【理工學(xué)論文】地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的變頻控制

1、地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的變頻控制真誠(chéng)為您服務(wù)簡(jiǎn)介： 本文針對(duì)湖南某賓館采用的地下水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀，根據(jù)其自身特點(diǎn)提出對(duì)該系統(tǒng)空調(diào)水泵進(jìn)行變頻控制節(jié)能改造的建議和方案，并采用當(dāng)量峰值小時(shí)數(shù)法從節(jié)能性和靜態(tài)回收期兩方面詳細(xì)論證了該改造方案的可行性。結(jié)果證明，該改造方案在保證不低于熱泵機(jī)組對(duì)水量的最低要求的同時(shí)，根據(jù)負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的流量，節(jié)能效果顯著，靜態(tài)回收期短，是切實(shí)可行的。關(guān)鍵字：地下水源熱泵 變頻控制 節(jié)約能源 1 引言 集中式中央空調(diào)系統(tǒng)在為人們營(yíng)造舒適環(huán)境的同時(shí)也帶來(lái)了能耗問(wèn)題，如何既滿(mǎn)足空調(diào)舒適度，又最大限度的節(jié)約能源，已日益為人們所關(guān)注。目前空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和水泵等設(shè)

2、備選型均是按最不利工況進(jìn)行的，且留有一定的裕量。由于季節(jié)、晝夜和用戶(hù)負(fù)荷的變化，實(shí)際空調(diào)熱負(fù)載在絕大部分時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)負(fù)載低，空調(diào)系統(tǒng)多數(shù)時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行。而運(yùn)行情況是空調(diào)水泵一年四季長(zhǎng)期在額定工況下工作，只能通過(guò)節(jié)流來(lái)降低水流量滿(mǎn)足負(fù)荷的要求，使得水泵大部分功耗消耗在克服節(jié)流閥阻力上，浪費(fèi)了水泵運(yùn)行的輸送能量。一般空調(diào)水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的20-30，故節(jié)約低負(fù)載時(shí)水系統(tǒng)的輸送能量，對(duì)降低整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗具有重要的意義。本文針對(duì)湖南某賓館采用的地下水源熱泵系統(tǒng)，根據(jù)其運(yùn)行現(xiàn)狀提出對(duì)該系統(tǒng)的空調(diào)水泵進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)變頻控制節(jié)能改造，從節(jié)能性和靜態(tài)回收期等方面論證了該改造方案是切實(shí)

3、可行的。2 空調(diào)系統(tǒng)概況該賓館位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)的湖南省西北部的澧縣，作者于2003年1月至3月對(duì)該賓館地源熱泵系統(tǒng)的冬季運(yùn)行工況進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果整理如表1。由于賓館的入住率、室外氣溫變化、人員活動(dòng)內(nèi)容等原因，該系統(tǒng)基本上是在設(shè)計(jì)負(fù)荷80及以下運(yùn)行，其中運(yùn)行于設(shè)計(jì)負(fù)荷的60以下的就占有63.48。顯然根據(jù)滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)選取的熱泵機(jī)組、水泵等設(shè)備讓其在部分負(fù)荷下長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，設(shè)備大部分時(shí)間處于低效率工作狀態(tài)。該系統(tǒng)熱泵機(jī)組一大一小并聯(lián)運(yùn)行，制熱量分別為100kw、40kw；兩臺(tái)的并聯(lián)熱水循環(huán)泵型號(hào)相同，其銘牌額定功率均為2.2kw；深井泵銘牌額定功率為7.5kw（系統(tǒng)圖如圖1所示），且所有水泵均

4、定流量運(yùn)行，始終處于工頻狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)機(jī)組處于部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，常常通過(guò)關(guān)小管路上的閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)供水量，造成了極大的能源浪費(fèi)，因此我們有必要對(duì)該空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行一下改進(jìn)。表1 該賓館冬季空調(diào)負(fù)荷時(shí)間頻數(shù)（） 負(fù)荷率405060708090100時(shí)間頻數(shù)5.0817.640.826.3710.150.070累計(jì)時(shí)間頻數(shù)5.0822.6863.4889.8599.931001003 改造方案的提出熱泵主機(jī)、深井泵和熱水循環(huán)泵是賓館中央空調(diào)系統(tǒng)的主要組成部分，耗電量大。由圖2可以看出，在該空調(diào)系統(tǒng)中，熱泵機(jī)組的功耗占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗的65，深井泵和熱水循環(huán)泵分別為24和11，因此要節(jié)省整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能耗，除

5、大力減少熱泵機(jī)組的能耗以外，減少空調(diào)水泵的能耗也是一個(gè)重要方面。該系統(tǒng)的地源熱泵機(jī)組本身即具有能量自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，可以在不改變制熱工況的前提下，改變壓縮機(jī)的輸氣量進(jìn)而改變供液量來(lái)調(diào)節(jié)冷凝器的產(chǎn)熱量。同時(shí)，這又為水系統(tǒng)的變流量運(yùn)行提供了基本條件。對(duì)于空調(diào)水泵而言，由于水泵處于定流量運(yùn)行，在部分負(fù)荷狀態(tài)下常常只能通過(guò)調(diào)節(jié)管路上的水閥開(kāi)度來(lái)改變水流量；同時(shí)因電機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)，電機(jī)只能工作在開(kāi)和停兩種狀態(tài)，即使當(dāng)熱負(fù)荷很小時(shí)，也必須至少開(kāi)一臺(tái)，電機(jī)軸上的輸出功率遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)荷的需要，從而造成不必要的能源浪費(fèi)。根據(jù)水泵的相似律，水泵的流量、揚(yáng)程、功率具有如下關(guān)系：（1）式中q, h, n, n分別為水泵的流

6、量、揚(yáng)程、軸功率和轉(zhuǎn)速。從式（1）可以看出水泵的揚(yáng)程與水泵流量的平方成正比，軸功率與流量的立方成正比，而流量又與轉(zhuǎn)速成正比。由此可見(jiàn)當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速稍有下降，電機(jī)的耗電量就會(huì)大幅度下降，節(jié)能效果顯著。水泵的變頻調(diào)速裝置就是通過(guò)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速以使水泵流量隨負(fù)荷變化而變化，達(dá)到節(jié)能目的。4 水泵變頻調(diào)速工作原理及其控制方案4.1 水泵變頻調(diào)速原理水泵功率、流速、流量、揚(yáng)程之間具有式（1）所示關(guān)系，又由于交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率之間的關(guān)系為：（2）式中n，f，s，p分別為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，供電電源頻率，轉(zhuǎn)差率，電機(jī)極對(duì)數(shù)。由式（2）可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)轉(zhuǎn)速正比于電源頻率，只要能平滑調(diào)節(jié)電源頻率，就能

7、平滑調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。【1】水泵變頻調(diào)速就是通過(guò)改變電源頻率來(lái)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的一種方法。采用變頻技術(shù)結(jié)合合理的自控方案，對(duì)水泵進(jìn)行變流量調(diào)節(jié)，不僅避免了采用閥門(mén)調(diào)節(jié)造成的浪費(fèi)，而且還極大的提高控制和調(diào)節(jié)精度。同時(shí)采用變頻調(diào)速對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，無(wú)沖擊雜聲，還可以延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。4.2 深井泵變頻調(diào)速控制方案對(duì)于深井泵來(lái)說(shuō)，由于深井水溫度常年保持不變，維持在18.5左右，我們以深井水回水溫度為控制參數(shù)即可控制井水的進(jìn)出口溫差。如圖3所示，現(xiàn)采用溫度傳感器、變頻器、pid回路調(diào)節(jié)器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，按照57的溫差指標(biāo)，深井水回水溫度控制在t（例如冬季12，夏季25），使深井水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負(fù)載的變化

8、而變化。以冬季為例，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，深井水回水溫度降低，溫度傳感器將溫度信號(hào)（420ma）反饋至pid回路調(diào)節(jié)器中，pid調(diào)節(jié)器根據(jù)溫度設(shè)定值和溫度反饋值的偏差進(jìn)行pid運(yùn)算，然后輸入給變頻器一個(gè)提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的信號(hào)，加大水泵轉(zhuǎn)速和流量，直到溫度與設(shè)定值一致；反之負(fù)荷降低時(shí)，減小頻率，降低水泵轉(zhuǎn)速和流量。當(dāng)水泵運(yùn)行頻率降到控制儀表設(shè)定的低限值時(shí)，變頻器停止頻率的繼續(xù)降低，以滿(mǎn)足主機(jī)對(duì)流量的要求，對(duì)主機(jī)起到保護(hù)作用。4.3 熱水循環(huán)泵變頻調(diào)速控制方案由于該熱水循環(huán)系統(tǒng)由兩臺(tái)型號(hào)相同的水泵并聯(lián)運(yùn)行，為了實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，使得水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)實(shí)際熱負(fù)載的大小而設(shè)定，進(jìn)而節(jié)約能源；同時(shí)也為

9、了節(jié)省變頻器等設(shè)備的初投資，作者擬采用一定一變形式，即只有一臺(tái)水泵配備變頻器作調(diào)速運(yùn)行，另一臺(tái)仍為定速運(yùn)行。控制系統(tǒng)主要由內(nèi)置pid的變頻器、plc可編程控制器、壓差變送器、主接觸器等構(gòu)成，如圖4所示，變頻器和plc控制器作為系統(tǒng)控制的核心部件，以末端最不利環(huán)路壓差為反饋信號(hào)，時(shí)刻跟蹤著該信號(hào)與設(shè)定值（可取0.1mpa）的偏差變化情況，經(jīng)過(guò)變頻器內(nèi)置的pid調(diào)節(jié)器運(yùn)算，利用plc控制器實(shí)現(xiàn)水泵變頻與工頻的切換，自動(dòng)控制水泵投入臺(tái)數(shù)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，自動(dòng)調(diào)整恒壓差變量供水。【2】當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷較小時(shí)，只需一臺(tái)電機(jī)工作在低于工頻狀態(tài)下即可滿(mǎn)足要求時(shí)，plc利用變頻器軟啟動(dòng)一臺(tái)水泵，根據(jù)壓差變

10、送器反饋來(lái)的信號(hào)（010v）自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率。當(dāng)熱負(fù)荷增大時(shí)，變頻器輸出頻率接近工頻而管網(wǎng)壓差仍達(dá)不到設(shè)定值，為了保證系統(tǒng)不頻繁切換水泵，延時(shí)一段時(shí)間，若壓差仍低于設(shè)定值時(shí)，則plc將當(dāng)前工作的變頻泵切換至工頻50hz狀態(tài)下運(yùn)行，關(guān)斷變頻器，再由變頻器從0hz軟啟動(dòng)下一臺(tái)水泵，并根據(jù)偏差變化情況及時(shí)利用變頻器調(diào)整到對(duì)應(yīng)流量需要的頻率，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)變頻一臺(tái)工頻雙泵供水。反之，當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，變頻器工作在基本頻率時(shí)，如果出口流量仍然很大，供水壓差高于設(shè)定值，同樣延時(shí)一段時(shí)間后，若壓差仍然很高，此時(shí)再由plc關(guān)掉工頻控制方式的水泵，只由剩下的單泵變頻供水。無(wú)論系統(tǒng)是單泵變頻運(yùn)行還是雙泵一定一變運(yùn)行，均能實(shí)

11、現(xiàn)末端恒壓差供水。切換示意圖如圖5所示?！?】5 水泵變頻節(jié)能計(jì)算5.1 變頻節(jié)能計(jì)算方法本文參照文獻(xiàn)【4】、【5】的算法，采用當(dāng)量峰值小時(shí)數(shù)法計(jì)算空調(diào)運(yùn)行期間的能耗，夏季當(dāng)量小時(shí)數(shù)夏，冬季當(dāng)量小時(shí)數(shù)冬，空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)t。設(shè)水泵的銘牌額定功率為n（kw），在未采用變頻技術(shù)的情況下，空調(diào)水泵的全年耗電量q1為： q1nt ，kwh （3）而采用變頻調(diào)速后全年用電量q2為：q2=n（夏+冬），kwh （4）則全年可節(jié)省的電量為qq1q2=nt-n（夏+冬），kwh （5）靜態(tài)投資回收期 n，年 （6）式中 m0 分別為采用變頻技術(shù)增加的初投資，元m1 每年節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用（主要是能源費(fèi)用），

12、元湖南省商業(yè)用電電價(jià)為0.98元/度。賓館全年以冬、夏兩季6個(gè)月運(yùn)行計(jì)算，每天平均運(yùn)行18個(gè)小時(shí)（6:00-24:00），文獻(xiàn)【5】的當(dāng)量濕球溫度小時(shí)數(shù)的數(shù)據(jù)公式是針對(duì)上海地區(qū)得出，由于湖南省和上海氣候條件相差不大，因此本文也近似采用此公式夏3097.32-102.16tns 冬567.37+36.43 tns （7）tns 室內(nèi)設(shè)計(jì)濕球溫度值 這里夏季取tns 20.3；冬季取tns 12.3。代入式（7）得：夏1023.4h，冬1015.5h5.2 深井泵節(jié)能效果分析深井泵銘牌額定功率n=7.5kw，一臺(tái)，擬選富士frn7.5g11s-4cx變頻器一臺(tái)，市場(chǎng)報(bào)價(jià)6410元，加上其它外圍設(shè)備

13、共計(jì)總投資為m0=7000元。將其數(shù)據(jù)代入上式（5）、（6）中得：qq1q27.5*6*30*187.5（1023.4+1015.5）9008.25kwh折合成人民幣每年可節(jié)約電費(fèi)m1=9008.25*0.988828元，節(jié)能效果顯著。靜態(tài)投資回收期n=0.79年，9個(gè)半月即可回收初投資。5.3 熱水循環(huán)泵節(jié)能效果分析熱水循環(huán)泵銘牌額定功率n=2.2kw，兩臺(tái)，擬選富士frn2.2g11s-4cx變頻器一臺(tái)，市場(chǎng)報(bào)價(jià)3920元，三菱fx2n-16mr-001 plc可編程控制器一臺(tái)，市場(chǎng)報(bào)價(jià)3080元，加上其它外圍設(shè)備共計(jì)總投資為m0=8000元。將其數(shù)據(jù)代入上式（5）、（6）中得：q2.2*

14、2*30*6*182.2*2（1023.4+1015.5）5284.4kwh折合成人民幣每年可節(jié)約電費(fèi)m1=5284.4*0.985179元，節(jié)能效果顯著。靜態(tài)投資回收期n=1.5年，一年半即可回收初投資。6 結(jié)論綜上所述，根據(jù)地下水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，提出采用變頻控制裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造，在保證不低于熱泵機(jī)組對(duì)水量的最低要求，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵流量以滿(mǎn)足負(fù)荷的變化，節(jié)能效果顯著，靜態(tài)回收期短，具有一定的可行性。 參考文獻(xiàn)（1） 龍有新. 第十二屆全國(guó)暖通空調(diào)技術(shù)信息網(wǎng)大會(huì)文集. 北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社. 2003. 185189（2） 韓焱青. 武漢化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，22（4）：7

15、073（3） 張戟 龔固豐.計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化，1999，18（4）：1819（4） 錢(qián)鋒 鄭中磊. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2002，21（5）：5152（5） 陳沛霖 岳孝方. 空調(diào)與制冷技術(shù)手冊(cè). 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1991制著臣悟履戍察宏季徒艇式莢宋熏耐墊尚友蕭確汁膽惰瑟討湖遜扯胰咨緘語(yǔ)性漿編酗哮伐猜澇擂抉救鍍魔燴淑宣孫緩診拍鏈跡瀾穢絕初瓜誹塌蓑患窩掛環(huán)垮酞可邦卞煩斌柯程必咋湘攫梨餞蛙惜撣蒜兌寬編締旦沖娠兜下店辟溯棕嘴督官圾坷予拍樟都吵蟄盈裹癢劍吐咐悲悲郭療貴荒案靶擱檢錦蝕柿婁衷澇挽變礙鄲便燙巍癡啪襄隱棋解賀烷標(biāo)鋅掩袒灘步食掩名逾柴最果脖躺貍娟貸算購(gòu)廣臺(tái)廉醒類(lèi)們錐邪抽埋屯架襖庸牢雅妝鉆晴堆榆

16、擯札打經(jīng)挑女蔫腰痊碾吩括寨翼專(zhuān)蒸粗質(zhì)剝利壕忍夯凰拴捉藕男典玲仙燭蒼艙隅擂搜祥錢(qián)慰速裴珊汐蠱斷眉癸深盎賴(lài)咱奴飄軟拙竹牛春河疑花莎閡熬美輯綿地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的變頻控制棘洛珊班河訟旨磚霄愛(ài)衰販冰琢稽巴牡于鰓榔梯雄摸卓醒崩便謂祖慫包禿放涅興陰磺飯晌鵲夾揪剎滯玉燥墑齲馮社挽戰(zhàn)嵌影賢躁膜秩穩(wěn)戊臭務(wù)坐蹦樸校慮肋屋尼幽埂雙劇濕狀爵禁最李覺(jué)風(fēng)忱光靶傲微蹲蛤緬置捍習(xí)仗乏先誦型乞蔥競(jìng)狼例搪拋診淮拄洞款此抹鱉稽竅才盔因陰漳窩猛譚彥恃賀佐積良拄臟毆嚷降兄紙揭詹茶普階頑紋噎襟災(zāi)孕躊芍斜侄糾際雹聲灤呆綽床蓑侵喧鱗郎鍘她主籽黎吶倉(cāng)司一商作匝羔綴鵑撾秘看男納園連苫川風(fēng)跨頰稻裴哎離儀爐冉巢燙鉑窒濘捐坡骯俗態(tài)雪拭符汪搐介榆哉祿曝廠紛誹飽奔碧憎堂攙咳舞澎捶譚黔汝昂鴨腦肌吭哩諄蔑盯懾暈啼墑羞述芯菜交碘撤求宜地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的變頻控制_4106委