【关键词】中央空调,变频器,分布式系统,节能
【论文摘要】在中央空调系统中使用变频器可为气流和冷/热水流的调节提供最有效最节能的控制方式。对气流和水流进行自动调节不仅可以提高酒店客人的居住舒适度，而且在控制系统中使用变频器则可以将运行成本降到最低。本文还将阐述在建筑智能管理系统中使用暖通空调系统专用的智能型变频器可同时降低系统初始成本，从而将系统的初始成本和运行成本均降到最低。
1 引言
从表面上看，变频控制通常被视作是一个独立部分，是一个纯资本支出项目。在许多新项目的设计过程中，一旦需要降低成本，变频器往往都是首先考虑要缩减省去的部件之一。但是，如果能将变频器真正设计到控制系统中，便可实现成本、效率双赢的最佳效果。
2 暖通空调系统专用的变频器具备节省成本的功能
广泛用于标准酒店的大型中央空调系统中都可使用变频器。如何使变频器达到最佳应用效果通常取决于变频器自身的内置功能。制造生产暖通空调系统专用变频器的厂家比比皆是(例如:丹佛斯VLT6000 HVAC暖通空调系统专用变频器)。这些变频器具备用于标准暖通空调系统所需的所有特定功能，因此，通常可缩减系统中的部分其它元件。这样一来便可减低初期系统的总成本。本文中还具体说明了一些有关变频器极具代表性的典型应用情况以及如何实现变频器的最佳使用效果和如何利用变频器达成效果最佳且成本最低的操作方案。但是，在具体说明各项应用情况之前，先就暖通空调系统专用变频器与酒店暖通空调系统应用相关的多种特性做出说明。
2.1 变频器的安装位置
如今，通常应将变频器安装在靠近操作泵、空气处理机组或风机的地方，不能安装固定在中央配电盘或是控制面板内。这种安装方式的主要优势在于可缩减主配电盘的大小、简化安装并且方便调试。同时，这种安装方式也可确保变频器的长期可靠性以及对设备间内人员的保护，因此必须确保变频器“外壳防护等级”，这一点是极为重要的。因此，如果不将变频器安装在配电盘内，而选择将其直接安装在设备间的墙面上或是安装在空气处理机组的侧面，则建议将变频器置于一个具备IP54额定值的密闭外壳内，这将有助于确保其设备的长期可靠性。暖通空调系统专用的许多变频器均以IP54版本形式安置，正是出于这种原因。
配电盘体积变小不仅可以节省成本，而且在使用变频器时无须使用其他电机起动器。如果使用阀门、挡板或进口导叶控制流量，则泵或风机应使用一个定速电机，并且必须安装直接起动器或星形/三角起动器、热过载保护装置、自耦变压器等，且如果选用星形/三角起动器，则需要安装6根电缆。如果使用变频器，则只需采用带三相熔丝的三根电缆就可以了。变频器自身具有电动机过载保护功能。如果使用定速电机，则根据电机的功率因数，可能还需要安装功率因数补偿电容器。大多数变频器均有功率因数补偿功能，功率因数约为1(或至少 > 0.95)，此时，系统内便无须安装功率因数补偿电容器。比较之下，变频器的安装显然更为简便，而且又能节省成本。
2.2 电磁兼容性
变频器可通过改变电机电源的频率(和电压)从而控制交流电电机的速度。基本上，只需通过晶体管的快速开关便可进行该操作(标准值>4500次/s)。大多数人在家打开电灯开关或是启动洗碗机、洗衣机或吸尘器时会发现电视机出现闪动，这种现象是由无线电频率干扰(RFI)或是电磁不兼容所引起的。如要确保酒店暖通空调系统及酒店自身内部其它电力/电子部件(例如:客房内的电视机、电梯等)的操作可靠性，必须确保变频器晶体管的开关操作不会造成对其它电力/电子部件的干扰。
降低干扰危险最简便的办法就是安装一个配备集成无线电频率干扰滤波器的变频器，该滤波器应符合“EN61800-3一类环境 无限制分布规定”或“EN61800-3一类环境 限制分布规定”并且遵守制造商的安装指导方针。由制造商设计安装的配备集成无线电频率干扰滤波器的变频器的性能已获得公认，改变了以前必须依靠专业技术人员才能正确安装一个独立的外部无线电频率干扰滤波器的复杂的做法。
本电磁兼容性标准相对而言较新，取代了先前采用的EN55011标准。“一类环境”定义包含民用建筑，建议用于酒店安装，以确保客房内设备的操作可靠性。建议使用“无限制分布”定义，因为该定义要求变频器自身必须具备更佳的电磁兼容性能，而非依靠安装人员的电磁兼容性安装技术。如果安装人员确实具备合格的电磁兼容性安装技术，则允许规定采用“限制分布”。
EN55011过去常常指定EN55011标准1A类性能，在新标准中的对应性能标准为“EN61800-3标准一类环境 无限制分布规定”。
如果指定变频器的电磁兼容性能，则应定义另一个极重要的因素，即:电机电缆长度，变频器应符合此标准。对任何变频器而言，电机电缆越长，无线电频率干扰性能越差。如果变频器符合EN61800-3标准一类环境规定，则应配备30m长的电机电缆，如果该电缆为40m，则不符合该规定。如果电机电缆长度在设计阶段便已知晓，则可予以制定;如果未知，则应发表一份一般声明，要求所有酒店标准设备均应符合EN61800-3标准 一类环境 无限制分布规定 配备50m电机电缆或EN61800-3标准 一类环境 限制分布规定 配备50m电机电缆。(牢记:“无限制”或“限制”定义取决于安装人员的电磁兼容性能力。)
2.3 谐波
变频器属非线性电力装置，和其它大部分现代电子装置相类似。也就是说，这些装置在电力供应系统中充当谐波电流源的角色。谐波电流可增加RMS电流数值，从而增加电缆、电源变压器和其它配电装置内的电流损耗。这样一来可能会引起另一种形式的电干扰现象，就是所谓的电压谐波畸变。最简单的避免方法就是确保变频器内部配备一个谐波滤波器(例如:直流电抗器)。暖通空调系统专用的大多数变频器均将配备该滤波器或是将其作为选件提供。如果未配备该滤波器，变频器可能会导致电压谐波畸变过量，以至影响同一个变压器所连接的其它耗电设备，这在多住户式的商业大楼中是一个尤为需要关注的问题。显然，正如无线电频率干扰滤波器一样，如果电抗器内置安装于变频器内，则可在安装过程中同时节省时间和成本。此外，如果变频器配备这样一个谐波滤波器，其RMS输入电流会比未配备该谐波滤波器的变频器来的低。因此，也可选择尺寸更小的熔丝和电缆，这样便可以进一步节省成本。
3 暖通空调系统功能
变频器在暖通空调系统中的应用还包括以下部分或全部特点:
(1) 电机低噪声运行
这一点在电机驱动AHU风机时尤为重要，因为噪音会影响管道系统的运行情况，也会为酒店房客带来烦恼。冷却塔风机发出的电机噪音也可能会引起酒店房客反感，尤其是在晚上。
(2) 快速起动可靠
尽管风机(例如:冷却塔风机)可能会关闭，但是仍然很有可能会在自然空气对流的作用下发生旋转。如果变频器未配备“飞车起动”这一功能，那么在起动风机时，很有可能会对风机及其机械连接件造成机械冲击，加速磨损甚至引起断裂，还会增大电机电流，从而使变频器发生跳闸或损坏。如果暖通空调系统专用的变频器配备快速起动功能，就能在任何速度及方向条件下“停住”正在旋转的风机叶片，然后再控制其平稳起动。
(3) 自动能量优化
部分暖通空调系统专用变频器具备本功能。本功能可用于电机在轻载运行时自动优化励磁效果。如果变频器具有自动能量优化功能，能比不具备该功能的变频器多节省5~10%的能源，并且可以对轻载状态下电机功率因数不足的情况进行自动补偿。
(4) 自带[手动]-[停止]-[自动]按钮
如果配备这些按钮，则无须在配电盘/控制柜上安装这些控制按钮，可以简化现场操作及调试工作。
(5) 能够以工程单位显示电机电流、kWh、压力和/或相关的温度值。
(6) 风机皮带断裂检测
本功能内置于变频器内，这样一来便无须在风机处安装压力差开关，用以检测AHU中的气流情况。
4 暖通空调系统专用的智能型变频器用于分布式楼宇管理系统中
4.1 主要优点
如上所述，专用变频器配备所有必需的相关功能，无需在系统中安装其它部件，可因此节省成本。如果使用高级接口(串行通信)进一步集成到变频器并将变频器与楼宇管理系统(BMS)一体化，可进一步降低系统的初期成本。这样一来，再加上运行及维护成本的降低，在5年内可以获得至少等于4倍初期成本的收益。
可使用一根串行通信电缆将暖通空调系统专用的变频器与楼宇管理系统连接起来。如果使用暖通空调系统协议，例如:LonWorks、BACnet和Metasys N2，可通过该单根电缆监控很多个点，从而将硬件I/O接口的数量降到最少，同时将相关的施工成本及调试成本降到最低。安装及调试成本也因此降低，而楼宇管理系统处理的信息量却能随之增加。
通常，如果无需再用硬连线系统中的模拟和数字I/O接口对变频器进行控制和监控，则可将该变频器I/O接口用作楼宇管理系统的专用I/O接口。即使未用于初期设计，该I/O接口也可为今后的扩充免费提供备用的I/O接口。
变频器可通过该通信电缆接收其起动/停止、复位、速度给定及设定点命令，也可为楼宇控制系统提供其运行及故障/跳闸状态指示。如果变频器用于维持设定压力时(例如:变风量系统中的静态管道压力)，其可执行所有必需的闭环控制操作，使风机以任何可维持该压力的速度运行。楼宇管理系统可通过该通信电缆监控压力以及根据需要调节设定值。变频器可提供相关的诊断信息，例如:电机电流，如果不用变频器的话则还需要配备一个独立的分流器和电流表。同时，也可提供一些例如用电量(kWh)、运行时间等信息以及许多其它操作变量的信息。
4.2 举例说明
以下内容是以实际应用情况中成本及负载/运行情况为依据，说明如何以最佳方式将一台变频器同时用于多种应用情况的效果，也着重强调了安装一台变频器后，系统/安装设备中各处可分别节省百分之几的成本。各个成本节省量是以如下两方面的比较值作为依据:
使用整套IP54型暖通空调系统专用变频器、配备无线电频率干扰及谐波滤波器(丹佛斯VLT6000)、采用三相型熔丝电源并用串行通信将该变频器与楼宇管理系统一体化所需的系统成本(变频器成本=100%)和使用硬连线型定速泵/风机并配备其它流量控制形式所需的系统成本，包括配备三相型熔丝电源的控制柜那一部分，还包含配备热过载、电压表、电流表和运行和跳闸指示灯的电机起动器。
这些实例着重强调了相对成本的近似值, 以IP54变频器成本的百分比形式表示。该实际成本会因项目不同而有所变化, 但是以下内容证明了集成解决方案可节省实际系统成本。
考虑的成本价也涉及所有需要接线及调试的I/O接口。然后，还着重强调了在运行成本较低(相对于未配置流量控制器或使用其它流量控制方式)情况下，变频器“实际成本”的补偿收回速度。
(1) 变风量
变风量(VAV)系统可用于维持建筑物内部特定的环境条件，是最有效的能量利用方法。在变风量系统中，可通过调整冷却盘管冷水阀使供气温度维持恒定不变。可根据区域温度调整变风量空调箱，以此更改通至各个区域的气量。以某种形式对进气风机进行流量控制(例如:进口导叶或变频器)，以此在变风量空调箱调节器打开和关闭时将进气管道内的压力维持在所需的静压力值。
根据设计的复杂程度, 可能会在进风管道、混风管道和房间内安装温度传感器, 以控制或监控相关温度。数字控制器可通过依次控制通风、冷却和加热(如果相关)情况以维持一个恒定的供气温度。相对湿度也可由管道增湿器予以控制。
图1 用变频器调节变风量
如图1所示, 如果将变频器用于VAV系统, 通常应在管道走向的2/3处安装一个压力传感器, 用于测量管道内的静态供气压力。该传感器应直接与变频器相连。如果使用变频器的PID控制器, 变频器可在闭环中运行, 以此将静压力维持于所需的设定值。当VAV空调箱关闭时, 传感器就会检测发现静压力的上升情况, 变频器便会随之做出反应，降低进风风机的速度/流量, 以此将压力值维持于设定点。
变频器在用于VAV系统时配备一项极为有用的功能部件，即双区PID控制器。如果进风管道分为两路，那么就有可能在两条管路中都安装静压力传感器。变频器可确保两个点中的任意点静压力维持恒定。或者，如果只有一条进风管道，则可在风机附近安装一个静压力传感器，以充当静态高压传感器，从而避免损坏管道系统。
在本案例中，我们对使用进口导叶或硬连线型通用变频器的方案所需的成本与使用串行通信电缆将变频器与楼宇管理系统(BMS)一体化配置方案所需的成本进行比较。根据系统设计构想，以上所示的硬连线型变风量系统需要在楼宇管理系统内设置大约16个输入/输出点，包括:
3x模拟输出点，用于控制新风、回风和混合风挡板;
1x模拟输出点，用于控制冷却盘管流量的冷水阀;
3x模拟输入点，用于监控进风管道、混风管道和室内空气的温度(如果多于一个区，则还包括其它内容);
1x数字输出点，用于起动/停止风机;
1x模拟输出点，用于控制气流(控制进口导叶的位置或是控制变频器的速度);
1x数字输入点(和一个连接到风机两端的压差开关)，用于检测气流/风机皮带断裂;
1x数字输入点，用于[手动]-[停止]-[自动]状态切换;
1x模拟输入点，用于显示进气管道的静压力;
1x模拟输入点，用于显示进气管道的静态高压;
2x数字输入点，用于运行/跳闸状态指示;
1x模拟输入点，用于监测电机电流，楼宇管理系统同时使用该数据进行耗电量(kWh)估算。
如果使用暖通空调系统专用的变频器，并将进风管道和高压进风管道静态压力传感器直接连于变频器，其将用串行通信将变频器与楼宇管理系统进行一体化安装，此时只需安装一根电缆(一个点)便可连接以下所有各点:
风机起动/停机
管道静压力设定点(包括标准值和上限值)
管道实际静压力(包括标准值和上限值)
风机皮带断裂的检测
用于[手动]-[停止]-[自动]状态切换
运行/跳闸状态指示
电机电流和耗电量(kWh)
这说明:如果配备暖通空调系统专用的变频器，则只需使用7个I/O点，这样一来就可以减少9个I/O点。楼宇管理系统的成本计算显然应包括每一控制点的连线和调试费用，因此，减少所需I/O点的数量，便可大大节省成本。
除此之外，例如，使用暖通空调专用变频器的系统只需安装一个三相的熔丝电源，而老系统需要配备热过载、电流互感器、电流表的星形/三角起动器，这样一算便可进一步节省成本。
上述例子的应用环境是特指已为VAV系统选择配备了一套AHU的地方，该系统的压力设计值为1916Pa、流量设计值为17.85m3/s，以此将VAV箱安放传感器位置处的管道静压力维持在374Pa。本例子采用一台功率55kW的电机，而AHU的流量控制选件则是采用进口导叶或通过串行通信方式与BMS系统一体化安装配置的暖通空调系统专用变频器。
如果采用一体化安装的暖通空调系统专用变频器，其节省的安装成本相当于采购和安装变频器总成本52%左右(即:使用变频器的成本仅占实际总成本的48%)。这还不包括不安装进口导叶所节省下来的部分，这部分通常可占变频器成本的35~60%，因此，一旦包括该部分，变频器就会成为成本最低的选择。如果仅仅根据基本安装节省成本(忽略进口导叶部分)以及每天18h、每年340天左右运行时间下的负载情况计算，由于节能量所带来的成本的节约，安装变频器的实际成本在运行6个月内就得以收回了。
除此之外，以上还未提及的是，变频器无需配备功率因数补偿电容，并且只需采用3根电缆即可, 而星形/三角起动器则需要6根;变频器不仅显示电机电流，而且还可以显示其它内容(电压、kWh、运行时间)，便于了解系统运行情况;风机加减速平稳, 可以将风机皮带的磨损度降到最低，而风机低速运行也能降低机械磨损程度，从而降低运行成本，这些都是应该考虑在内的。此外，BMS系统可以通过串行通信网络接收处理更多的系统信息。
(2) 定风量转换成单区变风量
传统的定风量(CAV)系统内不配备任何流量调节设备(如同其名称的含义)。需要调节的特定空间时时刻刻都在接收预先设计的固定气流，根据室内空气温度或回风温度，调节冷冻水阀门，以此改变供气温度。按照这种做法，几乎无法实现节能，如图2所示。
图2 定风量的传统控制方法
但是，如果CAV空气处理机组只能服务于一个大面积的单区(例如:医院、机场、旅馆、剧院/电影院和大型购物中心)，则可能安装一个变频器，来模拟VAV系统，以此节省能量。这种建筑类型通常符合变化比较大，由区域所占面积而定。因此，可根据其所占面积调节供风量。如图3所示。
图3 使用变频器将定风量单区转变成变量单区
只需安装一个变频器，便可根据室内或回风温度控制风机速度以调节供给至单区内的风量(其作用等同于变风量箱在VAV系统中的运行作用)。此外，还应在进风管道内安装一个温度传感器，用于调节冷冻水阀门，从而维持一个恒定的供风温度，其作用则等同于VAV系统的运行作用。供风温度可因此保持恒定不变，所控制区域则需要通过调整风量对其进行调节。
变频器的最小速度通常设定为额定转速的70%左右，以此维持供气质量。其速度的变化范围则从该速度/流量至最大值，具体情况取决于控制区域内温度(同上)或是控制区域内安装的供气质量传感器(例如:二氧化碳)，其具体数值会根据控制区域的所占面积而有所变动。
在这种情况下，如果是初次了解将变频器用于不配备流量控制器的传统应用时，可能会觉得该驱动器价格太贵。但是，必须记住，如果使用串行通信将暖通空调专用变频器与楼宇管理系统(BMS)一体化配置，则可在系统内部各处实现成本节省。根据系统设计构想，以上所示的传统型定风量系统如果要用于楼宇管理系统则至少需要大约11个硬接线输入/输出点，包括:
l 3x模拟输出点, 用于控制新风、回风和混合风挡板;
l 1x模拟输出点，用于控制冷却盘管的冷水阀门;
l 1x模拟输入点，用于监控室内空气温度/回气温度;
l 1x数字输出点，用于起动/停止风机;
l 1x数字输入点(和一个连通风机的压差开关)，用于检测气流/风机皮带的破损情况;
l 1x数字输入点, 用于[手动]-[停止]-[自动]状态切换;
l 2x数字输入点，用于运行/跳闸状态指示;
l 1x模拟输入点，用于监测电机电流，楼宇管理系统同时使用该数据进行耗电量(kWh)估算。
如果使用暖通空调系统专用的变频器，并将进气管道和进气管道静态高压传感器直接连于变频器，用串行通信将变频器与楼宇管理系统连成一体，此时只需安装一根电缆(一点)便可连接以下所有各点:
l 风机起动/停机;
l 室内(或区域)空气/回风温度;
l 风机皮带断裂的检测;
l 用于[手动]-[停止]-[自动]状态切换;
l 运行/跳闸状态指示;
l 电机电流和耗电量(kWh)。
如果使用变频器, 则只需使用剩余的4个模拟点, 另加一个温度传感器和模拟输入点。这样就可以减少6个I/O点。楼宇管理系统的成本计算显然应包括每一控制点的连线和调试费用, 因此，减少所需I/O点的数量, 便可大大节省成本。
正如在变风量应用情况下一样，除了上述节省成本之外，使用暖通空调专用变频器的系统只需安装一个三相的熔丝电源，而老系统需要配备热过载、电流互感器、电流表的星形/三角起动器，这样一算便可进一步节省成本。
以配备了一套单区定风量系统AHU的酒店会议室为例。该系统运行点的压力设计值为1200Pa、流量设计值为15.5m3/s，配备了一台功率为30kW的电机。这是应用于一个大型单区，我们对通过串行通信方式将变频器与BMS系统一体化安装配置包括温度传感器的系统和单区定风量系统进行成本评估。
如果采用一体化安装变频器，其购买及安装成本便可比使用进口导叶节省60%左右(即:变频器的实际成本仅占总实际成本的40%)。变频器在这一应用情况下的运行时间约为每天17h、每年365天左右。如果将气流速度/流量的最小值限制在70%, 以此维持供气质量, 由于能量成本有所节省, 安装变频器的实际成本在运行4个月内得以收回了。
其它有关变风量应用中的成本节约说明, 例如:进一步减少电机电缆的使用量, 简化操作等, 均也适用于此处。
(3) 其它应用
可对变频器的其它应用进行同类分析，包括:
l 冷凝水泵:按照传统的做法，冷凝水泵通常采用两通阀进行流量调节，将流量设定于冷冻机的设计流量值。如果打开阀门，使用变频器降低泵的转速来设置流量，系统就能更为有效地运行。
l 冷却塔风机:按照传统的做法, 冷却塔风机通常不加以控制, 只配备一个简易的开/关控制器或是双速电机。如果使用变频器, 则可将其与安装在冷却塔集水器或是冷凝水回路上的温度传感器直接连接。变频器可以任何必需的速度/流速调节冷却塔风机转速, 此确保流回冷冻机的回水温度维持于设计点, 从而大量节省能源、降低机械磨损并降低噪音。
l 一次泵:一次泵与冷凝水泵几乎完全相同, 因此, 变频器也可用作“电子”阀。
l 二次泵:可通过控制二次泵将系统最远端负载末端压差维持在一固定值，这样当冷却盘管的阀门处于任何开度(全开除外)时均能节省能量。
5 结束语
以上分析结果表明:在所有这些应用情况下，如果使用串行通信将暖通空调系统专用的变频器融入楼宇管理系统BMS内，安装变频器的实际成本则仅占表面成本的一小部分。同时，用变频器代替其它的一些流量调节或控制装置是最有效的节能方法。因此，这项解决方案可为系统提供最低的初期成本及最高的运行节能率。
参考文献
[1] VLT6000设计手册[Z]. 丹佛斯有限公司.
作者简介
Andrew Cooper 丹佛斯传动与控制部暖通空调系统亚太区业务经理, 暖通空调系统控制专家, 负责丹佛斯传动产品在亚太区暖通空调领域的推广。曾在国内外多家暖通杂志上发表过多篇关于暖通空调系统节能和运行优化的论文。
