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地下水源熱泵的變頻控制

2010-08-03 11:40  來源于網絡  【  【打印】【我要糾錯】

  1 引言

  集中式中央空調系統(tǒng)在為人們營造舒適環(huán)境的同時也帶來了能耗,如何既滿足空調舒適度,又最大限度的節(jié)約能源,已日益為人們所關注。空調系統(tǒng)設計和水泵等設備選型均是按最不利工況進行的,且留有一定的裕量。由于季節(jié)、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(tǒng)多數時間是在部分負荷下運行。而運行情況是空調水泵一年四季長期在額定工況下工作,只能通過節(jié)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(jié)流閥阻力上,浪費了水泵運行的輸送能量。一般空調水泵的耗電量約占總空調系統(tǒng)耗電量的20-30%,故節(jié)約低負載時水系統(tǒng)的輸送能量,對降低整個空調系統(tǒng)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(tǒng),根據其運行現狀提出對該系統(tǒng)的空調水泵進行閉環(huán)自動變頻控制節(jié)能改造,從節(jié)能性和靜態(tài)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(tǒng)概況

  該賓館位于長江中下游地區(qū)的湖南省西北部的澧縣,作者于2003年1月至3月對該賓館地源熱泵系統(tǒng)的冬季運行工況進行了測試,測試結果整理如表1.由于賓館的入住率、室外氣溫變化、人員活動等原因,該系統(tǒng)基本上是在設計負荷80%及以下運行,其中運行于設計負荷的60%以下的就占有63.48%。顯然根據滿負荷狀態(tài)選取的熱泵機組、水泵等設備讓其在部分負荷下長期連續(xù)運行,設備大部分時間處于低效率工作狀態(tài)。該系統(tǒng)熱泵機組一大一小并聯(lián)運行,制熱量分別為100KW、40KW;兩臺的并聯(lián)熱水循環(huán)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(tǒng)圖如圖1所示),且所有水泵均定流量運行,始終處于工頻狀態(tài)下運轉。當機組處于部分負荷運行時,常常通過關小管路上的閥門來調節(jié)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(tǒng)進行一下改進。

  表1該賓館冬季空調負荷時間頻數(%)負荷率40 50 60 70 80 90 100

  時間頻數   5.08  17.64  0.82  6.37  10.15  0.070

  累計時間頻數 5.082  2.686  3.488  9.859  9.931  0.0100

  3 改造方案的提出

  熱泵主機、深井泵和熱水循環(huán)泵是賓館中央空調系統(tǒng)的主要組成部分,耗電量大。由圖2可以看出,在該空調系統(tǒng)中,熱泵機組的功耗占整個空調系統(tǒng)能耗的65%,深井泵和熱水循環(huán)泵分別為24%和11%,因此要節(jié)省整個空調系統(tǒng)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一個重要方面。

  該系統(tǒng)的地源熱泵機組本身即具有能量自動調節(jié)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(jié)冷凝器的產熱量。同時,這又為水系統(tǒng)的變流量運行提供了基本條件。

  對于空調水泵而言,由于水泵處于定流量運行,在部分負荷狀態(tài)下常常只能通過調節(jié)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(tài),即使當熱負荷很小時,也必須至少開一臺,電機軸上的輸出功率遠大于實際負荷的需要,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(jié)能效果顯著。水泵的變頻調速裝置就是通過調節(jié)水泵的轉速以使水泵流量隨負荷變化而變化,達到節(jié)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,又由于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于電源頻率,只要能平滑調節(jié)電源頻率,就能平滑調節(jié)電機轉速。水泵變頻調速就是通過改變電源頻率來調節(jié)水泵轉速的一種。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(jié),不僅避免了采用閥門調節(jié)造成的浪費,而且還極大的提高控制和調節(jié)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

  對于深井泵來說,由于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(jié)器組成閉環(huán)控制系統(tǒng),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于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(jié)器中,PID調節(jié)器根據溫度設定值和溫度反饋值的偏差進行PID運算,然后輸入給變頻器一個提高電機運轉頻率的信號,加大水泵轉速和流量,直到溫度與設定值一致;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(xù)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(huán)泵變頻調速控制方案

  由于該熱水循環(huán)系統(tǒng)由兩臺型號相同的水泵并聯(lián)運行,為了實現兩臺水泵電機轉速連續(xù)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(jié)約能源;同時也為了節(jié)省變頻器等設備的初投資,作者擬采用一定一變形式,即只有一臺水泵配備變頻器作調速運行,另一臺仍為定速運行?刂葡到y(tǒng)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(tǒng)控制的核心部件,以末端最不利環(huán)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(jié)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(huán)控制,自動調整恒壓差變量供水。

  當系統(tǒng)負荷較小時,只需一臺電機工作在低于工頻狀態(tài)下即可滿足要求時,PLC利用變頻器軟啟動一臺水泵,根據壓差變送器反饋來的信號(0~10V)自動調節(jié)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(tǒng)不頻繁切換水泵,延時一段時間,若壓差仍低于設定值時,則PLC將當前工作的變頻泵切換至工頻50HZ狀態(tài)下運行,關斷變頻器,再由變頻器從0HZ軟啟動下一臺水泵,并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,實現一臺變頻一臺工頻雙泵供水。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,供水壓差高于設定值,同樣延時一段時間后,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(tǒng)是單泵變頻運行還是雙泵一定一變運行,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(jié)能

  5.1變頻節(jié)能計算

  本文參照【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(tǒng)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)

  而采用變頻調速后全年用電量Q2為:

  Q2=N·(τ夏+τ冬),KWh(4)

  則全年可節(jié)省的電量為

  ΔQ=Q1-Q2=N·t-N·(τ夏+τ冬),KWh(5)

  靜態(tài)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(jié)省的運行費用(主要是能源費用),元

  湖南省商業(yè)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(qū)得出,由于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

  τ夏=3097.32-102.16tnsτ冬=567.37+36.43tns(7)

  tns-室內設計濕球溫度值這里夏季取tns=20.3℃;冬季取tns=12.3℃。

  代入式(7)得:τ夏=1023.4h,τ冬=1015.5h

  5.2深井泵節(jié)能效果

  深井泵銘牌額定功率N=7.5KW,一臺,擬選富士FRN7.5G11S-4CX變頻器一臺,市場報價6410元,加上其它外圍設備共計總投資為M0=7000元。將其數據代入上式(5)、(6)中得:

  ΔQ=Q1-Q2=7.5*6*30*18-7.5(1023.4+1015.5)=9008.25KWh

  折合成人民幣每年可節(jié)約電費M1=9008.25*0.98=8828元,節(jié)能效果顯著。

  靜態(tài)投資回收期n=

  

  =0.79年,9個半月即可回收初投資。

  5.3熱水循環(huán)泵節(jié)能效果分析

  熱水循環(huán)泵銘牌額定功率N=2.2KW,兩臺,擬選富士FRN2.2G11S-4CX變頻器一臺,市場報價3920元,三菱FX2N-16MR-001PLC可編程控制器一臺,市場報價3080元,加上其它外圍設備共計總投資為M0′=8000元。將其數據代入上式(5)、(6)中得:

  ΔQ′==2.2*2*30*6*18-2.2*2(1023.4+1015.5)=5284.4KWh

  折合成人民幣每年可節(jié)約電費M1′=5284.4*0.98=5179元,節(jié)能效果顯著。

  靜態(tài)投資回收期n′=

  

  =1.5年,一年半即可回收初投資。

  6 結論

  綜上所述,根據地下水源熱泵中央空調系統(tǒng)的運行特點,提出采用變頻控制裝置對系統(tǒng)進行改造,在保證不低于熱泵機組對水量的最低要求,自動調節(jié)水泵流量以滿足負荷的變化,節(jié)能效果顯著,靜態(tài)回收期短,具有一定的可行性。

  小編推薦:如何控制防洪工程建設成本的投資

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