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(tái)深井泵的供水量能滿足兩臺(tái)或更多熱泵機(jī)組所需的水量。但是在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，熱泵機(jī)組大部分時(shí)間都在部分負(fù)荷運(yùn)行，而深井泵一直處于滿負(fù)荷運(yùn)行，結(jié)果造成了電費(fèi)及水費(fèi)的大量增加。針對(duì)這個(gè)問題，本文以實(shí)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(duì)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(yùn)行情況實(shí)測(cè)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(jī)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(duì)沈陽地區(qū)的地下水源熱泵應(yīng)用試點(diǎn)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(tái)深井泵的供水量能滿足兩臺(tái)或更多熱泵機(jī)組所需的水量。在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，熱泵機(jī)組大部分時(shí)間部分負(fù)荷運(yùn)行，而深井泵一直在滿負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，結(jié)果造成了電費(fèi)及水費(fèi)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(shí)際工程冬季運(yùn)行為研究對(duì)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(jì)冷負(fù)荷為894kw，冬季空調(diào)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為1012kw。辦公樓冷熱源采用兩臺(tái)地下水源熱泵機(jī)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(tái)抽水泵抽水量160m3/h，功率37kw。冬季運(yùn)行時(shí)間：11月份~3月份，每天24小時(shí)運(yùn)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(jī)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(shí)，深井泵控制器向變頻器發(fā)出降低電流頻率信號(hào)，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(dòng)機(jī)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(shí)，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(diǎn)的目的。根據(jù)相似定律，對(duì)于同一臺(tái)水泵以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，水泵的流量、揚(yáng)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(shí)際運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)速，r/min；

    Qe――水泵額定轉(zhuǎn)速時(shí)的流量，m3/h；Q――實(shí)際運(yùn)行工況下的流量，m3/h；

    He――水泵額定轉(zhuǎn)速時(shí)的揚(yáng)程，m；H――實(shí)際運(yùn)行工況下的揚(yáng)程，m；

    Pe――水泵額定轉(zhuǎn)速時(shí)的功率，kw；P――實(shí)際運(yùn)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(diǎn)為頂點(diǎn)的二次拋物線，線上各點(diǎn)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(shí)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(diǎn)，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(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，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(jī)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(jī)控制變頻調(diào)速給水設(shè)備，其中變頻器型號(hào)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(shí)測(cè)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(shí)，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(shí)，深井泵供水量由122m3/h下降到54m3/h，與額定轉(zhuǎn)速時(shí)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(shí)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(shí)，雖然深井泵仍在運(yùn)行，由于揚(yáng)程不夠，供水量接近等于零。
    

    7 深井泵變頻運(yùn)行實(shí)測(cè)及節(jié)能效果分析

    7.1深井泵日運(yùn)行情況實(shí)測(cè)和分析

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

    由圖4、圖5，可見：該天，熱泵機(jī)組大部分的時(shí)間都是在部分負(fù)荷運(yùn)行，而且運(yùn)行z*高負(fù)荷不超過機(jī)組z*大負(fù)荷50%（即一臺(tái)熱泵機(jī)組額定負(fù)荷100%），負(fù)荷為額定負(fù)荷37.5%的運(yùn)行時(shí)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(gè)供暖期深井泵運(yùn)行工況實(shí)測(cè)和節(jié)能效果分析

    通過整個(gè)冬季供暖期深井泵實(shí)際運(yùn)行工況跟蹤測(cè)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(gè)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(gè)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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