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变频技术在热泵采暖水系统中的应用
2018-09-06  来源:互联网转载    颁布者:小A

热泵采暖系统分为冷媒系统和水系统两局部。本文从热泵采暖系统结构原理特性以及实际应用情况负荷变化对水系统的要求进行分析,提出了使用变频技术调节水泵电机的转速,来调节流量和压力的变化取代用阀门操纵流量,增加系统运行的稳定性和可靠性的解决方案,能够带来显著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性

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局部组成。图1为典范热泵采暖系统工作原理示意图。

热泵采暖系统的特性如下:

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%左右的富饶量,而平时使用时并不克抵达满负荷,所以存在较大裕度,其中热泵主机能够依据负载变化使用变频压缩机或者并联多台主机来主动加载、卸载,而水泵的流量如不克随热泵主机进行调节,必定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,全局部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联系。

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),采暖一般采纳地暖管,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差别,对水泵流量要求也差别;同时在采暖和制冷系统中的系统阻力也差别,对水泵的扬程要求也差别。理论来讲应该选择两台水泵以匹配差别的系统。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。不但浪费大批电能,并且还可能造成热泵运行大幅度偏离额定设计的情形,对系统设施带来倒霉的影响。

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,会使得房间温度颠簸大,严峻影响舒适性。

水泵电机启动电流通常为额定值的5倍左右,在如此大的电流突击下,进行频繁的启停,对电机、接触器触点、气氛形状触点发生电弧突击,也会给电网带来肯定突击,同时启动时带来的机械突击和停止时的承重现象也会对机械传动、轴承、阀门等造成疲倦损伤,对设施长期安定运行带来倒霉影响。

因此,系统运行中应尽可能地采纳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,使之能够在局部负荷条件下高效运行,一直是行业内关切的课题。

二、变频节能技术的应用

当前,变频调速技术是逐渐被人们重视并正在暖通行业中得到快速开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敷,提高系统效率及设施可靠性,降低设施能耗。

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,热泵采暖系统绝全局部时间是在局部负荷下运行的。如果按照最大制热量设计的水泵,在采暖季绝全局部运行时间里一般热泵采暖水系统的供回水温差仅为1℃~3℃,实际热交换量远小于设计值。如果当需求减少时通过操纵阀趋向封闭的身分,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操纵特性曲线的交点处。如图3所示。当水泵恒速运行并用操纵阀操纵流量使之由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 ,要求出口的压力不致太高。因为过高的压力将由操纵阀来汲取。所汲取的压力是随流量的差别而有所变化的,这一压力可能会大于按照运行需要操纵阀能够承受的压力设计值,使得操纵阀会被迫打开造成冷热不均的现象发生,不但浪费能源还加速阀的磨损减少阀的使用寿命,系统的性能不克得到满足还增加维护费用。

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依据热负荷来调整,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,则电机的功耗将显著减少,从而抵达节能目的。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。

以户式热泵采暖水系统应用较为普遍的8米扬程水泵为例,行业知名品牌一般定速水泵UPS 25-80的最大功率为190W,而最新一代专门针对热泵系统相符ERP指令水泵UPM GEO 25-85的最大功率仅为87W:

? 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

? 定速水泵总耗电量为:

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

变频节能水泵总耗电量为:

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

节能效果抵达54%。同时当热负载降低时,定速泵始终维持最大速,而变频泵能够降速,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。以电价为群众币0.53/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年能够收回额外的投资成本。

采纳变频泵后还能够去掉调节阀,不但降低了系统的成本,还提高了系统可靠性和减少了能量损失,无论对厂家还是对用户都是非常有利的。可见,使用变频水泵不但能够与变频空调有异曲同工之妙可实现快速冷暖,温度操纵精度高,具有更好的用户体验,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能够知道,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空调系统热(冷)负荷的大小。

在热泵采暖水系统中,为了便于调节,宜采纳两级泵系统。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,确保机组安定、高效地运行,一般采纳定转速的水泵。二级泵是用来战胜热(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,为了节能二级泵采纳可调速水泵,调节方法通常是依据供回水温差来操纵循环水的流量,从而操纵热交换的速度是比较合理的操纵方法。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)水流量稳定的情况下,回水温度高低就反映出室温的高低。在室内负荷较小时,我们能够通过变频调节,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,我们能够通过提高水泵频率,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,能够为我们节约大批的能源。

应付一些大型的热泵供暖系统,也能够通过在供回水总管间安装压差操纵阀,当末端设施水流量发生变化时,供回水总管间压力差随之变化,通过压差操纵阀的调节,保证机组水流量的稳定。在其它条件稳定时,降低冷凝温度能够提高热泵机组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 稳定,在降低冷凝温度Tc的同时,必须降低供水温度Tw,否则必须提高水流量。但是,很多实际工程测验数据表明,在一些大型的小区热泵供热系统中,由于水泵功率占真个系统功耗较大,太过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,在某些情况下能够放大到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

从以上分析可知采纳变频水泵的热泵采暖水系统具有显著的优势。变频水泵提高了热泵系统运行的稳定性和可靠性,延长水泵、电机以及管道系统的使用寿命。可实现快速冷暖,温度操纵精度高,具有更好的用户体验。减少了设施磨损,降低了维修费用及阻碍率。节约了能源消耗。

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

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