

    如今，通常應將變頻器安裝在靠近操作泵、空氣處理機組或風機的地方，不能安裝固定在中央配電盤或是控制面板內。這種安裝方式的主要優勢在于可縮減主配電盤的大小、簡化安裝并且方便調試。同時，這種安裝方式也可確保變頻器的長期可靠性以及對設備間內人員的保護，因此必須確保變頻器“外殼防護等級”，這一點是極為重要的。因此，如果不將變頻器安裝在配電盤內，而選擇將其直接安裝在設備間的墻面上或是安裝在空氣處理機組的側面，則建議將變頻器置于一個具備IP54額定值的密閉外殼內，這將有助于確保其設備的長期可靠性。暖通空調系統專用的許多變頻器均以IP54版本形式安置，正是出于這種原因。

    配電盤體積變小不僅可以節省成本，而且在使用變頻器時無須使用其他電機起動器。如果使用閥門、擋板或進口導葉控制流量，則泵或風機應使用一個定速電機，并且必須安裝直接起動器或星形/三角起動器、熱過載保護裝置、自耦變壓器等，且如果選用星形/三角起動器，則需要安裝6根電纜。如果使用變頻器，則只需采用帶三相熔絲的三根電纜就可以了。變頻器自身具有電動機過載保護功能。如果使用定速電機，則根據電機的功率因數，可能還需要安裝功率因數補償電容器。大多數變頻器均有功率因數補償功能，功率因數約為1(或至少 > 0.95)，此時，系統內便無須安裝功率因數補償電容器。比較之下，變頻器的安裝顯然更為簡便，而且又能節省成本。

2.2 電磁兼容性

    變頻器可通過改變電機電源的頻率(和電壓)從而控制交流電電機的速度。基本上，只需通過晶體管的快速開關便可進行該操作(標準值>4500次/s)。大多數人在家打開電燈開關或是啟動洗碗機、洗衣機或吸塵器時會發現電視機出現閃動，這種現象是由無線電頻率干擾(RFI)或是電磁不兼容所引起的。如要確保酒店暖通空調系統及酒店自身內部其它電力/電子部件(例如:客房內的電視機、電梯等)的操作可靠性，必須確保變頻器晶體管的開關操作不會造成對其它電力/電子部件的干擾。

    降低干擾危險最簡便的辦法就是安裝一個配備集成無線電頻率干擾濾波器的變頻器，該濾波器應符合“EN61800-3一類環境 無限制分布規定”或“EN61800-3一類環境 限制分布規定”并且遵守制造商的安裝指導方針。由制造商設計安裝的配備集成無線電頻率干擾濾波器的變頻器的性能已獲得公認，改變了以前必須依靠專業技術人員才能正確安裝一個獨立的外部無線電頻率干擾濾波器的復雜的做法。

    本電磁兼容性標準相對而言較新，取代了先前采用的EN55011標準。“一類環境”定義包含民用建筑，建議用于酒店安裝，以確保客房內設備的操作可靠性。建議使用“無限制分布”定義，因為該定義要求變頻器自身必須具備更佳的電磁兼容性能，而非依靠安裝人員的電磁兼容性安裝技術。如果安裝人員確實具備合格的電磁兼容性安裝技術，則允許規定采用“限制分布”。
EN55011過去常常指定EN55011標準1A類性能，在新標準中的對應性能標準為“EN61800-3標準一類環境 無限制分布規定”。

    如果指定變頻器的電磁兼容性能，則應定義另一個極重要的因素，即:電機電纜長度，變頻器應符合此標準。對任何變頻器而言，電機電纜越長，無線電頻率干擾性能越差。如果變頻器符合EN61800-3標準一類環境規定，則應配備30m長的電機電纜，如果該電纜為40m，則不符合該規定。如果電機電纜長度在設計階段便已知曉，則可予以制定;如果未知，則應發表一份一般聲明，要求所有酒店標準設備均應符合EN61800-3標準 一類環境 無限制分布規定 配備50m電機電纜或EN61800-3標準 一類環境 限制分布規定 配備50m電機電纜。(牢記:“無限制”或“限制”定義取決于安裝人員的電磁兼容性能力。)

2.3 諧波

    變頻器屬非線性電力裝置，和其它大部分現代電子裝置相類似。也就是說，這些裝置在電力供應系統中充當諧波電流源的角色。諧波電流可增加RMS電流數值，從而增加電纜、電源變壓器和其它配電裝置內的電流損耗。這樣一來可能會引起另一種形式的電干擾現象，就是所謂的電壓諧波畸變。最簡單的避免方法就是確保變頻器內部配備一個諧波濾波器(例如:直流電抗器)。暖通空調系統專用的大多數變頻器均將配備該濾波器或是將其作為選件提供。如果未配備該濾波器，變頻器可能會導致電壓諧波畸變過量，以至影響同一個變壓器所連接的其它耗電設備，這在多住戶式的商業大樓中是一個尤為需要關注的問題。顯然，正如無線電頻率干擾濾波器一樣，如果電抗器內置安裝于變頻器內，則可在安裝過程中同時節省時間和成本。此外，如果變頻器配備這樣一個諧波濾波器，其RMS輸入電流會比未配備該諧波濾波器的變頻器來的低。因此，也可選擇尺寸更小的熔絲和電纜，這樣便可以進一步節省成本。
3  暖通空調系統功能

    變頻器在暖通空調系統中的應用還包括以下部分或全部特點:

(1) 電機低噪聲運行
這一點在電機驅動AHU風機時尤為重要，因為噪音會影響管道系統的運行情況，也會為酒店房客帶來煩惱。冷卻塔風機發出的電機噪音也可能會引起酒店房客反感，尤其是在晚上。

(2) 快速起動可靠
盡管風機(例如:冷卻塔風機)可能會關閉，但是仍然很有可能會在自然空氣對流的作用下發生旋轉。如果變頻器未配備“飛車起動”這一功能，那么在起動風機時，很有可能會對風機及其機械連接件造成機械沖擊，加速磨損甚至引起斷裂，還會增大電機電流，從而使變頻器發生跳閘或損壞。如果暖通空調系統專用的變頻器配備快速起動功能，就能在任何速度及方向條件下“停住”正在旋轉的風機葉片，然后再控制其平穩起動。

(3) 自動能量優化 
部分暖通空調系統專用變頻器具備本功能。本功能可用于電機在輕載運行時自動優化勵磁效果。如果變頻器具有自動能量優化功能，能比不具備該功能的變頻器多節省5~10%的能源，并且可以對輕載狀態下電機功率因數不足的情況進行自動補償。

(4) 自帶[手動]-[停止]-[自動]按鈕
如果配備這些按鈕，則無須在配電盤/控制柜上安裝這些控制按鈕，可以簡化現場操作及調試工作。

(5) 能夠以工程單位顯示電機電流、kWh、壓力和/或相關的溫度值。

(6) 風機皮帶斷裂檢測 
    本功能內置于變頻器內，這樣一來便無須在風機處安裝壓力差開關，用以檢測AHU中的氣流情況。
4  暖通空調系統專用的智能型變頻器用于分布式樓宇管理系統中 

4.1 主要優點

    如上所述，專用變頻器配備所有必需的相關功能，無需在系統中安裝其它部件，可因此節省成本。如果使用高級接口(串行通信)進一步集成到變頻器并將變頻器與樓宇管理系統(BMS)一體化，可進一步降低系統的初期成本。這樣一來，再加上運行及維護成本的降低，在5年內可以獲得至少等于4倍初期成本的收益。
可使用一根串行通信電纜將暖通空調系統專用的變頻器與樓宇管理系統連接起來。如果使用暖通空調系統協議，例如:LonWorks、BACnet和Metasys N2，可通過該單根電纜監控很多個點，從而將硬件I/O接口的數量降到最少，同時將相關的施工成本及調試成本降到最低。安裝及調試成本也因此降低，而樓宇管理系統處理的信息量卻能隨之增加。
通常，如果無需再用硬連線系統中的模擬和數字I/O接口對變頻器進行控制和監控，則可將該變頻器I/O接口用作樓宇管理系統的專用I/O接口。即使未用于初期設計，該I/O接口也可為今后的擴充免費提供備用的I/O接口。

    變頻器可通過該通信電纜接收其起動/停止、復位、速度給定及設定點命令，也可為樓宇控制系統提供其運行及故障/跳閘狀態指示。如果變頻器用于維持設定壓力時(例如:變風量系統中的靜態管道壓力)，其可執行所有必需的閉環控制操作，使風機以任何可維持該壓力的速度運行。樓宇管理系統可通過該通信電纜監控壓力以及根據需要調節設定值。變頻器可提供相關的診斷信息，例如:電機電流，如果不用變頻器的話則還需要配備一個獨立的分流器和電流表。同時，也可提供一些例如用電量(kWh)、運行時間等信息以及許多其它操作變量的信息。

4.2 舉例說明

    以下內容是以實際應用情況中成本及負載/運行情況為依據，說明如何以最佳方式將一臺變頻器同時用于多種應用情況的效果，也著重強調了安裝一臺變頻器后，系統/安裝設備中各處可分別節省百分之幾的成本。各個成本節省量是以如下兩方面的比較值作為依據:
使用整套IP54型暖通空調系統專用變頻器、配備無線電頻率干擾及諧波濾波器(丹佛斯VLT6000)、采用三相型熔絲電源并用串行通信將該變頻器與樓宇管理系統一體化所需的系統成本(變頻器成本=100%)和使用硬連線型定速泵/風機并配備其它流量控制形式所需的系統成本，包括配備三相型熔絲電源的控制柜那一部分，還包含配備熱過載、電壓表、電流表和運行和跳閘指示燈的電機起動器。
    這些實例著重強調了相對成本的近似值, 以IP54變頻器成本的百分比形式表示。該實際成本會因項目不同而有所變化, 但是以下內容證明了集成解決方案可節省實際系統成本。

    考慮的成本價也涉及所有需要接線及調試的I/O接口。然后，還著重強調了在運行成本較低(相對于未配置流量控制器或使用其它流量控制方式)情況下，變頻器“實際成本”的補償收回速度。

(1) 變風量 
    變風量(VAV)系統可用于維持建筑物內部特定的環境條件，是最有效的能量利用方法。在變風量系統中，可通過調整冷卻盤管冷水閥使供氣溫度維持恒定不變。可根據區域溫度調整變風量空調箱，以此更改通至各個區域的氣量。以某種形式對進氣風機進行流量控制(例如:進口導葉或變頻器)，以此在變風量空調箱調節器打開和關閉時將進氣管道內的壓力維持在所需的靜壓力值。

    根據設計的復雜程度, 可能會在進風管道、混風管道和房間內安裝溫度傳感器, 以控制或監控相關溫度。數字控制器可通過依次控制通風、冷卻和加熱(如果相關)情況以維持一個恒定的供氣溫度。相對濕度也可由管道增濕器予以控制。

圖1   用變頻器調節變風量

    如圖1所示, 如果將變頻器用于VAV系統, 通常應在管道走向的2/3處安裝一個壓力傳感器, 用于測量管道內的靜態供氣壓力。該傳感器應直接與變頻器相連。如果使用變頻器的PID控制器, 變頻器可在閉環中運行, 以此將靜壓力維持于所需的設定值。當VAV空調箱關閉時, 傳感器就會檢測發現靜壓力的上升情況, 變頻器便會隨之做出反應，降低進風風機的速度/流量, 以此將壓力值維持于設定點。

    變頻器在用于VAV系統時配備一項極為有用的功能部件，即雙區PID控制器。如果進風管道分為兩路，那么就有可能在兩條管路中都安裝靜壓力傳感器。變頻器可確保兩個點中的任意點靜壓力維持恒定。或者，如果只有一條進風管道，則可在風機附近安裝一個靜壓力傳感器，以充當靜態高壓傳感器，從而避免損壞管道系統。

    在本案例中，我們對使用進口導葉或硬連線型通用變頻器的方案所需的成本與使用串行通信電纜將變頻器與樓宇管理系統(BMS)一體化配置方案所需的成本進行比較。根據系統設計構想，以上所示的硬連線型變風量系統需要在樓宇管理系統內設置大約16個輸入/輸出點，包括:
3x模擬輸出點，用于控制新風、回風和混合風擋板;
1x模擬輸出點，用于控制冷卻盤管流量的冷水閥;
3x模擬輸入點，用于監控進風管道、混風管道和室內空氣的溫度(如果多于一個區，則還包括其它內容);
1x數字輸出點，用于起動/停止風機;
1x模擬輸出點，用于控制氣流(控制進口導葉的位置或是控制變頻器的速度);
1x數字輸入點(和一個連接到風機兩端的壓差開關)，用于檢測氣流/風機皮帶斷裂;
1x數字輸入點，用于[手動]-[停止]-[自動]狀態切換;
1x模擬輸入點，用于顯示進氣管道的靜壓力;
1x模擬輸入點，用于顯示進氣管道的靜態高壓;
2x數字輸入點，用于運行/跳閘狀態指示;
1x模擬輸入點，用于監測電機電流，樓宇管理系統同時使用該數據進行耗電量(kWh)估算。
如果使用暖通空調系統專用的變頻器，并將進風管道和高壓進風管道靜態壓力傳感器直接連于變頻器，其將用串行通信將變頻器與樓宇管理系統進行一體化安裝，此時只需安裝一根電纜(一個點)便可連接以下所有各點:
風機起動/停機
管道靜壓力設定點(包括標準值和上限值)
管道實際靜壓力(包括標準值和上限值)
風機皮帶斷裂的檢測
用于[手動]-[停止]-[自動]狀態切換
運行/跳閘狀態指示
電機電流和耗電量(kWh)
這說明:如果配備暖通空調系統專用的變頻器，則只需使用7個I/O點，這樣一來就可以減少9個I/O點。樓宇管理系統的成本計算顯然應包括每一控制點的連線和調試費用，因此，減少所需I/O點的數量，便可大大節省成本。
除此之外，例如，使用暖通空調專用變頻器的系統只需安裝一個三相的熔絲電源，而老系統需要配備熱過載、電流互感器、電流表的星形/三角起動器，這樣一算便可進一步節省成本。
上述例子的應用環境是特指已為VAV系統選擇配備了一套AHU的地方，該系統的壓力設計值為1916Pa、流量設計值為17.85m3/s，以此將VAV箱安放傳感器位置處的管道靜壓力維持在374Pa。本例子采用一臺功率55kW的電機，而AHU的流量控制選件則是采用進口導葉或通過串行通信方式與BMS系統一體化安裝配置的暖通空調系統專用變頻器。
如果采用一體化安裝的暖通空調系統專用變頻器，其節省的安裝成本相當于采購和安裝變頻器總成本52%左右(即:使用變頻器的成本僅占實際總成本的48%)。這還不包括不安裝進口導葉所節省下來的部分，這部分通常可占變頻器成本的35~60%，因此，一旦包括該部分，變頻器就會成為成本最低的選擇。如果僅僅根據基本安裝節省成本(忽略進口導葉部分)以及每天18h、每年340天左右運行時間下的負載情況計算，由于節能量所帶來的成本的節約，安裝變頻器的實際成本在運行6個月內就得以收回了。
除此之外，以上還未提及的是，變頻器無需配備功率因數補償電容，并且只需采用3根電纜即可, 而星形/三角起動器則需要6根;變頻器不僅顯示電機電流，而且還可以顯示其它內容(電壓、kWh、運行時間)，便于了解系統運行情況;風機加減速平穩, 可以將風機皮帶的磨損度降到最低，而風機低速運行也能降低機械磨損程度，從而降低運行成本，這些都是應該考慮在內的。此外，BMS系統可以通過串行通信網絡接收處理更多的系統信息。

(2) 定風量轉換成單區變風量 
傳統的定風量(CAV)系統內不配備任何流量調節設備(如同其名稱的含義)。需要調節的特定空間時時刻刻都在接收預先設計的固定氣流，根據室內空氣溫度或回風溫度，調節冷凍水閥門，以此改變供氣溫度。按照這種做法，幾乎無法實現節能，如圖2所示。

圖2   定風量的傳統控制方法

但是，如果CAV空氣處理機組只能服務于一個大面積的單區(例如:醫院、機場、旅館、劇院/電影院和大型購物中心)，則可能安裝一個變頻器，來模擬VAV系統，以此節省能量。這種建筑類型通常符合變化比較大，由區域所占面積而定。因此，可根據其所占面積調節供風量。如圖3所示。

圖3   使用變頻器將定風量單區轉變成變量單區

只需安裝一個變頻器，便可根據室內或回風溫度控制風機速度以調節供給至單區內的風量(其作用等同于變風量箱在VAV系統中的運行作用)。此外，還應在進風管道內安裝一個溫度傳感器，用于調節冷凍水閥門，從而維持一個恒定的供風溫度，其作用則等同于VAV系統的運行作用。供風溫度可因此保持恒定不變，所控制區域則需要通過調整風量對其進行調節。
變頻器的最小速度通常設定為額定轉速的70%左右，以此維持供氣質量。其速度的變化范圍則從該速度/流量至最大值，具體情況取決于控制區域內溫度(同上)或是控制區域內安裝的供氣質量傳感器(例如:二氧化碳)，其具體數值會根據控制區域的所占面積而有所變動。
在這種情況下，如果是初次了解將變頻器用于不配備流量控制器的傳統應用時，可能會覺得該驅動器價格太貴。但是，必須記住，如果使用串行通信將暖通空調專用變頻器與樓宇管理系統(BMS)一體化配置，則可在系統內部各處實現成本節省。根據系統設計構想，以上所示的傳統型定風量系統如果要用于樓宇管理系統則至少需要大約11個硬接線輸入/輸出點，包括:
l 3x模擬輸出點, 用于控制新風、回風和混合風擋板;
l 1x模擬輸出點，用于控制冷卻盤管的冷水閥門;
l 1x模擬輸入點，用于監控室內空氣溫度/回氣溫度;
l 1x數字輸出點，用于起動/停止風機;
l 1x數字輸入點(和一個連通風機的壓差開關)，用于檢測氣流/風機皮帶的破損情況;
l 1x數字輸入點, 用于[手動]-[停止]-[自動]狀態切換;
l 2x數字輸入點，用于運行/跳閘狀態指示;
l 1x模擬輸入點，用于監測電機電流，樓宇管理系統同時使用該數據進行耗電量(kWh)估算。
如果使用暖通空調系統專用的變頻器，并將進氣管道和進氣管道靜態高壓傳感器直接連于變頻器，用串行通信將變頻器與樓宇管理系統連成一體，此時只需安裝一根電纜(一點)便可連接以下所有各點:
l 風機起動/停機;
l 室內(或區域)空氣/回風溫度;
l 風機皮帶斷裂的檢測;
l 用于[手動]-[停止]-[自動]狀態切換;
l 運行/跳閘狀態指示;
l 電機電流和耗電量(kWh)。
如果使用變頻器, 則只需使用剩余的4個模擬點, 另加一個溫度傳感器和模擬輸入點。這樣就可以減少6個I/O點。樓宇管理系統的成本計算顯然應包括每一控制點的連線和調試費用, 因此，減少所需I/O點的數量, 便可大大節省成本。
正如在變風量應用情況下一樣，除了上述節省成本之外，使用暖通空調專用變頻器的系統只需安裝一個三相的熔絲電源，而老系統需要配備熱過載、電流互感器、電流表的星形/三角起動器，這樣一算便可進一步節省成本。
以配備了一套單區定風量系統AHU的酒店會議室為例。該系統運行點的壓力設計值為1200Pa、流量設計值為15.5m3/s，配備了一臺功率為30kW的電機。這是應用于一個大型單區，我們對通過串行通信方式將變頻器與BMS系統一體化安裝配置包括溫度傳感器的系統和單區定風量系統進行成本評估。
如果采用一體化安裝變頻器，其購買及安裝成本便可比使用進口導葉節省60%左右(即:變頻器的實際成本僅占總實際成本的40%)。變頻器在這一應用情況下的運行時間約為每天17h、每年365天左右。如果將氣流速度/流量的最小值限制在70%, 以此維持供氣質量, 由于能量成本有所節省, 安裝變頻器的實際成本在運行4個月內得以收回了。
其它有關變風量應用中的成本節約說明, 例如:進一步減少電機電纜的使用量, 簡化操作等, 均也適用于此處。

(3) 其它應用 

可對變頻器的其它應用進行同類分析，包括:
l 冷凝水泵:按照傳統的做法，冷凝水泵通常采用兩通閥進行流量調節，將流量設定于冷凍機的設計流量值。如果打開閥門，使用變頻器降低泵的轉速來設置流量，系統就能更為有效地運行。
l 冷卻塔風機:按照傳統的做法, 冷卻塔風機通常不加以控制, 只配備一個簡易的開/關控制器或是雙速電機。如果使用變頻器, 則可將其與安裝在冷卻塔集水器或是冷凝水回路上的溫度傳感器直接連接。變頻器可以任何必需的速度/流速調節冷卻塔風機轉速, 此確保流回冷凍機的回水溫度維持于設計點, 從而大量節省能源、降低機械磨損并降低噪音。
l 一次泵:一次泵與冷凝水泵幾乎完全相同, 因此, 變頻器也可用作“電子”閥。
l 二次泵:可通過控制二次泵將系統最遠端負載末端壓差維持在一固定值，這樣當冷卻盤管的閥門處于任何開度(全開除外)時均能節省能量。
5  結束語

    以上分析結果表明:在所有這些應用情況下，如果使用串行通信將暖通空調系統專用的變頻器融入樓宇管理系統BMS內，安裝變頻器的實際成本則僅占表面成本的一小部分。同時，用變頻器代替其它的一些流量調節或控制裝置是最有效的節能方法。因此，這項解決方案可為系統提供最低的初期成本及最高的運行節能率。
參考文獻
[1] VLT6000設計手冊[Z]. 丹佛斯有限公司.
作者簡介
    Andrew Cooper  丹佛斯傳動與控制部暖通空調系統亞太區業務經理, 暖通空調系統控制專家, 負責丹佛斯傳動產品在亞太區暖通空調領域的推廣。曾在國內外多家暖通雜志上發表過多篇關于暖通空調系統節能和運行優化的論文。