水环热泵系统的变水量运行及其相关问题

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简介：京杭大运河有着千年的历史，千里的长度。沟通五水系，流经六省市，集航运、灌溉、防洪工程于一体，是古代中国南北方向唯一的内陆水上交通大动脉，工程历史悠久，内涵丰富。结合南水北调从规划京杭大运河工程地理位置因素的考虑，对历史政治、经济及军事等方面的作用以及规划思想、治理策略研讨。

　　关键字：京杭大运河 地理位置因素

　　经济摘要：本文从理论上阐述了水环热泵系统变水量运行的经济意义，并且针对工程实际提出了水环热泵变水量系统的水泵配置及其控制方式。

　　关键词：水环热泵 变水量 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

　　目前在房地产领域水环热泵空调系统由于其具有系统效率高（相比风冷热泵系统）、投资零活、便于独立计费等特点应用相当广泛，也取得了一定地经济效益。然而该系统在使用过程中也暴露了一些问题。如在部分负荷条件下如何减少水泵的运行电耗？

　　在房地产项目的空调系统中目前多采用分区分户独立设置水环热泵机组，使用时各区（户）根据自身需要决定开停时间和所需的温度。冷却水系统集中设置。收费时各区（户）各自电表分别计费，集中设置的水泵和冷却塔的电费由各家用户分摊。这样就带来了一个问题在过渡季节和只有少数用户入住的情况下如何减少水泵的电耗。关于这一点我们自然会想到让水泵采用变水量运行。但问题在于常规中央空调系统冷冻水泵的变水量的极限范围是由冷水机组蒸发器型式决定的，一般是满液式蒸发器不小于额定水量的70％，干式蒸发器和溴化锂机组蒸发器不小于额定水量的50％。但对于水环热泵系统而言其部分负荷有可能达到10％甚至以下，如何在这样小的负荷下保持水系统的经济运行呢？水系统在设计中又要采取哪些措施呢？

　　第一：各台水环热泵机组的冷却水进品均设置二通阀，其开关与机组联动，机组开其开，机组关其也关闭。

　　第二：机组侧水泵的开停与二通阀联动，系统中只要有一只二通阀处于开启状态机组侧水泵就投入运行．

　　第三：机组侧水泵根据供回压差进行变频控制．

　　第四：水泵在系统设计过程中应考虑负荷特点合理搭配大小．

　　第五：冷却塔（锅炉）侧水泵根据系统回水温度决定开停．（32℃以上或16℃以下）

　　上述方案在执行过程中主要要解决两个问题。第一是根据负荷特点如何合理配置机组侧水泵。第二是系统采用何种控制方式．针对这两点我们分别给与阐述．

　　1 机组侧水泵配置

　　采用水泵变速运行的变水量系统在选择水泵时应注意两点，

　　第一，要防止变速后水泵的振动频率与隔振装置的固有频率相同形成共振。

　　第二，要防止水系统由于二通阀的关闭造成其管路特性曲线的变化，从而使水泵的工作点进入喘振区。（关于这一点可在水泵选型时由生产厂家来进行校核）

　　下面我们通过一个个工程实例来说明变水量系统的水泵选型。某房地产工程采用水环热泵空调系统，其冷却水总量为600t/h，该系统最小负荷有可能达到设计负荷的5%.，正常情况下配置三台水泵，每台流量为200 t/h.假设水泵的额定转速均为1450r/min.当部分负荷为5%时，如果循环水量随之降低，那么水泵此时的转速将要达到218 r/min（定压系统水泵流量与转速成一次方关系）。那么这时会发生什么情况呢？

　　我们知道一台转速为1450 r/min水泵的振动频率约为24HZ，当水泵转速减为218 r/min时水泵的振动频率约为3.6HZ.而一般的减震器的固有频率约在3~6HZ.这样水泵在减速过程中就会发生共振。因此为了防止共振（同时也为了控制水泵振动的传递率），对与一般民用建筑而言水泵振动频率与减震器固有频率之比应在2.5以上。本例中假定减震器固有频率为6HZ，那么水泵的振动频率应在15HZ以上，水泵的转速最低应不小于900 r/min（此时水泵流量约为120 t/h）。这个转速正好对应系统处于20%的部分负荷下。因此为了保证系统处于更低负荷时水泵也能经济运行，我们在水系统设计中另外配置了一台小水泵。

　　小水泵配置依据是当一台大水泵运行至其最低转速时，如果系统负荷仍进一步下降，那么大水泵停机，开启小水泵。也就是小水泵的最大流量为一台大水泵的调速后的最小流量。

　　本例中小水泵的流量应为120 t/h（其额定转速仍为1450 r/min）。当其转速为900 r/min时，流量约为75 t/h，这个流量约对应12.5%的部分负荷。这样的水泵配置基本上可满足水系统的经济运行。如果还需随负荷下降进一步降低水流量，那还可配一台更小流量的水泵。其原则同。本例中这台水泵的额定流量为75 t/h（额定转速为1450 r/min），当其转速降为900 r/min时，水泵流量降为45 t/h，基本对应系统7.5%的部分负荷。这种配置方式可进一步降低水泵在低负荷时的电耗。

　　2 变水量系统控制方式

　　变水量系统采用DDC控制方式，这种控制方式的优点是（1）整个系统系统可靠、节能。（2）产品价格日趋低廉、安装费用低、节省空间。（3）使用方便、升级容易、安全性强。（4）有技术支持。（5）可以实现水泵软启动，使启动过程对电网影响小。

　　整个控制系统是在每个楼层或一定的空调区域设置一台现场控制器，当有一台水环热泵机组投入使用后与其对应的二通阀即打开（机组与二通阀间的控制由机组自身配套控制器实现）。二通阀开户信号传至现场控制器，再由现场控制器将信号传至整个楼宇的中央集中控制器，最后由中央集中控制器将信号传至水泵，控制水泵启动。当系统中所有水环热泵机组均停止工作时，所有二通阀均关闭，此时没有信号传至现场控制器，中央集中控制器也无信号输入，这时其即控制水泵关闭。

　　中央集中控制器将信号传至水泵（组）后，水泵启动。根据上面的例子75 t/h流量的小水泵先启动。该水泵启动后其转速由机组侧的供回水压差控制，随着系统中投入运行的机组增多，呈开启状态的二通阀也随之增多，系统供回水压差逐渐减小，水泵的转速逐渐提高。当小水泵的转速达到其额定转速后供回水压差如果再减小，这台小水泵停止运行，流量为

　　120 t/h的水泵接着投入运行，如果系统中呈开启状态的二通阀继续增多，系统供回水压差继续减小，水泵的转速继续提高，当水泵达到其额定转速时，如果供回水压差再下降那么这台水泵停止运行，一台200 t/h流量的水泵开始投入。这台水泵的转速仍由供回水压差控制逐渐提高，当达到其额定转速后，如果供回水压差再下降，第二台200 t/h流量的水泵投入运行。这时第一台200 t/h流量的水泵减速，这两台水泵同时受供回水压差控制保持同步转速。当这两台水泵均达到额定转速后，如果压差继续下降那么第三台200 t/h流量的水泵继续投入运行。此时原来达到额定转速的两台水泵减速，三台水泵同受供回水压差控制保持同步转速，直至系统达到满负荷状态三台水泵均达到额定转速。

　　对于冷却塔（锅炉）侧水泵其开停受机组侧水泵的回水温度控制，采用定水量运行模式。回水温度超过32℃时水泵开启，冷却塔投入运行。当回水温度低于16℃时水泵开启，锅炉投入运行。

　　3 变水量运行经济性分析

　　机组侧水泵采用变水量运行模式后其节能效果究竟如何？我们仍根据前面的工程实例做一分析。

　　该房地产项目为一综合工程，其内包括办公、商场、住宅等部分。其全年空调运行时间为250天。（即6000小时）整个楼宇全年空调负荷分布见表一：

　　表一 楼宇全年空调负荷分布表

负荷率% 5 10 20 30 40 50 时间频数h 300 400 400 500 750 800 负荷率% 60 70 80 90 100   　 时间频数h 1000 800 700 300 50   　

　　几种型号水泵的额定功率分别为：（1）流量200 t/h水泵，额定功率为22kw.（2）流量120 t/h水泵，额定功率为11kw.（3）流量75 t/h水泵，额定功率为7.5kw.根据定压系统水泵流量与输入功率呈一次方关系，我们可以计算出变水量系统的水泵在不同空调负荷率下的输入功率。见表二。

　　表二 空调系统部分负荷条件下的水泵输入功率（变水量1）

负荷率% 5 10 20 30 40 50 输入功kw 4.5 6 11 19.8 27.2 33 耗电kwh 1350 2400 4400 9900 20400 26400 负荷率% 60 70 80 90 100   　 输入功kw 39.6 46.2 52.8 59.4 66   　 耗电kwh 39600 36960 36960 17820 3300 累199490   　　如果本工程水泵不配置另外两台小水泵，仅对三台大水泵进行转速控制。那么在部分负荷条件下全年水泵电耗将会怎样呢？见表三。   　　表三 空调系统部分负荷条件下的水泵输入功率（变水量2）   负荷率% 5 10 20 30 40 50 输入功kw 13.6 13.6 13.6 19.8 27.2 33 耗电kwh 4080 5440　 5440 9900 20400 26400　 负荷率% 60 70 80 90 100   输入功kw 39.6 46.2 52.8 59.4 66   　 耗电kwh　 39600 36960 36960 17820 3300 累206300   　　表四为空调水系统不采用变水量方案，机组侧三台大水泵采用定水量运行时全年水泵电耗。此类系统目前在水环热泵系统中很常见，每台水环热泵机组进水口处均不设二通阀，系统中有少量机组投入运行三台大水泵就必须同时全部投入运行。   　　表四 空调系统部分负荷条件下的水泵输入功率（定水量）
负荷率% 5 10 20 30　 40 50 输入功kw 66 66 66 66 66 66 耗电kwh 19800 26400 26400 33000 49500 52800 负荷率% 60 70 80 90 100   输入功kw 66 66 66 66 66   　 　　从上面的比较我们可以看出变水量方案1与定水量相比年节电达49.6%，变水量方案2与定水量方案相比年节电达47.9%.由此我们可以得出在水环热泵空调系统中水泵采用变水量运行方案的经济意义。另外变水量方案1与变水量方案2之间的节电效果并不明显，这主要是因为在本例中空调系统低负荷运行时间不长。通过本例也可让我们得出这样的经验，在空调系统低负荷运行时间不长的情况下，在变水量系统水泵配置中可直接配置二至三台大流量水泵，而不需另外配置小流量水泵。这样可使水系统的控制更为简化。只有在空调系统低负荷运行时间较长时，从进一步节能的角度出发需要另外配置一至二台小流量水泵。   　　参考文献   　　1. 姚国梁。 空调变频水泵节能探讨。 暖通空调， 2004，6： 32~34   　　2. 张维佳，潘达林编著。 工程流体力学。 北京。 中国建筑工业出版社， 2001   　　3. 陆耀庆主编。 实用供热空调设计手册。 北京。 中国建筑工业出版社， 1993   　　4. 顾兴蓥主编。 民用建筑暖通空调设计技术措施。 第二版。 北京。 中国建筑工业出版社， 1996