水環(huán)熱泵系統(tǒng)的變水量運行及其相關問題

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簡介：京杭大運河有著千年的歷史，千里的長度。溝通五水系，流經(jīng)六省市，集航運、灌溉、防洪工程于一體，是古代中國南北方向唯一的內(nèi)陸水上交通大動脈，工程歷史悠久，內(nèi)涵豐富。結合南水北調(diào)從規(guī)劃京杭大運河工程地理位置因素的考慮，對歷史政治、經(jīng)濟及軍事等方面的作用以及規(guī)劃思想、治理策略研討。

　　關鍵字：京杭大運河 地理位置因素

　　經(jīng)濟摘要：本文從理論上闡述了水環(huán)熱泵系統(tǒng)變水量運行的經(jīng)濟意義，并且針對工程實際提出了水環(huán)熱泵變水量系統(tǒng)的水泵配置及其控制方式。

　　關鍵詞：水環(huán)熱泵 變水量 水泵 控制

　　Abstract： in this paper， presents economic idea about VWV of water recourse heat pump in the theory. Introduces water pump arrangement about VWV system of water recourse heat pump and control about it from engineering .

　　Keyword： water recourse， VWV， water pump， control

　　目前在房地產(chǎn)領域水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)由于其具有系統(tǒng)效率高（相比風冷熱泵系統(tǒng)）、投資零活、便于獨立計費等特點應用相當廣泛，也取得了一定地經(jīng)濟效益。然而該系統(tǒng)在使用過程中也暴露了一些問題。如在部分負荷條件下如何減少水泵的運行電耗？

　　在房地產(chǎn)項目的空調(diào)系統(tǒng)中目前多采用分區(qū)分戶獨立設置水環(huán)熱泵機組，使用時各區(qū)（戶）根據(jù)自身需要決定開停時間和所需的溫度。冷卻水系統(tǒng)集中設置。收費時各區(qū)（戶）各自電表分別計費，集中設置的水泵和冷卻塔的電費由各家用戶分攤。這樣就帶來了一個問題在過渡季節(jié)和只有少數(shù)用戶入住的情況下如何減少水泵的電耗。關于這一點我們自然會想到讓水泵采用變水量運行。但問題在于常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍水泵的變水量的極限范圍是由冷水機組蒸發(fā)器型式?jīng)Q定的，一般是滿液式蒸發(fā)器不小于額定水量的70％，干式蒸發(fā)器和溴化鋰機組蒸發(fā)器不小于額定水量的50％。但對于水環(huán)熱泵系統(tǒng)而言其部分負荷有可能達到10％甚至以下，如何在這樣小的負荷下保持水系統(tǒng)的經(jīng)濟運行呢？水系統(tǒng)在設計中又要采取哪些措施呢？

　　第一：各臺水環(huán)熱泵機組的冷卻水進品均設置二通閥，其開關與機組聯(lián)動，機組開其開，機組關其也關閉。

　　第二：機組側水泵的開停與二通閥聯(lián)動，系統(tǒng)中只要有一只二通閥處于開啟狀態(tài)機組側水泵就投入運行．

　　第三：機組側水泵根據(jù)供回壓差進行變頻控制．

　　第四：水泵在系統(tǒng)設計過程中應考慮負荷特點合理搭配大?。?/p>

　　第五：冷卻塔（鍋爐）側水泵根據(jù)系統(tǒng)回水溫度決定開停．（32℃以上或16℃以下）

　　上述方案在執(zhí)行過程中主要要解決兩個問題。第一是根據(jù)負荷特點如何合理配置機組側水泵。第二是系統(tǒng)采用何種控制方式．針對這兩點我們分別給與闡述．

　　1 機組側水泵配置

　　采用水泵變速運行的變水量系統(tǒng)在選擇水泵時應注意兩點，

　　第一，要防止變速后水泵的振動頻率與隔振裝置的固有頻率相同形成共振。

　　第二，要防止水系統(tǒng)由于二通閥的關閉造成其管路特性曲線的變化，從而使水泵的工作點進入喘振區(qū)。（關于這一點可在水泵選型時由生產(chǎn)廠家來進行校核）

　　下面我們通過一個個工程實例來說明變水量系統(tǒng)的水泵選型。某房地產(chǎn)工程采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，其冷卻水總量為600t/h，該系統(tǒng)最小負荷有可能達到設計負荷的5%.，正常情況下配置三臺水泵，每臺流量為200 t/h.假設水泵的額定轉速均為1450r/min.當部分負荷為5%時，如果循環(huán)水量隨之降低，那么水泵此時的轉速將要達到218 r/min（定壓系統(tǒng)水泵流量與轉速成一次方關系）。那么這時會發(fā)生什么情況呢？

　　我們知道一臺轉速為1450 r/min水泵的振動頻率約為24HZ，當水泵轉速減為218 r/min時水泵的振動頻率約為3.6HZ.而一般的減震器的固有頻率約在3~6HZ.這樣水泵在減速過程中就會發(fā)生共振。因此為了防止共振（同時也為了控制水泵振動的傳遞率），對與一般民用建筑而言水泵振動頻率與減震器固有頻率之比應在2.5以上。本例中假定減震器固有頻率為6HZ，那么水泵的振動頻率應在15HZ以上，水泵的轉速最低應不小于900 r/min（此時水泵流量約為120 t/h）。這個轉速正好對應系統(tǒng)處于20%的部分負荷下。因此為了保證系統(tǒng)處于更低負荷時水泵也能經(jīng)濟運行，我們在水系統(tǒng)設計中另外配置了一臺小水泵。

　　小水泵配置依據(jù)是當一臺大水泵運行至其最低轉速時，如果系統(tǒng)負荷仍進一步下降，那么大水泵停機，開啟小水泵。也就是小水泵的最大流量為一臺大水泵的調(diào)速后的最小流量。

　　本例中小水泵的流量應為120 t/h（其額定轉速仍為1450 r/min）。當其轉速為900 r/min時，流量約為75 t/h，這個流量約對應12.5%的部分負荷。這樣的水泵配置基本上可滿足水系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。如果還需隨負荷下降進一步降低水流量，那還可配一臺更小流量的水泵。其原則同。本例中這臺水泵的額定流量為75 t/h（額定轉速為1450 r/min），當其轉速降為900 r/min時，水泵流量降為45 t/h，基本對應系統(tǒng)7.5%的部分負荷。這種配置方式可進一步降低水泵在低負荷時的電耗。

　　2 變水量系統(tǒng)控制方式

　　變水量系統(tǒng)采用DDC控制方式，這種控制方式的優(yōu)點是（1）整個系統(tǒng)系統(tǒng)可靠、節(jié)能。（2）產(chǎn)品價格日趨低廉、安裝費用低、節(jié)省空間。（3）使用方便、升級容易、安全性強。（4）有技術支持。（5）可以實現(xiàn)水泵軟啟動，使啟動過程對電網(wǎng)影響小。

　　整個控制系統(tǒng)是在每個樓層或一定的空調(diào)區(qū)域設置一臺現(xiàn)場控制器，當有一臺水環(huán)熱泵機組投入使用后與其對應的二通閥即打開（機組與二通閥間的控制由機組自身配套控制器實現(xiàn)）。二通閥開戶信號傳至現(xiàn)場控制器，再由現(xiàn)場控制器將信號傳至整個樓宇的中央集中控制器，最后由中央集中控制器將信號傳至水泵，控制水泵啟動。當系統(tǒng)中所有水環(huán)熱泵機組均停止工作時，所有二通閥均關閉，此時沒有信號傳至現(xiàn)場控制器，中央集中控制器也無信號輸入，這時其即控制水泵關閉。

　　中央集中控制器將信號傳至水泵（組）后，水泵啟動。根據(jù)上面的例子75 t/h流量的小水泵先啟動。該水泵啟動后其轉速由機組側的供回水壓差控制，隨著系統(tǒng)中投入運行的機組增多，呈開啟狀態(tài)的二通閥也隨之增多，系統(tǒng)供回水壓差逐漸減小，水泵的轉速逐漸提高。當小水泵的轉速達到其額定轉速后供回水壓差如果再減小，這臺小水泵停止運行，流量為

　　120 t/h的水泵接著投入運行，如果系統(tǒng)中呈開啟狀態(tài)的二通閥繼續(xù)增多，系統(tǒng)供回水壓差繼續(xù)減小，水泵的轉速繼續(xù)提高，當水泵達到其額定轉速時，如果供回水壓差再下降那么這臺水泵停止運行，一臺200 t/h流量的水泵開始投入。這臺水泵的轉速仍由供回水壓差控制逐漸提高，當達到其額定轉速后，如果供回水壓差再下降，第二臺200 t/h流量的水泵投入運行。這時第一臺200 t/h流量的水泵減速，這兩臺水泵同時受供回水壓差控制保持同步轉速。當這兩臺水泵均達到額定轉速后，如果壓差繼續(xù)下降那么第三臺200 t/h流量的水泵繼續(xù)投入運行。此時原來達到額定轉速的兩臺水泵減速，三臺水泵同受供回水壓差控制保持同步轉速，直至系統(tǒng)達到滿負荷狀態(tài)三臺水泵均達到額定轉速。

　　對于冷卻塔（鍋爐）側水泵其開停受機組側水泵的回水溫度控制，采用定水量運行模式?；厮疁囟瘸^32℃時水泵開啟，冷卻塔投入運行。當回水溫度低于16℃時水泵開啟，鍋爐投入運行。

　　3 變水量運行經(jīng)濟性分析

　　機組側水泵采用變水量運行模式后其節(jié)能效果究竟如何？我們?nèi)愿鶕?jù)前面的工程實例做一分析。

　　該房地產(chǎn)項目為一綜合工程，其內(nèi)包括辦公、商場、住宅等部分。其全年空調(diào)運行時間為250天。（即6000小時）整個樓宇全年空調(diào)負荷分布見表一：

　　表一 樓宇全年空調(diào)負荷分布表

負荷率% 5 10 20 30 40 50 時間頻數(shù)h 300 400 400 500 750 800 負荷率% 60 70 80 90 100   　 時間頻數(shù)h 1000 800 700 300 50   　

　　幾種型號水泵的額定功率分別為：（1）流量200 t/h水泵，額定功率為22kw.（2）流量120 t/h水泵，額定功率為11kw.（3）流量75 t/h水泵，額定功率為7.5kw.根據(jù)定壓系統(tǒng)水泵流量與輸入功率呈一次方關系，我們可以計算出變水量系統(tǒng)的水泵在不同空調(diào)負荷率下的輸入功率。見表二。

　　表二 空調(diào)系統(tǒng)部分負荷條件下的水泵輸入功率（變水量1）

負荷率% 5 10 20 30 40 50 輸入功kw 4.5 6 11 19.8 27.2 33 耗電kwh 1350 2400 4400 9900 20400 26400 負荷率% 60 70 80 90 100   　 輸入功kw 39.6 46.2 52.8 59.4 66   　 耗電kwh 39600 36960 36960 17820 3300 累199490   　　如果本工程水泵不配置另外兩臺小水泵，僅對三臺大水泵進行轉速控制。那么在部分負荷條件下全年水泵電耗將會怎樣呢？見表三。   　　表三 空調(diào)系統(tǒng)部分負荷條件下的水泵輸入功率（變水量2）   負荷率% 5 10 20 30 40 50 輸入功kw 13.6 13.6 13.6 19.8 27.2 33 耗電kwh 4080 5440　 5440 9900 20400 26400　 負荷率% 60 70 80 90 100   輸入功kw 39.6 46.2 52.8 59.4 66   　 耗電kwh　 39600 36960 36960 17820 3300 累206300   　　表四為空調(diào)水系統(tǒng)不采用變水量方案，機組側三臺大水泵采用定水量運行時全年水泵電耗。此類系統(tǒng)目前在水環(huán)熱泵系統(tǒng)中很常見，每臺水環(huán)熱泵機組進水口處均不設二通閥，系統(tǒng)中有少量機組投入運行三臺大水泵就必須同時全部投入運行。   　　表四 空調(diào)系統(tǒng)部分負荷條件下的水泵輸入功率（定水量）
負荷率% 5 10 20 30　 40 50 輸入功kw 66 66 66 66 66 66 耗電kwh 19800 26400 26400 33000 49500 52800 負荷率% 60 70 80 90 100   輸入功kw 66 66 66 66 66   　 　　從上面的比較我們可以看出變水量方案1與定水量相比年節(jié)電達49.6%，變水量方案2與定水量方案相比年節(jié)電達47.9%.由此我們可以得出在水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中水泵采用變水量運行方案的經(jīng)濟意義。另外變水量方案1與變水量方案2之間的節(jié)電效果并不明顯，這主要是因為在本例中空調(diào)系統(tǒng)低負荷運行時間不長。通過本例也可讓我們得出這樣的經(jīng)驗，在空調(diào)系統(tǒng)低負荷運行時間不長的情況下，在變水量系統(tǒng)水泵配置中可直接配置二至三臺大流量水泵，而不需另外配置小流量水泵。這樣可使水系統(tǒng)的控制更為簡化。只有在空調(diào)系統(tǒng)低負荷運行時間較長時，從進一步節(jié)能的角度出發(fā)需要另外配置一至二臺小流量水泵。   　　參考文獻   　　1. 姚國梁。 空調(diào)變頻水泵節(jié)能探討。 暖通空調(diào)， 2004，6： 32~34   　　2. 張維佳，潘達林編著。 工程流體力學。 北京。 中國建筑工業(yè)出版社， 2001   　　3. 陸耀慶主編。 實用供熱空調(diào)設計手冊。 北京。 中國建筑工業(yè)出版社， 1993   　　4. 顧興鎣主編。 民用建筑暖通空調(diào)設計技術措施。 第二版。 北京。 中國建筑工業(yè)出版社， 1996