水環(huán)熱泵系統(tǒng)的變水量運(yùn)行及其相關(guān)問(wèn)題

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簡(jiǎn)介：京杭大運(yùn)河有著千年的歷史，千里的長(zhǎng)度。溝通五水系，流經(jīng)六省市，集航運(yùn)、灌溉、防洪工程于一體，是古代中國(guó)南北方向唯一的內(nèi)陸水上交通大動(dòng)脈，工程歷史悠久，內(nèi)涵豐富。結(jié)合南水北調(diào)從規(guī)劃京杭大運(yùn)河工程地理位置因素的考慮，對(duì)歷史政治、經(jīng)濟(jì)及軍事等方面的作用以及規(guī)劃思想、治理策略研討。

　　關(guān)鍵字：京杭大運(yùn)河 地理位置因素

　　經(jīng)濟(jì)摘要：本文從理論上闡述了水環(huán)熱泵系統(tǒng)變水量運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)意義，并且針對(duì)工程實(shí)際提出了水環(huán)熱泵變水量系統(tǒng)的水泵配置及其控制方式。

　　關(guān)鍵詞：水環(huán)熱泵 變水量 水泵 控制

　　Abstract： in this paper， presents economic idea about VWV of water recourse heat pump in the theory. Introduces water pump arrangement about VWV system of water recourse heat pump and control about it from engineering .

　　Keyword： water recourse， VWV， water pump， control

　　目前在房地產(chǎn)領(lǐng)域水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)由于其具有系統(tǒng)效率高（相比風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)）、投資零活、便于獨(dú)立計(jì)費(fèi)等特點(diǎn)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，也取得了一定地經(jīng)濟(jì)效益。然而該系統(tǒng)在使用過(guò)程中也暴露了一些問(wèn)題。如在部分負(fù)荷條件下如何減少水泵的運(yùn)行電耗？

　　在房地產(chǎn)項(xiàng)目的空調(diào)系統(tǒng)中目前多采用分區(qū)分戶獨(dú)立設(shè)置水環(huán)熱泵機(jī)組，使用時(shí)各區(qū)（戶）根據(jù)自身需要決定開(kāi)停時(shí)間和所需的溫度。冷卻水系統(tǒng)集中設(shè)置。收費(fèi)時(shí)各區(qū)（戶）各自電表分別計(jì)費(fèi)，集中設(shè)置的水泵和冷卻塔的電費(fèi)由各家用戶分?jǐn)?。這樣就帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題在過(guò)渡季節(jié)和只有少數(shù)用戶入住的情況下如何減少水泵的電耗。關(guān)于這一點(diǎn)我們自然會(huì)想到讓水泵采用變水量運(yùn)行。但問(wèn)題在于常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍水泵的變水量的極限范圍是由冷水機(jī)組蒸發(fā)器型式?jīng)Q定的，一般是滿液式蒸發(fā)器不小于額定水量的70％，干式蒸發(fā)器和溴化鋰機(jī)組蒸發(fā)器不小于額定水量的50％。但對(duì)于水環(huán)熱泵系統(tǒng)而言其部分負(fù)荷有可能達(dá)到10％甚至以下，如何在這樣小的負(fù)荷下保持水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行呢？水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中又要采取哪些措施呢？

　　第一：各臺(tái)水環(huán)熱泵機(jī)組的冷卻水進(jìn)品均設(shè)置二通閥，其開(kāi)關(guān)與機(jī)組聯(lián)動(dòng)，機(jī)組開(kāi)其開(kāi)，機(jī)組關(guān)其也關(guān)閉。

　　第二：機(jī)組側(cè)水泵的開(kāi)停與二通閥聯(lián)動(dòng)，系統(tǒng)中只要有一只二通閥處于開(kāi)啟狀態(tài)機(jī)組側(cè)水泵就投入運(yùn)行．

　　第三：機(jī)組側(cè)水泵根據(jù)供回壓差進(jìn)行變頻控制．

　　第四：水泵在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮負(fù)荷特點(diǎn)合理搭配大小．

　　第五：冷卻塔（鍋爐）側(cè)水泵根據(jù)系統(tǒng)回水溫度決定開(kāi)停．（32℃以上或16℃以下）

　　上述方案在執(zhí)行過(guò)程中主要要解決兩個(gè)問(wèn)題。第一是根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)如何合理配置機(jī)組側(cè)水泵。第二是系統(tǒng)采用何種控制方式．針對(duì)這兩點(diǎn)我們分別給與闡述．

　　1 機(jī)組側(cè)水泵配置

　　采用水泵變速運(yùn)行的變水量系統(tǒng)在選擇水泵時(shí)應(yīng)注意兩點(diǎn)，

　　第一，要防止變速后水泵的振動(dòng)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(tǒng)由于二通閥的關(guān)閉造成其管路特性曲線的變化，從而使水泵的工作點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)。（關(guān)于這一點(diǎn)可在水泵選型時(shí)由生產(chǎn)廠家來(lái)進(jìn)行校核）

　　下面我們通過(guò)一個(gè)個(gè)工程實(shí)例來(lái)說(shuō)明變水量系統(tǒng)的水泵選型。某房地產(chǎn)工程采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，其冷卻水總量為600t/h，該系統(tǒng)最小負(fù)荷有可能達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷的5%.，正常情況下配置三臺(tái)水泵，每臺(tái)流量為200 t/h.假設(shè)水泵的額定轉(zhuǎn)速均為1450r/min.當(dāng)部分負(fù)荷為5%時(shí)，如果循環(huán)水量隨之降低，那么水泵此時(shí)的轉(zhuǎn)速將要達(dá)到218 r/min（定壓系統(tǒng)水泵流量與轉(zhuǎn)速成一次方關(guān)系）。那么這時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況呢？

　　我們知道一臺(tái)轉(zhuǎn)速為1450 r/min水泵的振動(dòng)頻率約為24HZ，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速減為218 r/min時(shí)水泵的振動(dòng)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(guò)程中就會(huì)發(fā)生共振。因此為了防止共振（同時(shí)也為了控制水泵振動(dòng)的傳遞率），對(duì)與一般民用建筑而言水泵振動(dòng)頻率與減震器固有頻率之比應(yīng)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(dòng)頻率應(yīng)在15HZ以上，水泵的轉(zhuǎn)速最低應(yīng)不小于900 r/min（此時(shí)水泵流量約為120 t/h）。這個(gè)轉(zhuǎn)速正好對(duì)應(yīng)系統(tǒng)處于20%的部分負(fù)荷下。因此為了保證系統(tǒng)處于更低負(fù)荷時(shí)水泵也能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，我們?cè)谒到y(tǒng)設(shè)計(jì)中另外配置了一臺(tái)小水泵。

　　小水泵配置依據(jù)是當(dāng)一臺(tái)大水泵運(yùn)行至其最低轉(zhuǎn)速時(shí)，如果系統(tǒng)負(fù)荷仍進(jìn)一步下降，那么大水泵停機(jī)，開(kāi)啟小水泵。也就是小水泵的最大流量為一臺(tái)大水泵的調(diào)速后的最小流量。

　　本例中小水泵的流量應(yīng)為120 t/h（其額定轉(zhuǎn)速仍為1450 r/min）。當(dāng)其轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，流量約為75 t/h，這個(gè)流量約對(duì)應(yīng)12.5%的部分負(fù)荷。這樣的水泵配置基本上可滿足水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。如果還需隨負(fù)荷下降進(jìn)一步降低水流量，那還可配一臺(tái)更小流量的水泵。其原則同。本例中這臺(tái)水泵的額定流量為75 t/h（額定轉(zhuǎn)速為1450 r/min），當(dāng)其轉(zhuǎn)速降為900 r/min時(shí)，水泵流量降為45 t/h，基本對(duì)應(yīng)系統(tǒng)7.5%的部分負(fù)荷。這種配置方式可進(jìn)一步降低水泵在低負(fù)荷時(shí)的電耗。

　　2 變水量系統(tǒng)控制方式

　　變水量系統(tǒng)采用DDC控制方式，這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是（1）整個(gè)系統(tǒng)系統(tǒng)可靠、節(jié)能。（2）產(chǎn)品價(jià)格日趨低廉、安裝費(fèi)用低、節(jié)省空間。（3）使用方便、升級(jí)容易、安全性強(qiáng)。（4）有技術(shù)支持。（5）可以實(shí)現(xiàn)水泵軟啟動(dòng)，使啟動(dòng)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)影響小。

　　整個(gè)控制系統(tǒng)是在每個(gè)樓層或一定的空調(diào)區(qū)域設(shè)置一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制器，當(dāng)有一臺(tái)水環(huán)熱泵機(jī)組投入使用后與其對(duì)應(yīng)的二通閥即打開(kāi)（機(jī)組與二通閥間的控制由機(jī)組自身配套控制器實(shí)現(xiàn)）。二通閥開(kāi)戶信號(hào)傳至現(xiàn)場(chǎng)控制器，再由現(xiàn)場(chǎng)控制器將信號(hào)傳至整個(gè)樓宇的中央集中控制器，最后由中央集中控制器將信號(hào)傳至水泵，控制水泵啟動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)中所有水環(huán)熱泵機(jī)組均停止工作時(shí)，所有二通閥均關(guān)閉，此時(shí)沒(méi)有信號(hào)傳至現(xiàn)場(chǎng)控制器，中央集中控制器也無(wú)信號(hào)輸入，這時(shí)其即控制水泵關(guān)閉。

　　中央集中控制器將信號(hào)傳至水泵（組）后，水泵啟動(dòng)。根據(jù)上面的例子75 t/h流量的小水泵先啟動(dòng)。該水泵啟動(dòng)后其轉(zhuǎn)速由機(jī)組側(cè)的供回水壓差控制，隨著系統(tǒng)中投入運(yùn)行的機(jī)組增多，呈開(kāi)啟狀態(tài)的二通閥也隨之增多，系統(tǒng)供回水壓差逐漸減小，水泵的轉(zhuǎn)速逐漸提高。當(dāng)小水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速后供回水壓差如果再減小，這臺(tái)小水泵停止運(yùn)行，流量為

　　120 t/h的水泵接著投入運(yùn)行，如果系統(tǒng)中呈開(kāi)啟狀態(tài)的二通閥繼續(xù)增多，系統(tǒng)供回水壓差繼續(xù)減小，水泵的轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，當(dāng)水泵達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速時(shí)，如果供回水壓差再下降那么這臺(tái)水泵停止運(yùn)行，一臺(tái)200 t/h流量的水泵開(kāi)始投入。這臺(tái)水泵的轉(zhuǎn)速仍由供回水壓差控制逐漸提高，當(dāng)達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速后，如果供回水壓差再下降，第二臺(tái)200 t/h流量的水泵投入運(yùn)行。這時(shí)第一臺(tái)200 t/h流量的水泵減速，這兩臺(tái)水泵同時(shí)受供回水壓差控制保持同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)這兩臺(tái)水泵均達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，如果壓差繼續(xù)下降那么第三臺(tái)200 t/h流量的水泵繼續(xù)投入運(yùn)行。此時(shí)原來(lái)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的兩臺(tái)水泵減速，三臺(tái)水泵同受供回水壓差控制保持同步轉(zhuǎn)速，直至系統(tǒng)達(dá)到滿負(fù)荷狀態(tài)三臺(tái)水泵均達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。

　　對(duì)于冷卻塔（鍋爐）側(cè)水泵其開(kāi)停受機(jī)組側(cè)水泵的回水溫度控制，采用定水量運(yùn)行模式。回水溫度超過(guò)32℃時(shí)水泵開(kāi)啟，冷卻塔投入運(yùn)行。當(dāng)回水溫度低于16℃時(shí)水泵開(kāi)啟，鍋爐投入運(yùn)行。

　　3 變水量運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

　　機(jī)組側(cè)水泵采用變水量運(yùn)行模式后其節(jié)能效果究竟如何？我們?nèi)愿鶕?jù)前面的工程實(shí)例做一分析。

　　該房地產(chǎn)項(xiàng)目為一綜合工程，其內(nèi)包括辦公、商場(chǎng)、住宅等部分。其全年空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為250天。（即6000小時(shí)）整個(gè)樓宇全年空調(diào)負(fù)荷分布見(jiàn)表一：

　　表一 樓宇全年空調(diào)負(fù)荷分布表

負(fù)荷率% 5 10 20 30 40 50 時(shí)間頻數(shù)h 300 400 400 500 750 800 負(fù)荷率% 60 70 80 90 100   　 時(shí)間頻數(shù)h 1000 800 700 300 50   　

　　幾種型號(hào)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(jù)定壓系統(tǒng)水泵流量與輸入功率呈一次方關(guān)系，我們可以計(jì)算出變水量系統(tǒng)的水泵在不同空調(diào)負(fù)荷率下的輸入功率。見(jiàn)表二。

　　表二 空調(diào)系統(tǒng)部分負(fù)荷條件下的水泵輸入功率（變水量1）

負(fù)荷率% 5 10 20 30 40 50 輸入功kw 4.5 6 11 19.8 27.2 33 耗電kwh 1350 2400 4400 9900 20400 26400 負(fù)荷率% 60 70 80 90 100   　 輸入功kw 39.6 46.2 52.8 59.4 66   　 耗電kwh 39600 36960 36960 17820 3300 累199490   　　如果本工程水泵不配置另外兩臺(tái)小水泵，僅對(duì)三臺(tái)大水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。那么在部分負(fù)荷條件下全年水泵電耗將會(huì)怎樣呢？見(jiàn)表三。   　　表三 空調(diào)系統(tǒng)部分負(fù)荷條件下的水泵輸入功率（變水量2）   負(fù)荷率% 5 10 20 30 40 50 輸入功kw 13.6 13.6 13.6 19.8 27.2 33 耗電kwh 4080 5440　 5440 9900 20400 26400　 負(fù)荷率% 60 70 80 90 100   輸入功kw 39.6 46.2 52.8 59.4 66   　 耗電kwh　 39600 36960 36960 17820 3300 累206300   　　表四為空調(diào)水系統(tǒng)不采用變水量方案，機(jī)組側(cè)三臺(tái)大水泵采用定水量運(yùn)行時(shí)全年水泵電耗。此類(lèi)系統(tǒng)目前在水環(huán)熱泵系統(tǒng)中很常見(jiàn)，每臺(tái)水環(huán)熱泵機(jī)組進(jìn)水口處均不設(shè)二通閥，系統(tǒng)中有少量機(jī)組投入運(yùn)行三臺(tái)大水泵就必須同時(shí)全部投入運(yùn)行。   　　表四 空調(diào)系統(tǒng)部分負(fù)荷條件下的水泵輸入功率（定水量）
負(fù)荷率% 5 10 20 30　 40 50 輸入功kw 66 66 66 66 66 66 耗電kwh 19800 26400 26400 33000 49500 52800 負(fù)荷率% 60 70 80 90 100   輸入功kw 66 66 66 66 66   　 　　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(jié)電達(dá)49.6%，變水量方案2與定水量方案相比年節(jié)電達(dá)47.9%.由此我們可以得出在水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中水泵采用變水量運(yùn)行方案的經(jīng)濟(jì)意義。另外變水量方案1與變水量方案2之間的節(jié)電效果并不明顯，這主要是因?yàn)樵诒纠锌照{(diào)系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)。通過(guò)本例也可讓我們得出這樣的經(jīng)驗(yàn)，在空調(diào)系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)的情況下，在變水量系統(tǒng)水泵配置中可直接配置二至三臺(tái)大流量水泵，而不需另外配置小流量水泵。這樣可使水系統(tǒng)的控制更為簡(jiǎn)化。只有在空調(diào)系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，從進(jìn)一步節(jié)能的角度出發(fā)需要另外配置一至二臺(tái)小流量水泵。   　　參考文獻(xiàn)   　　1. 姚國(guó)梁。 空調(diào)變頻水泵節(jié)能探討。 暖通空調(diào)， 2004，6： 32~34   　　2. 張維佳，潘達(dá)林編著。 工程流體力學(xué)。 北京。 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2001   　　3. 陸耀慶主編。 實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)。 北京。 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 1993   　　4. 顧興鎣主編。 民用建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)技術(shù)措施。 第二版。 北京。 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 1996