地下水源熱泵空調系統的變頻控制？

本文針對湖南某賓館采用的地下水源熱泵中央空調系統的運行現狀，根據其自身特點提出對該系統空調水泵進行變頻控制節能改造的建議和方案，並采用當量峰值小時數法從節能性和靜態回收期兩方面詳細論證了該改造方案的可行性。結果證明，該改造方案在保證不低於熱泵機組對水量的最低要求的同時，根據負荷的變化自動調節水泵的流量，節能效果顯著，靜態回收期短，是切實可行的。

關鍵字：地下水源熱泵變頻控制節約能源1 引言

集中式中央空調系統在為人們營造舒適環境的同時也帶來了能耗問題，如何既滿足空調舒適度，又最大限度的節約能源，已日益為人們所關註。目前空調系統設計和水泵等設備選型均是按最不利工況進行的，且留有壹定的裕量。由於季節、晝夜和用戶負荷的變化，實際空調熱負載在絕大部分時間內遠比設計負載低，空調系統多數時間是在部分負荷下運行。而運行情況是空調水泵壹年四季長期在額定工況下工作，只能通過節流來降低水流量滿足負荷的要求，使得水泵大部分功耗消耗在克服節流閥阻力上，浪費了水泵運行的輸送能量。壹般空調水泵的耗電量約占總空調系統耗電量的20-30%，故節約低負載時水系統的輸送能量，對降低整個空調系統能耗具有重要的意義。

本文針對湖南某賓館采用的地下水源熱泵系統，根據其運行現狀提出對該系統的空調水泵進行閉環自動變頻控制節能改造，從節能性和靜態回收期等方面論證了該改造方案是切實可行的。

2 空調系統概況

該賓館位於長江中下遊地區的湖南省西北部的澧縣，作者於2003年1月至3月對該賓館地源熱泵系統的冬季運行工況進行了測試，測試結果整理如表1。由於賓館的入住率、室外氣溫變化、人員活動內容等原因，該系統基本上是在設計負荷80%及以下運行，其中運行於設計負荷的60%以下的就占有63.48%。顯然根據滿負荷狀態選取的熱泵機組、水泵等設備讓其在部分負荷下長期連續運行，設備大部分時間處於低效率工作狀態。該系統熱泵機組壹大壹小並聯運行，制熱量分別為100KW、40KW；兩臺的並聯熱水循環泵型號相同，其銘牌額定功率均為2.2KW；深井泵銘牌額定功率為7.5KW（系統圖如圖1所示），且所有水泵均定流量運行，始終處於工頻狀態下運轉。當機組處於部分負荷運行時，常常通過關小管路上的閥門來調節供水量，造成了極大的能源浪費，因此我們有必要對該空調系統進行壹下改進。3 改造方案的提出

熱泵主機、深井泵和熱水循環泵是賓館中央空調系統的主要組成部分，耗電量大。由圖2可以看出，在該空調系統中，熱泵機組的功耗占整個空調系統能耗的65%，深井泵和熱水循環泵分別為24%和11%，因此要節省整個空調系統的能耗，除大力減少熱泵機組的能耗以外，減少空調水泵的能耗也是壹個重要方面。

該系統的地源熱泵機組本身即具有能量自動調節功能，可以在不改變制熱工況的前提下，改變壓縮機的輸氣量進而改變供液量來調節冷凝器的產熱量。同時，這又為水系統的變流量運行提供了基本條件。

對於空調水泵而言，由於水泵處於定流量運行，在部分負荷狀態下常常只能通過調節管路上的水閥開度來改變水流量；同時因電機轉速不可調，電機只能工作在開和停兩種狀態，即使當熱負荷很小時，也必須至少開壹臺，電機軸上的輸出功率遠大於實際負荷的需要，從而造成不必要的能源浪費。根據水泵的相似律，水泵的流量、揚程、功率具有如下關系：

（1）

式中Q, H, N, n分別為水泵的流量、揚程、軸功率和轉速。

從式（1）可以看出水泵的揚程與水泵流量的平方成正比，軸功率與流量的立方成正比，而流量又與轉速成正比。由此可見當電機的轉速稍有下降，電機的耗電量就會大幅度下降，節能效果顯著。水泵的變頻調速裝置就是通過調節水泵的轉速以使水泵流量隨負荷變化而變化，達到節能目的。

4 水泵變頻調速工作原理及其控制方案

4.1 水泵變頻調速原理

水泵功率、流速、流量、揚程之間具有式（1）所示關系，又由於交流異步電動機的轉速與電源頻率之間的關系為：

（2）

式中n，f，S，P分別為電機的轉速，供電電源頻率，轉差率，電機極對數。

由式（2）可知，當轉差率變化不大時轉速正比於電源頻率，只要能平滑調節電源頻率，就能平滑調節電機轉速。1水泵變頻調速就是通過改變電源頻率來調節水泵轉速的壹種方法。采用變頻技術結合合理的自控方案，對水泵進行變流量調節，不僅避免了采用閥門調節造成的浪費，而且還極大的提高控制和調節精度。同時采用變頻調速對電機實現軟啟動，無沖擊雜聲，還可以延長電機的使用壽命。

4.2 深井泵變頻調速控制方案

對於深井泵來說，由於深井水溫度常年保持不變，維持在18.5℃左右，我們以深井水回水溫度為控制參數即可控制井水的進出口溫差。如圖3所示，現采用溫度傳感器、變頻器、PID回路調節器組成閉環控制系統，按照5～7℃的溫差指標，深井水回水溫度控制在T℃（例如冬季12℃，夏季25℃），使深井水泵的轉速相應於熱負載的變化而變化。以冬季為例，當負荷增加時，深井水回水溫度降低，溫度傳感器將溫度信號（4～20mA）反饋至PID回路調節器中，PID調節器根據溫度設定值和溫度反饋值的偏差進行PID運算，然後輸入給變頻器壹個提高電機運轉頻率的信號，加大水泵轉速和流量，直到溫度與設定值壹致；反之負荷降低時，減小頻率，降低水泵轉速和流量。當水泵運行頻率降到控制儀表設定的低限值時，變頻器停止頻率的繼續降低，以滿足主機對流量的要求，對主機起到保護作用。

4.3 熱水循環泵變頻調速控制方案

由於該熱水循環系統由兩臺型號相同的水泵並聯運行，為了實現兩臺水泵電機轉速連續可調，使得水泵電機轉速根據實際熱負載的大小而設定，進而節約能源；同時也為了節省變頻器等設備的初投資，作者擬采用壹定壹變形式，即只有壹臺水泵配備變頻器作調速運行，另壹臺仍為定速運行。控制系統主要由內置PID的變頻器、PLC可編程控制器、壓差變送器、主接觸器等構成，如圖4所示，變頻器和PLC控制器作為系統控制的核心部件，以末端最不利環路壓差為反饋信號，時刻跟蹤著該信號與設定值（可取0.1Mpa）的偏差變化情況，經過變頻器內置的PID調節器運算，利用PLC控制器實現水泵變頻與工頻的切換，自動控制水泵投入臺數和電機的轉速，實現閉環控制，自動調整恒壓差變量供水。

當系統負荷較小時，只需壹臺電機工作在低於工頻狀態下即可滿足要求時，PLC利用變頻器軟啟動壹臺水泵，根據壓差變送器反饋來的信號（0～10V）自動調節運行頻率。當熱負荷增大時，變頻器輸出頻率接近工頻而管網壓差仍達不到設定值，為了保證系統不頻繁切換水泵，延時壹段時間，若壓差仍低於設定值時，則PLC將當前工作的變頻泵切換至工頻50HZ狀態下運行，關斷變頻器，再由變頻器從0HZ軟啟動下壹臺水泵，並根據偏差變化情況及時利用變頻器調整到對應流量需要的頻率，實現壹臺變頻壹臺工頻雙泵供水。反之，當負荷降低時，變頻器工作在基本頻率時，如果出口流量仍然很大，供水壓差高於設定值，同樣延時壹段時間後，若壓差仍然很高，此時再由PLC關掉工頻控制方式的水泵，只由剩下的單泵變頻供水。無論系統是單泵變頻運行還是雙泵壹定壹變運行，均能實現末端恒壓差供水。切換示意圖如圖5所示。

5 水泵變頻節能計算

5.1 變頻節能計算方法

本文參照文獻4、5的算法，采用當量峰值小時數法計算空調運行期間的能耗，夏季當量小時數τ夏，冬季當量小時數τ冬，空調系統全年運行小時數t。設水泵的銘牌額定功率為N（KW），在未采用變頻技術的情況下，空調水泵的全年耗電量Q1為：

Q1＝N-t ，KWh （3）

而采用變頻調速後全年用電量Q2為：

Q2=N-（τ夏+τ冬），KWh （4）

則全年可節省的電量為

ΔQ＝Q1-Q2=N-t-N-（τ夏+τ冬），KWh （5）

靜態投資回收期 n＝，年（6）

式中 M0 - 分別為采用變頻技術增加的初投資，元

M1 - 每年節省的運行費用（主要是能源費用），元

湖南省商業用電電價為0.98元/度。賓館全年以冬、夏兩季6個月運行計算，每天平均運行18個小時（6:00-24:00），文獻5的當量濕球溫度小時數的數據公式是針對上海地區得出，由於湖南省和上海氣候條件相差不大，因此本文也近似采用此公式