深井泵變頻技術(shù)在地下水源熱泵中的應(yīng)用

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    摘要：目前，在地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，經(jīng)常一臺深井泵的供水量能滿足兩臺或更多熱泵機組所需的水量。但是在實際運行中發(fā)現(xiàn)，熱泵機組大部分時間都在部分負(fù)荷運行，而深井泵一直處于滿負(fù)荷運行，結(jié)果造成了電費及水費的大量增加。針對這個問題，本文以實際工程為例，采用深井泵變頻技術(shù)變流量供水，既滿足熱泵對井水的要求，又節(jié)省了電能和井水量，介紹了深井泵變頻控制方法和原理、變頻范圍的確定，并根據(jù)深井泵運行情況實測結(jié)果，分析其節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)性。

    關(guān)鍵詞：深井泵 節(jié)能效果 變頻范圍 供水量 耗電量
    

    1 前言

    近幾年來，變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和可靠的控制方式在空調(diào)系統(tǒng)中水泵和風(fēng)機應(yīng)用較多，并且其技術(shù)也比較成熟，但在地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中深井泵供水應(yīng)用，目前還很少見，但是卻相當(dāng)有必要。對沈陽地區(qū)的地下水源熱泵應(yīng)用試點調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，當(dāng)熱泵容量不大一臺深井泵的供水量能滿足兩臺或更多熱泵機組所需的水量。在實際運行中發(fā)現(xiàn)，熱泵機組大部分時間部分負(fù)荷運行，而深井泵一直在滿負(fù)荷狀態(tài)運行，結(jié)果造成了電費及水費的大量增加。因此深井泵變頻調(diào)速供水技術(shù)在地下水源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用具有很大的節(jié)能潛力。

    2 工程概況

    本文的分析以實際工程冬季運行為研究對象，工程概況如下：

    某高校新校區(qū)辦公樓層數(shù)五層，建筑面積11030m2，夏季空調(diào)設(shè)計冷負(fù)荷為894kw，冬季空調(diào)設(shè)計熱負(fù)荷為1012kw。辦公樓冷熱源采用兩臺地下水源熱泵機組，制熱工況：制熱量515kw，輸入功率136.02kw，冷水流量65m3/h，熱水量88.6m3/h，一臺抽水泵抽水量160m3/h，功率37kw。冬季運行時間：11月份~3月份，每天24小時運行。

    3 深井泵變頻調(diào)速供水控制方法

    深井泵采用溫差控制法。由于熱泵機組在制熱工況下，必須保證蒸發(fā)器出水溫度不能過低，所以在深井泵回水管道上設(shè)溫度傳感器，設(shè)定溫度為tjh。井水源側(cè)回水溫度大于tjh值時，深井泵控制器向變頻器發(fā)出降低電流頻率信號，變頻器將輸入電源的頻率降低，深井泵的轉(zhuǎn)數(shù)相應(yīng)降低，水泵供水量、軸功率和電動機輸入功率也隨之降低，從而達(dá)到了節(jié)能的目的。當(dāng)水源側(cè)回水溫度低于tjh值時，增頻調(diào)節(jié)。

    4 水泵變速調(diào)節(jié)原理

    改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以改變水泵的性能，從而達(dá)到調(diào)節(jié)工況點的目的。根據(jù)相似定律，對于同一臺水泵以不同轉(zhuǎn)速運行時，水泵的流量、揚程、軸功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，可用下式表示：

    Q/Qe=n/ne(1)

    H/He=(n/ne)2(2)

    P/Pe=(n/ne)3(3)

    式中：ne――水泵額定轉(zhuǎn)速，r/min；n――實際運行工況下的轉(zhuǎn)速，r/min；

    Qe――水泵額定轉(zhuǎn)速時的流量，m3/h；Q――實際運行工況下的流量，m3/h；

    He――水泵額定轉(zhuǎn)速時的揚程，m；H――實際運行工況下的揚程，m；

    Pe――水泵額定轉(zhuǎn)速時的功率，kw；P――實際運行工況下的功率，kw。

    由（1）式和（2）式，可得

    H1/Q12=H2/Q22=k(4)

    即H=kQ2(5)

    (5)式是以坐標(biāo)原點為頂點的二次拋物線，線上各點具有相似工況，由相似定律知，當(dāng)水泵前后的轉(zhuǎn)速變化的時候，水泵效率不變，故相似工況拋物線也稱等效率曲線。因此從節(jié)能角度考慮，通常采用改變水泵轉(zhuǎn)速的方法來改變水泵的工況點，盡量使其在高效率范圍內(nèi)工作。 

    5 水泵變頻范圍的確定

    當(dāng)熱泵機組負(fù)荷變化時，深井泵的供水量也隨之變化。深井泵的供水量在（Qmin～Qe）之間，即深井泵的變頻范圍（nmin～ne），如圖1所示。

    熱泵機組所需的z*小流量為40m3/h（設(shè)備要求），即為深井泵的z*小供水量，則深井泵的z*小轉(zhuǎn)速：得：

    nmin=Qmin/Qe×ne=40/160×2900=725轉(zhuǎn)/分

    冬季制熱工況深井泵的變頻范圍：725轉(zhuǎn)/分～2900轉(zhuǎn)/分。
    

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    6 不同頻率下深井泵供水量和耗電量

    深井泵變頻供水設(shè)備采用HT微機控制變頻調(diào)速給水設(shè)備，其中變頻器型號為（VFD-F，45KW/60HP，460HP，3phase）。深井泵變頻后，在不同頻率下，深井泵供水量和耗電量實測結(jié)果如圖2、圖3所示：
    
     

    分析圖2、圖3，可以得出：當(dāng)電源輸入的頻率下降時，深井泵的供水量和耗電量也隨著逐漸降低。當(dāng)頻率45hz下降到30hz時，深井泵供水量由122m3/h下降到54m3/h，與額定轉(zhuǎn)速時的供水量相比分別下降了23.75%、66.25%。而輸入功率由26.2kw下降到8.9kw，與額定轉(zhuǎn)速時的輸入功率相比分別下降了29.1%、75.9%。由此可見，節(jié)能效果相當(dāng)明顯。但是當(dāng)頻率下降到20hz時，雖然深井泵仍在運行，由于揚程不夠，供水量接近等于零。
    

    7 深井泵變頻運行實測及節(jié)能效果分析

    7.1深井泵日運行情況實測和分析

    下面對12月20日的深井泵變頻運行的供水量和耗電量進(jìn)行測試如圖4、圖5所示：  

    由圖4、圖5，可見：該天，熱泵機組大部分的時間都是在部分負(fù)荷運行，而且運行z*高負(fù)荷不超過機組z*大負(fù)荷50%（即一臺熱泵機組額定負(fù)荷100%），負(fù)荷為額定負(fù)荷37.5%的運行時間占了55%。深井泵采用變頻后，此工況深井泵的流量由原來的160m3/h下降到52m3/h，減少了67.5%的供水量；耗電量由37kwh下降到8.8kwh，節(jié)省了76.2%。節(jié)能效果顯著。

    7.2整個供暖期深井泵運行工況實測和節(jié)能效果分析

    通過整個冬季供暖期深井泵實際運行工況跟蹤測量，將深井泵不變頻和變頻日供水量和日耗電量變化如圖6、圖7所示：
    
    

    由圖6、圖7，可以得出：深井泵在十一月、十二月、一月、二月、三月與不變頻相比分別節(jié)省供水量82222m3、80924m3、78942m3、77440m3、84841m3。整個冬季供暖期深井泵采用變頻技術(shù)后，總共節(jié)省供水量404369m3。同樣，深井泵采用變頻技術(shù)后，耗電量在十一月、十二月、一月、二月、三月與不變頻相比分別節(jié)省21136.8kwh、21284.5kwh、20813kwh、20155.4kwh、21858.2kwh。整個冬季供暖期深井泵采用變頻后，總共節(jié)省耗電量105247.9kwh。   

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