【關鍵詞】水環熱泵,變水量,水泵,控制

【摘要】本文從理論上闡述了水環熱泵系統變水量運行的經濟意義,并且針對工程實際提出了水環熱泵變水量系統的水泵配置及其控制方式。 

　　目前在房地產領域水環熱泵空調系統由于其具有系統效率高（相比風冷熱泵系統）、投資零活、便于獨立計費等特點應用相當廣泛，也取得了一定地經濟效益。然而該系統在使用過程中也暴露了一些問題。如在部分負荷條件下如何減少水泵的運行電耗？

　　在房地產項目的空調系統中目前多采用分區分戶獨立設置水環熱泵機組，使用時各區（戶）根據自身需要決定開停時間和所需的溫度。冷卻水系統集中設置。收費時各區（戶）各自電表分別計費，集中設置的水泵和冷卻塔的電費由各家用戶分攤。這樣就帶來了一個問題在過渡季節和只有少數用戶入住的情況下如何減少水泵的電耗。關于這一點我們自然會想到讓水泵采用變水量運行。但問題在于常規中央空調系統冷凍水泵的變水量的極限范圍是由冷水機組蒸發器型式決定的，一般是滿液式蒸發器不小于額定水量的７０％，干式蒸發器和溴化鋰機組蒸發器不小于額定水量的５０％。但對于水環熱泵系統而言其部分負荷有可能達到１０％甚至以下，如何在這樣小的負荷下保持水系統的經濟運行呢？水系統在設計中又要采取哪些措施呢？

　　第一：各臺水環熱泵機組的冷卻水進品均設置二通閥，其開關與機組聯動，機組開其開，機組關其也關閉。

　　第二：機組側水泵的開停與二通閥聯動，系統中只要有一只二通閥處于開啟狀態機組側水泵就投入運行．

　　第三：機組側水泵根據供回壓差進行變頻控制．

　　第四：水泵在系統設計過程中應考慮負荷特點合理搭配大小．

　　第五：冷卻塔（鍋爐）側水泵根據系統回水溫度決定開停．（３２℃以上或１６℃以下）

　　上述方案在執行過程中主要要解決兩個問題。第一是根據負荷特點如何合理配置機組側水泵。第二是系統采用何種控制方式．針對這兩點我們分別給與闡述．

　　1 機組側水泵配置

　　采用水泵變速運行的變水量系統在選擇水泵時應注意兩點,

　　第一,要防止變速后水泵的振動頻率與隔振裝置的固有頻率相同形成共振。

　　第二，要防止水系統由于二通閥的關閉造成其管路特性曲線的變化，從而使水泵的工作點進入喘振區。（關于這一點可在水泵選型時由生產廠家來進行校核）

　　下面我們通過一個個工程實例來說明變水量系統的水泵選型。某房地產工程采用水環熱泵空調系統，其冷卻水總量為600t/h，該系統最小負荷有可能達到設計負荷的5%。，正常情況下配置三臺水泵，每臺流量為200 t/h。假設水泵的額定轉速均為1450r/min。當部分負荷為5%時，如果循環水量隨之降低，那么水泵此時的轉速將要達到218 r/min（定壓系統水泵流量與轉速成一次方關系）。那么這時會發生什么情況呢？

　　我們知道一臺轉速為1450 r/min水泵的振動頻率約為24HZ，當水泵轉速減為218 r/min時水泵的振動頻率約為3.6HZ。而一般的減震器的固有頻率約在3~6HZ。這樣水泵在減速過程中就會發生共振。因此為了防止共振（同時也為了控制水泵振動的傳遞率），對與一般民用建筑而言水泵振動頻率與減震器固有頻率之比應在2.5以上。本例中假定減震器固有頻率為6HZ，那么水泵的振動頻率應在15HZ以上，水泵的轉速最低應不小于900 r/min（此時水泵流量約為120 t/h）。這個轉速正好對應系統處于20%的部分負荷下。因此為了保證系統處于更低負荷時水泵也能經濟運行，我們在水系統設計中另外配置了一臺小水泵。

　　小水泵配置依據是當一臺大水泵運行至其最低轉速時，如果系統負荷仍進一步下降，那么大水泵停機，開啟小水泵。也就是小水泵的最大流量為一臺大水泵的調速后的最小流量。

　　本例中小水泵的流量應為120 t/h（其額定轉速仍為1450 r/min）。當其轉速為900 r/min時，流量約為75 t/h，這個流量約對應12.5%的部分負荷。這樣的水泵配置基本上可滿足水系統的經濟運行。如果還需隨負荷下降進一步降低水流量，那還可配一臺更小流量的水泵。其原則同。本例中這臺水泵的額定流量為75 t/h（額定轉速為1450 r/min），當其轉速降為900 r/min時，水泵流量降為45 t/h，基本對應系統7.5%的部分負荷。這種配置方式可進一步降低水泵在低負荷時的電耗。

　　2 變水量系統控制方式

　　變水量系統采用DDC控制方式，這種控制方式的優點是(1)整個系統系統可靠、節能。（2）產品價格日趨低廉、安裝費用低、節省空間。（3）使用方便、升級容易、安全性強。（4）有技術支持。（5）可以實現水泵軟啟動，使啟動過程對電網影響小。

　　整個控制系統是在每個樓層或一定的空調區域設置一臺現場控制器，當有一臺水環熱泵機組投入使用后與其對應的二通閥即打開（機組與二通閥間的控制由機組自身配套控制器實現）。二通閥開戶信號傳至現場控制器，再由現場控制器將信號傳至整個樓宇的中央集中控制器，最后由中央集中控制器將信號傳至水泵，控制水泵啟動。當系統中所有水環熱泵機組均停止工作時，所有二通閥均關閉，此時沒有信號傳至現場控制器，中央集中控制器也無信號輸入，這時其即控制水泵關閉。

　　中央集中控制器將信號傳至水泵(組)后，水泵啟動。根據上面的例子75 t/h流量的小水泵先啟動。該水泵啟動后其轉速由機組側的供回水壓差控制，隨著系統中投入運行的機組增多，呈開啟狀態的二通閥也隨之增多，系統供回水壓差逐漸減小，水泵的轉速逐漸提高。當小水泵的轉速達到其額定轉速后供回水壓差如果再減小，這臺小水泵停止運行，流量為

　　120 t/h的水泵接著投入運行，如果系統中呈開啟狀態的二通閥繼續增多，系統供回水壓差繼續減小，水泵的轉速繼續提高，當水泵達到其額定轉速時，如果供回水壓差再下降那么這臺水泵停止運行，一臺200 t/h流量的水泵開始投入。這臺水泵的轉速仍由供回水壓差控制逐漸提高，當達到其額定轉速后，如果供回水壓差再下降，第二臺200 t/h流量的水泵投入運行。這時第一臺200 t/h流量的水泵減速，這兩臺水泵同時受供回水壓差控制保持同步轉速。當這兩臺水泵均達到額定轉速后，如果壓差繼續下降那么第三臺200 t/h流量的水泵繼續投入運行。此時原來達到額定轉速的兩臺水泵減速，三臺水泵同受供回水壓差控制保持同步轉速，直至系統達到滿負荷狀態三臺水泵均達到額定轉速。

　　對于冷卻塔(鍋爐)側水泵其開停受機組側水泵的回水溫度控制，采用定水量運行模式。回水溫度超過32℃時水泵開啟，冷卻塔投入運行。當回水溫度低于16℃時水泵開啟，鍋爐投入運行。

　　3 變水量運行經濟性分析

　　機組側水泵采用變水量運行模式后其節能效果究竟如何?我們仍根據前面的工程實例做一分析。

　　該房地產項目為一綜合工程，其內包括辦公、商場、住宅等部分。其全年空調運行時間為250天。（即6000小時）整個樓宇全年空調負荷分布見表一:

　　表一  樓宇全年空調負荷分布表

負荷率% 5 10 20 30 40 50 時間頻數h 300 400 400 500 750 800 負荷率% 60 70 80 90 100   時間頻數h 1000 800 700 300 50  

　　幾種型號水泵的額定功率分別為：（1）流量200 t/h水泵，額定功率為22kw。（2）流量120 t/h水泵，額定功率為11kw。（3）流量75 t/h水泵，額定功率為7.5kw。根據定壓系統水泵流量與輸入功率呈一次方關系，我們可以計算出變水量系統的水泵在不同空調負荷率下的輸入功率。見表二。

　　表二  空調系統部分負荷條件下的水泵輸入功率（變水量1）

負荷率% 5 10 20 30 40 50 輸入功率kw 4.5 6 11 19.8 27.2 33 耗電量kwh 1350 2400 4400 9900 20400 26400 負荷率% 60 70 80 90 100   輸入功率kw 39.6 46.2 52.8 59.4 66   耗電量kwh 39600 36960 36960 17820 3300 累計199490

　　如果本工程水泵不配置另外兩臺小水泵，僅對三臺大水泵進行轉速控制。那么在部分負荷條件下全年水泵電耗將會怎樣呢？見表三。

　　表三 空調系統部分負荷條件下的水泵輸入功率（變水量2）

負荷率% 5 10 20 30 40 50 輸入功率kw 13.6 13.6 13.6 19.8 27.2 33 耗電量kwh 4080 5440 5440 9900 20400 26400 負荷率% 60 70 80 90 100   輸入功率kw 39.6 46.2 52.8 59.4 66   耗電量kwh 39600 36960 36960 17820 3300 累計206300

　　表四為空調水系統不采用變水量方案，機組側三臺大水泵采用定水量運行時全年水泵電耗。此類系統目前在水環熱泵系統中很常見，每臺水環熱泵機組進水口處均不設二通閥，系統中有少量機組投入運行三臺大水泵就必須同時全部投入運行。

　　表四  空調系統部分負荷條件下的水泵輸入功率（定水量）

負荷率% 5 10 20 30 40 50 輸入功率kw 66 66 66 66 66 66 耗電量kwh 19800 26400 26400 33000 49500 52800 負荷率% 60 70 80 90 100   輸入功率kw 66 66 66 66 66   耗電量kwh 66000 52800 46200 19800 4950 累計396000

　　從上面的比較我們可以看出變水量方案1與定水量相比年節電達49.6%，變水量方案2與定水量方案相比年節電達47.9%。由此我們可以得出在水環熱泵空調系統中水泵采用變水量運行方案的經濟意義。另外變水量方案1與變水量方案2之間的節電效果并不明顯，這主要是因為在本例中空調系統低負荷運行時間不長。通過本例也可讓我們得出這樣的經驗，在空調系統低負荷運行時間不長的情況下，在變水量系統水泵配置中可直接配置二至三臺大流量水泵，而不需另外配置小流量水泵。這樣可使水系統的控制更為簡化。只有在空調系統低負荷運行時間較長時，從進一步節能的角度出發需要另外配置一至二臺小流量水泵。