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 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)了能耗問題，如何既滿足空調(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)備選型均是

2、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，只能通過節(jié)流來(lái)降低水流量滿足負(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)可行的。2

3、 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），且所有水泵均定流量運(yùn)行

4、，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)，常常通過關(guān)小管路上的閥門來(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，除大力減少熱

5、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)下常常只能通過調(diào)節(jié)管路上的水閥開度來(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分別為水泵的流量、揚(yáng)程、

6、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，就能平滑調(diào)節(jié)電

7、機(jī)轉(zhuǎn)速?！?】水泵變頻調(diào)速就是通過改變電源頻率來(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)載的變化而變化。以

8、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)也為了節(jié)省變

9、頻器等設(shè)備的投資，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?？刂葡到y(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?！?】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)壓差變送器反饋來(lái)

10、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)現(xiàn)末端恒壓

11、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），元湖南省商

12、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)備共計(jì)總投資

13、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*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)水泵流量以滿足負(fù)荷的變化，節(jié)能效果顯著，靜態(tài)