地下水源熱泵空調系統(tǒng)的變頻控制

1、地下水源熱泵空調系統(tǒng)的變頻控制     簡介： 本文針對湖南某賓館采用的地下水源熱泵中央空調系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀，根據(jù)其自身特點提出對該系統(tǒng)空調水泵進行變頻控制節(jié)能改造的建議和方案，并采用當量峰值小時數(shù)法從節(jié)能性和靜態(tài)回收期兩方面詳細論證了該改造方案的可行性。結果證明，該改造方案在保證不低于熱泵機組對水量的最低要求的同時，根據(jù)負荷的變化自動調節(jié)水泵的流量，節(jié)能效果顯著，靜態(tài)回收期短，是切實可行的。關鍵字：地下水源熱泵 變頻控制 節(jié)約能源          1 引言 集中式

2、中央空調系統(tǒng)在為人們營造舒適環(huán)境的同時也帶來了能耗問題，如何既滿足空調舒適度，又最大限度的節(jié)約能源，已日益為人們所關注。目前空調系統(tǒng)設計和水泵等設備選型均是按最不利工況進行的，且留有一定的裕量。由于季節(jié)、晝夜和用戶負荷的變化，實際空調熱負載在絕大部分時間內遠比設計負載低，空調系統(tǒng)多數(shù)時間是在部分負荷下運行。而運行情況是空調水泵一年四季長期在額定工況下工作，只能通過節(jié)流來降低水流量滿足負荷的要求，使得水泵大部分功耗消耗在克服節(jié)流閥阻力上，浪費了水泵運行的輸送能量。一般空調水泵的耗電量約占總空調系統(tǒng)耗電量的20-30，故節(jié)約低負載時水系統(tǒng)的輸送能量，對降低整個空調系統(tǒng)能耗具有重要的意義。本文針對湖

3、南某賓館采用的地下水源熱泵系統(tǒng)，根據(jù)其運行現(xiàn)狀提出對該系統(tǒng)的空調水泵進行閉環(huán)自動變頻控制節(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可行的。2 空調系統(tǒng)概況該賓館位于長江中下游地區(qū)的湖南省西北部的澧縣，作者于2003年1月至3月對該賓館地源熱泵系統(tǒng)的冬季運行工況進行了測試，測試結果整理如表1。由于賓館的入住率、室外氣溫變化、人員活動內容等原因，該系統(tǒng)基本上是在設計負荷80及以下運行，其中運行于設計負荷的60以下的就占有63.48。顯然根據(jù)滿負荷狀態(tài)選取的熱泵機組、水泵等設備讓其在部分負荷下長期連續(xù)運行，設備大部分時間處于低效率工作狀態(tài)。該系統(tǒng)熱泵機組一大一小并聯(lián)運行，制熱量分別為

4、100KW、40KW；兩臺的并聯(lián)熱水循環(huán)泵型號相同，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行，始終處于工頻狀態(tài)下運轉。當機組處于部分負荷運行時，常常通過關小管路上的閥門來調節(jié)供水量，造成了極大的能源浪費，因此我們有必要對該空調系統(tǒng)進行一下改進。表1 該賓館冬季空調負荷時間頻數(shù)（） 負荷率405060708090100時間頻數(shù)5.0817.640.826.3710.150.070累計時間頻數(shù)5.0822.6863.4889.8599.93100100    3 改造方案的提出熱泵主機、深井泵和

5、熱水循環(huán)泵是賓館中央空調系統(tǒng)的主要組成部分，耗電量大。由圖2可以看出，在該空調系統(tǒng)中，熱泵機組的功耗占整個空調系統(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)省整個空調系統(tǒng)的能耗，除大力減少熱泵機組的能耗以外，減少空調水泵的能耗也是一個重要方面。該系統(tǒng)的地源熱泵機組本身即具有能量自動調節(jié)功能，可以在不改變制熱工況的前提下，改變壓縮機的輸氣量進而改變供液量來調節(jié)冷凝器的產熱量。同時，這又為水系統(tǒng)的變流量運行提供了基本條件。對于空調水泵而言，由于水泵處于定流量運行，在部分負荷狀態(tài)下常常只能通過調節(jié)管路上的水閥開度來改變水流量；同時因電機轉速不可調，電機只能工作在開和停兩種狀態(tài)，即使當熱

6、負荷很小時，也必須至少開一臺，電機軸上的輸出功率遠大于實際負荷的需要，從而造成不必要的能源浪費。根據(jù)水泵的相似律，水泵的流量、揚程、功率具有如下關系：（1）式中Q, H, N, n分別為水泵的流量、揚程、軸功率和轉速。從式（1）可以看出水泵的揚程與水泵流量的平方成正比，軸功率與流量的立方成正比，而流量又與轉速成正比。由此可見當電機的轉速稍有下降，電機的耗電量就會大幅度下降，節(jié)能效果顯著。水泵的變頻調速裝置就是通過調節(jié)水泵的轉速以使水泵流量隨負荷變化而變化，達到節(jié)能目的。4 水泵變頻調速工作原理及其控制方案4.1 水泵變頻調速原理水泵功率、流速、流量、揚程之間具有式（1）所示關系，又由于交流異步

7、電動機的轉速與電源頻率之間的關系為：（2）式中n，f，S，P分別為電機的轉速，供電電源頻率，轉差率，電機極對數(shù)。由式（2）可知，當轉差率變化不大時轉速正比于電源頻率，只要能平滑調節(jié)電源頻率，就能平滑調節(jié)電機轉速?！?】水泵變頻調速就是通過改變電源頻率來調節(jié)水泵轉速的一種方法。采用變頻技術結合合理的自控方案，對水泵進行變流量調節(jié)，不僅避免了采用閥門調節(jié)造成的浪費，而且還極大的提高控制和調節(jié)精度。同時采用變頻調速對電機實現(xiàn)軟啟動，無沖擊雜聲，還可以延長電機的使用壽命。4.2 深井泵變頻調速控制方案對于深井泵來說，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

8、井水的進出口溫差。如圖3所示，現(xiàn)采用溫度傳感器、變頻器、PID回路調節(jié)器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，按照57的溫差指標，深井水回水溫度控制在T（例如冬季12，夏季25），使深井水泵的轉速相應于熱負載的變化而變化。以冬季為例，當負荷增加時，深井水回水溫度降低，溫度傳感器將溫度信號（420mA）反饋至PID回路調節(jié)器中，PID調節(jié)器根據(jù)溫度設定值和溫度反饋值的偏差進行PID運算，然后輸入給變頻器一個提高電機運轉頻率的信號，加大水泵轉速和流量，直到溫度與設定值一致；反之負荷降低時，減小頻率，降低水泵轉速和流量。當水泵運行頻率降到控制儀表設定的低限值時，變頻器停止頻率的繼續(xù)降低，以滿足主機對流量的要求，對主機起

9、到保護作用。      4.3 熱水循環(huán)泵變頻調速控制方案由于該熱水循環(huán)系統(tǒng)由兩臺型號相同的水泵并聯(lián)運行，為了實現(xiàn)兩臺水泵電機轉速連續(xù)可調，使得水泵電機轉速根據(jù)實際熱負載的大小而設定，進而節(jié)約能源；同時也為了節(jié)省變頻器等設備的投資，作者擬采用一定一變形式，即只有一臺水泵配備變頻器作調速運行，另一臺仍為定速運行?？刂葡到y(tǒng)主要由內置PID的變頻器、PLC可編程控制器、壓差變送器、主接觸器等構成，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，時刻跟蹤著該信號與設定值（可取0.1Mpa）的偏差變化情況，經過變頻

10、器內置的PID調節(jié)器運算，利用PLC控制器實現(xiàn)水泵變頻與工頻的切換，自動控制水泵投入臺數(shù)和電機的轉速，實現(xiàn)閉環(huán)控制，自動調整恒壓差變量供水?！?】當系統(tǒng)負荷較小時，只需一臺電機工作在低于工頻狀態(tài)下即可滿足要求時，PLC利用變頻器軟啟動一臺水泵，根據(jù)壓差變送器反饋來的信號（010V）自動調節(jié)運行頻率。當熱負荷增大時，變頻器輸出頻率接近工頻而管網(wǎng)壓差仍達不到設定值，為了保證系統(tǒng)不頻繁切換水泵，延時一段時間，若壓差仍低于設定值時，則PLC將當前工作的變頻泵切換至工頻50HZ狀態(tài)下運行，關斷變頻器，再由變頻器從0HZ軟啟動下一臺水泵，并根據(jù)偏差變化情況及時利用變頻器調整到對應流量需要的頻率，實現(xiàn)一臺變

11、頻一臺工頻雙泵供水。反之，當負荷降低時，變頻器工作在基本頻率時，如果出口流量仍然很大，供水壓差高于設定值，同樣延時一段時間后，若壓差仍然很高，此時再由PLC關掉工頻控制方式的水泵，只由剩下的單泵變頻供水。無論系統(tǒng)是單泵變頻運行還是雙泵一定一變運行，均能實現(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)能計算5.1 變頻節(jié)能計算方法本文參照文獻【4】、【5】的算法，采用當量峰值小時數(shù)法計算空調運行期間的能耗，夏季當量小時數(shù)夏，冬季當量小時數(shù)冬，空調系統(tǒng)全年運行小時數(shù)t。設水泵的銘牌額定功率為N（KW），在未采用變頻技術的情況下，空調水泵的全年耗電量Q1為： Q1N·t ，K

12、Wh （3）而采用變頻調速后全年用電量Q2為：Q2=N·（夏+冬），KWh （4）則全年可節(jié)省的電量為QQ1Q2=N·t-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增加的初投資，元M1 每年節(jié)省的運行費用（主要是能源費用），元湖南省商業(yè)用電電價為0.98元/度。賓館全年以冬、夏兩季6個月運行計算，每天平均運行18個小時（6:00-24:00），文獻【5】的當量濕球溫度小時數(shù)的數(shù)據(jù)公式是針對上海地區(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

13、.43 tns （7）tns 室內設計濕球溫度值 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，擬選富士FRN7.5G11S-4CX變頻器一臺，市場報價6410元，加上其它外圍設備共計總投資為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M1靜態(tài)投資回收期n=0.79年，9個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，擬選富士FRN2.2G11S-4CX變頻器一臺，市場報價3920元，三菱FX2N-16MR-001 PLC可編程控制器一臺，市場報價3080元，加上其它外圍設備共計總投資為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M1靜態(tài)投資回收期n=1.5年，一年半即可回收初投資。6 結論綜上所述，根據(jù)地下水源熱泵中央空調系統(tǒng)的運行特點，提出采用變頻控制裝置對系統(tǒng)進行改造，在保證不低于熱泵機組對水量的最低要求，自動調節(jié)水泵流量以滿足負荷的變化，節(jié)能效果顯著，靜