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变频技术在热泵采暖水系统的应用
2018-01-11  来源:恒星市场部    发布者:市场部

摘要:基于制冷剂R134a的压焓图,对热泵系统各运行参数的数值查询及理论计算,揭示了蒸发温度、冷凝温度、过冷度、过热度对制热系数COP及压缩机排气温度的影响程度。在常温热泵的运行条件下,选取蒸发温度20~44℃,冷凝温度40~60℃,同一冷凝温度下,过冷度0~10℃,同一蒸发温度下,过热度0~14℃,由此形成不同组合运行参数下的热泵理论循环,并计算此运行条件下的系统制热系数COP。进行广泛、大量的运行参数数值计算及综合量化对比,为热泵高效运行的控制提供理论依据。

热泵采暖系统分为冷媒系统和水系统两部分。冷媒系统的节能方案在现行的大量文献已有涉及,本文不多作论述。水系统方面,对于大多数空调制冷行业出身的业内人士来说,尚未有过多相关经验。本文从热泵采暖系统结构原理特点以及实际应用环境负荷变化对水系统的要求角度进行分析,提出了利用变频技术调节水泵电机的转速,进而调节流量和压力的变化,取代用阀门控制流量,以增加系统运行的稳定性和可靠性,可以带来明显的节能效果和良好的经济效益。

一、热泵采暖系统工作原理及特点

热泵采暖系统是由一连串的流体机械和热交换器组合而成的。它主要由制冷系统、水循环系统、地暖管系统和风机盘管系统四部分组成。图1为典型热泵采暖系统工作原理示意图。

热泵采暖系统的特点如下:

1. 冷热负荷要求的不均匀性。

在热泵采暖系统设计时,为保证在大气温度最低的情况下能满足使用要求,所以按最大负荷设计并有15%左右的富裕量,而平时使用时并不能达到满负荷,所以存在较大裕度,其中热泵主机可以根据负载变化使用变频压缩机或者并联多台主机来自动加载、卸载,而水泵的流量如不能随热泵主机进行调节,必然存在很大的能量浪费。

除此之外,每年的气象条件是随季节呈周期性变化的。据统计,国内中央空调水泵在满负荷情况下运行的时间较少,大部分时间运行在总负荷的60%~80%之间(如图2)。而从欧盟ERP指令中关于水泵EEI指数计算流量、时间百分比来看(如表1),欧洲采暖系统水泵运行负荷更多集中在50%以下,这可能和欧洲建筑保温效果好有很大关系。

图2.水泵运行时间与流量百分比关系

表1.欧洲ERP指令中水泵EEI指数计算流量、时间百分比

2. 热泵采暖系统一般都是二联供(采暖+制冷或者采暖+生活热水)或者三联供(采暖+制冷+生活热水),采暖一般采用地暖管,而制冷一般是风机盘管的散热方式(如图1)。

在采暖和制冷系统中冷热负荷要求不同,对水泵流量要求也不同;同时在采暖和制冷系统中的系统阻力也不同,对水泵的扬程要求也不同。理论来讲应该选择两台水泵以匹配不同的系统。如果只选择一台水泵依靠三通阀来切换水路,则水泵只能满足一种工况要求。由于风机盘管的水阻远大于地暖管,水泵选型时为保证在制冷工况下能满足风机盘管的要求,一般选择较大水泵。采暖时,水系统通过节流阀或调节阀来调节流量、压力,存在较大节流损失和大流量小温差的现象。不仅浪费大量电能,而且还可能造成热泵运行大幅度偏离额定设计的情形,对系统设备带来不利的影响。

3. 房间热(冷)负荷变化时,热泵采暖水系统的水泵和家用空调压缩机有异曲同工之处,如果水泵电机启停频繁,会使得房间温度波动大,严重影响舒适性。

水泵电机启动电流通常为额定值的5倍左右,在如此大的电流冲击下,进行频繁的启停,对电机、接触器触点、空气形状触点产生电弧冲击,也会给电网带来一定冲击,同时启动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会对机械传动、轴承、阀门等造成疲劳损伤,对设备长期安全运行带来不利影响。

因此,系统运行中应尽可能地采取措施满足最佳工况条件。如何改善热泵主机及输送系统的性能,使之能够在部分负荷条件下高效运行,一直是行业内关注的课题。

二、变频节能技术的应用

目前,变频调速技术是逐渐被人们重视并正在暖通行业中得到迅速发展和应用的一项节能技术,变频调速技术可有效改良热泵采暖水系统的不足,提高系统效率及设备可靠性,降低设备能耗。热泵采暖系统水泵的流量理应按照最大制热量来设计。而一般供回水设计温差为5℃~7℃,在流量稳定情况下,热泵采暖系统绝大部分时间是在部分负荷下运行的。在采暖季绝大部分运行时间里,一般热泵采暖水系统的供回水温差仅为1℃~3℃,那么按照最大制热量设计的水泵,实际热交换量就远小于设计值。如果当需求减少时通过控制阀趋向关闭的位置,系统阻力增加,组合在一起的水泵和系统只能工作在水泵特性曲线和系统控制特性曲线的交点处。

如图3所示,当水泵恒速运行并用控制阀控制流量使之由Qa变到Qb时,也就是说当流量减少时水泵的出口压力将由Ha增加到Hb,系统则要求出口的压力不太高。因为过高的压力将由控制阀来吸收,所吸收的压力是随流量的不同而有所变化的,这一压力可能会大于按照运行需要控制阀能够承受的压力设计值,使得控制阀被迫打开造成冷热不均的现象发生,不仅浪费能源还加速阀的磨损,减少阀的使用寿命,系统的性能不能得到满足,同时增加了维护费用。

图3.水泵及系统控制特性曲线

而热交换量的大小取决于水的流量,水的流量又取决于水泵的转速。若水泵电机的转速能根据热负荷来调整,当热负荷减小时,电机的转速也相应地降低,电机的耗电量就会大幅度下降,则电机的功耗将明显减少,从而达到节能目的。变频水泵使用永磁电机后,电机效率的大幅度提高,也给节能带来巨大效果。

以定速水泵和变频节能泵都运行在最大功率(速度)来计算,供暖季为4个月,每月按30天计,每天24 小时,80%时间水泵在运转,则定速水泵总耗电量为:

P=0.19kW×24×80%×30×4=437.76kWh

变频节能水泵总耗电量为:

P=0.087kW×24×80%×30×4=200.45kWh

表2.北京市居民生活用电电价表

可见,后者节能效果达到54%。同时当热负载降低时,定速泵始终维持最大速,而变频泵可以降速,这使所消耗的功率更低,综合计算,节能泵比定速泵节能75%左右。以电价为0.53元/kWh来算,在一个供暖季,单户家庭节省电费174元。如果把夏天制冷时也考虑进去则经济效果更显著,大约1~2年可以收回额外的投资成本。

采用变频泵后还可以去掉调节阀,不但降低了系统的成本,还提高了系统可靠性并减少了能量损失,无论对厂家还是对用户都是非常有利的。可见,使用变频水泵不但与变频空调有异曲同工之妙,可实现快速冷暖,温度控制精度高,具有更好的用户体验,而且在节能以及经济效益方面也有很大的提高。

从热泵采暖系统的原理可以得知,系统的热(冷)量是通过水泵来泵送载冷剂(一般水或者防冻液)循环来完成的。在常规的恒定水流量的情况下,供回水温差即反映出系统热(冷)负荷的大小。

在热泵采暖水系统中,为了便于调节,宜采用两级泵系统。一级泵是用来维持通过热泵机组冷凝器(蒸发器)的水流量稳定,确保机组安全、高效地运行,一般采用定转速的水泵。二级泵是用来克服热(冷冻)水输送管路及末端装置的阻力,起到输送热(冷)量的作用。为了节能二级泵采用可调速水泵,调节方法通常是根据供回水温差来控制循环水的流量,从而控制热交换的速度。

通常情况下,热(冷冻)水供水温度是我们事先设定好的,在热(冷冻)水流量不变的情况下,回水温度高低就反映出室温的高低。在室内负荷较小时,我们可以通过变频调节,降低水泵的转速,减少水泵流量,来满足室内负荷的要求,同理,在室内负荷增加时,我们可以通过提高水泵频率,增加水泵的转速,增加水泵流量,满足室内负荷的要求。通过以上的运行调节,可以为我们节约大量的能源。

对于一些大型的热泵供暖系统,也可以通过在供回水总管间安装压差控制阀,当末端设备水流量发生变化时,供回水总管间压力差随之变化,通过压差控制阀的调节,保证机组水流量的稳定。在其他条件不变时,降低冷凝温度可以提高热泵机组COP,降低单位制热量的能耗。

由负荷计算公式Q=KF(Tc-Tw)知,要维持冷凝器的负荷Q不变,在降低冷凝温度Tc 的同时,必须降低供水温度Tw,则必须提高水流量。但是,很多实际工程测试数据表明,在一些大型的小区热泵供热系统中,由于水泵功率占整个系统功耗较大,过度的增加水流量减小传热温差,反而使得整机能效下降。一般水泵功率占整个系统功耗百分比越大,建议供回水换热温差越大,在某些情况下可以放大到10℃~12℃。因此,综合考虑水泵功耗与热泵机组功耗的匹配,才会有一个最佳节能效果。

三、结论

从以上分析可知采用变频水泵的热泵采暖水系统具有明显的优势。变频水泵提高了热泵系统运行稳定的可靠性,延长水泵、电机以及管道系统的使用寿命;可实现快速冷暖,温度控制精度高,具有更好的用户体验;减少了设备磨损,降低了维修费用及故障率;节约了能源消耗。

随着节能意识的深入普及,会有更多变频技术应用于热泵采暖系统,也会获得更为理想的运行效果。

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