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變頻技術在熱泵采暖水系統中的應用
2018-09-06  來源:互聯網轉載    發布者:小A

熱泵采暖系統分為冷媒系統和水系統兩部分。本文從熱泵采暖系統結構原理特點以及實際應用環境負荷變化對水系統的要求進行分析,提出了利用變頻技術調節水泵電機的轉速,來調節流量和壓力的變化取代用閥門控制流量,增加系統運行的穩定性和可靠性的解決方案,可以帶來明顯的節能效果和良好的經濟效益。

一、熱泵采暖系統工作原理及特點

熱泵采暖系統是由一連串的流體機械和熱交換器組合而成的。它主要由制冷系統、水循環系統、地暖管系統和風機盤管系統四部分組成。圖1為典型熱泵采暖系統工作原理示意圖。

熱泵采暖系統的特點如下:

1. 冷熱負荷要求的不均勻性。

在熱泵采暖系統設計時,為保證在大氣溫度最低的情況下能滿足使用要求,所以按最大負荷設計并有15%左右的富裕量,而平時使用時并不能達到滿負荷,所以存在較大裕度,其中熱泵主機可以根據負載變化使用變頻壓縮機或者并聯多臺主機來自動加載、卸載,而水泵的流量如不能隨熱泵主機進行調節,必然存在很大的能量浪費。

除此之外,每年的氣象條件是隨季節呈周期性變化的。據統計,國內中央空調水泵在滿負荷情況下運行的時間較少,大部分時間運行在總負荷的60%~80%之間(如圖2)。而從歐盟ERP指令中關于水泵EEI指數計算流量、時間百分比來看(如表1),歐洲采暖系統水泵運行負荷更多集中在50%以下,這可能和歐洲建筑保溫效果好有很大關系。

2. 熱泵采暖系統一般都是二聯供(采暖+制冷或者采暖+生活熱水)或者三聯供(采暖+制冷+生活熱水),采暖一般采用地暖管,而制冷一般是風機盤管的散熱方式(如圖1)。

在采暖和制冷系統中冷熱負荷要求不同,對水泵流量要求也不同;同時在采暖和制冷系統中的系統阻力也不同,對水泵的揚程要求也不同。理論來講應該選擇兩臺水泵以匹配不同的系統。如果只選擇一臺水泵依靠三通閥來切換水路,則水泵只能滿足一種工況要求。由于風機盤管的水阻遠大于地暖管,水泵選型時為保證在制冷工況下能滿足風機盤管的要求,一般選擇較大水泵。采暖時,水系統通過節流閥或調節閥來調節流量、壓力,存在較大節流損失和大流量小溫差的現象。不僅浪費大量電能,而且還可能造成熱泵運行大幅度偏離額定設計的情形,對系統設備帶來不利的影響。

3. 房間熱(冷)負荷變化時,熱泵采暖水系統的水泵和家用空調壓縮機有異曲同工之處,如果水泵電機啟停頻繁,會使得房間溫度波動大,嚴重影響舒適性。

水泵電機啟動電流通常為額定值的5倍左右,在如此大的電流沖擊下,進行頻繁的啟停,對電機、接觸器觸點、空氣形狀觸點產生電弧沖擊,也會給電網帶來一定沖擊,同時啟動時帶來的機械沖擊和停止時的承重現象也會對機械傳動、軸承、閥門等造成疲勞損傷,對設備長期安全運行帶來不利影響。

因此,系統運行中應盡可能地采取措施滿足最佳工況條件。如何改善熱泵主機及輸送系統的性能,使之能夠在部分負荷條件下高效運行,一直是行業內關注的課題。

二、變頻節能技術的應用

目前,變頻調速技術是逐漸被人們重視并正在暖通行業中得到迅速發展和應用的一項節能技術,變頻調速技術可有效改良熱泵采暖水系統的不足,提高系統效率及設備可靠性,降低設備能耗。

熱泵采暖系統水泵的流量理應按照最大制熱量來設計。而一般供回水設計溫差為5℃~7℃,在流量穩定情況下,熱泵采暖系統絕大部分時間是在部分負荷下運行的。如果按照最大制熱量設計的水泵,在采暖季絕大部分運行時間里一般熱泵采暖水系統的供回水溫差僅為1℃~3℃,實際熱交換量遠小于設計值。如果當需求減少時通過控制閥趨向關閉的位置,系統阻力增加,組合在一起的水泵和系統只能工作在水泵特性曲線和系統控制特性曲線的交點處。如圖3所示。當水泵恒速運行并用控制閥控制流量使之由Qa 變到Qb 時,也就是說,當流量減少時水泵的出口壓力將由Ha 增加到Hb ,要求出口的壓力不致太高。因為過高的壓力將由控制閥來吸收。所吸收的壓力是隨流量的不同而有所變化的,這一壓力可能會大于按照運行需要控制閥能夠承受的壓力設計值,使得控制閥會被迫打開造成冷熱不均的現象發生,不僅浪費能源還加速閥的磨損減少閥的使用壽命,系統的性能不能得到滿足還增加維護費用。

而熱交換量的大小取決于水的流量,水的流量又取決于水泵的轉速。若水泵電機的轉速能根據熱負荷來調整,當熱負荷減小時,電機的轉速也相應地降低,電機的耗電量就會大幅度下降,則電機的功耗將明顯減少,從而達到節能目的。變頻水泵使用永磁電機后,電機效率的大幅度提高,也給節能帶來巨大效果。

以戶式熱泵采暖水系統應用較為廣泛的8米揚程水泵為例,行業知名品牌普通定速水泵UPS 25-80的最大功率為190W,而最新一代專門針對熱泵系統符合ERP指令水泵UPM GEO 25-85的最大功率僅為87W:

? 以定速水泵和變頻節能泵都運行在最大功率(速度)來計算, 供暖季為4個月,每月按30天計,每天24小時,80%時間水泵在運轉

? 定速水泵總耗電量為:

P = 0.19kw x 24 x 80% x 30 x 4 = 437.76kwh

變頻節能水泵總耗電量為:

P = 0.087kw x 24 x 80%x 30 x 4 = 200.45kwh

節能效果達到54%。同時當熱負載降低時,定速泵始終維持最大速,而變頻泵可以降速,這使所消耗的功率更低,綜合計算,節能泵比定速泵節能75%左右。以電價為人民幣0.53/kwh來算,在一個供暖季,單戶家庭節省電費174元。如果把夏天制冷時也考慮進去則經濟效果更顯著,大約1-2年可以收回額外的投資成本。

采用變頻泵后還可以去掉調節閥,不但降低了系統的成本,還提高了系統可靠性和減少了能量損失,無論對廠家還是對用戶都是非常有利的??杉?,使用變頻水泵不但可以與變頻空調有異曲同工之妙可實現快速冷暖,溫度控制精度高,具有更好的用戶體驗,在節能以及經濟效益方面也有很大的提高。

從熱泵采暖系統的原理可以知道,系統的熱(冷)量是通過水泵來泵送載冷劑(一般水或者防凍液)循環來完成的。在常規的恒定水流量的情況下,供回水溫差即反映出空調系統熱(冷)負荷的大小。

在熱泵采暖水系統中,為了便于調節,宜采用兩級泵系統。一級泵是用來維持通過熱泵機組冷凝器(蒸發器)的水流量穩定,確?;榘踩?、高效地運行,一般采用定轉速的水泵。二級泵是用來克服熱(冷凍)水輸送管路及末端裝置的阻力,起到輸送熱(冷)量的作用,為了節能二級泵采用可調速水泵,調節方法通常是根據供回水溫差來控制循環水的流量,從而控制熱交換的速度是比較合理的控制方法。通常情況下,熱(冷凍)水供水溫度是我們事先設定好的,在熱(冷凍)水流量不變的情況下,回水溫度高低就反映出室溫的高低。在室內負荷較小時,我們可以通過變頻調節,降低水泵的轉速,減少水泵流量,來滿足室內負荷的要求,同理,在室內負荷增加時,我們可以通過提高水泵頻率,增加水泵的轉速,增加水泵流量,滿足室內負荷的要求。通過以上的運行調節,可以為我們節約大量的能源。

對于一些大型的熱泵供暖系統,也可以通過在供回水總管間安裝壓差控制閥,當末端設備水流量發生變化時,供回水總管間壓力差隨之變化,通過壓差控制閥的調節,保證機組水流量的穩定。在其它條件不變時,降低冷凝溫度可以提高熱泵機組COP,降低單位制熱量的能耗。由負荷計算公式Q= KF(Tc-Tw)知,要維持冷凝器的負荷Q 不變,在降低冷凝溫度Tc的同時,必須降低供水溫度Tw,否則必須提高水流量。但是,很多實際工程測試數據表明,在一些大型的小區熱泵供熱系統中,由于水泵功率占真個系統功耗較大,過度的增加水流量減小傳熱溫差,反而使得整機能效下降。一般水泵功率占整個系統功耗百分比越大,建議供回水換熱溫差越大,在某些情況下可以放大到10℃~12℃。因此,綜合考慮水泵功耗與熱泵機組功耗的匹配,才會有一個最佳節能效果。

三、結論

從以上分析可知采用變頻水泵的熱泵采暖水系統具有明顯的優勢。變頻水泵提高了熱泵系統運行的穩定性和可靠性,延長水泵、電機以及管道系統的使用壽命??墑迪摯燜倮澠?,溫度控制精度高,具有更好的用戶體驗。減少了設備磨損,降低了維修費用及故障率。節約了能源消耗。

隨著節能意識的深入與普及,會有更多變頻技術應用于熱泵采暖系統上,獲得更為理想的運行效果。

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