深井泵變頻技術在地下水源熱泵中的應用

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    摘要：目前，在地下水源熱泵空調系統中，經常一臺深井泵的供水量能滿足兩臺或更多熱泵機組所需的水量。但是在實際運行中發現，熱泵機組大部分時間都在部分負荷運行，而深井泵一直處于滿負荷運行，結果造成了電費及水費的大量增加。針對這個問題，本文以實際工程為例，采用深井泵變頻技術變流量供水，既滿足熱泵對井水的要求，又節省了電能和井水量，介紹了深井泵變頻控制方法和原理、變頻范圍的確定，并根據深井泵運行情況實測結果，分析其節能效果和經濟性。

    關鍵詞：深井泵 節能效果 變頻范圍 供水量 耗電量
    

    1 前言

    近幾年來，變頻調速技術以其顯著的節能效果和可靠的控制方式在空調系統中水泵和風機應用較多，并且其技術也比較成熟，但在地下水源熱泵空調系統中深井泵供水應用，目前還很少見，但是卻相當有必要。對沈陽地區的地下水源熱泵應用試點調查發現，在地下水源熱泵空調系統中，當熱泵容量不大一臺深井泵的供水量能滿足兩臺或更多熱泵機組所需的水量。在實際運行中發現，熱泵機組大部分時間部分負荷運行，而深井泵一直在滿負荷狀態運行，結果造成了電費及水費的大量增加。因此深井泵變頻調速供水技術在地下水源熱泵系統中的應用具有很大的節能潛力。

    2 工程概況

    本文的分析以實際工程冬季運行為研究對象，工程概況如下：

    某高校新校區辦公樓層數五層，建筑面積11030m2，夏季空調設計冷負荷為894kw，冬季空調設計熱負荷為1012kw。辦公樓冷熱源采用兩臺地下水源熱泵機組，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，一臺抽水泵抽水量160m3/h，功率37kw。冬季運行時間：11月份~3月份，每天24小時運行。

    3 深井泵變頻調速供水控制方法

    深井泵采用溫差控制法。由于熱泵機組在制熱工況下，必須保證蒸發器出水溫度不能過低，所以在深井泵回水管道上設溫度傳感器，設定溫度為tjh。井水源側回水溫度大于tjh值時，深井泵控制器向變頻器發出降低電流頻率信號，變頻器將輸入電源的頻率降低，深井泵的轉數相應降低，水泵供水量、軸功率和電動機輸入功率也隨之降低，從而達到了節能的目的。當水源側回水溫度低于tjh值時，增頻調節。

    4 水泵變速調節原理

    改變水泵的轉速，可以改變水泵的性能，從而達到調節工況點的目的。根據相似定律，對于同一臺水泵以不同轉速運行時，水泵的流量、揚程、軸功率與轉速的關系，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――水泵額定轉速，r/min；n――實際運行工況下的轉速，r/min；

    Qe――水泵額定轉速時的流量，m3/h；Q――實際運行工況下的流量，m3/h；

    He――水泵額定轉速時的揚程，m；H――實際運行工況下的揚程，m；

    Pe――水泵額定轉速時的功率，kw；P――實際運行工況下的功率，kw。

    由（1）式和（2）式，可得

    H1/Q12=H2/Q22=k(4)

    即H=kQ2(5)

    (5)式是以坐標原點為頂點的二次拋物線，線上各點具有相似工況，由相似定律知，當水泵前后的轉速變化的時候，水泵效率不變，故相似工況拋物線也稱等效率曲線。因此從節能角度考慮，通常采用改變水泵轉速的方法來改變水泵的工況點，盡量使其在高效率范圍內工作。 

    5 水泵變頻范圍的確定

    當熱泵機組負荷變化時，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。

    熱泵機組所需的z*小流量為40m3/h（設備要求），即為深井泵的z*小供水量，則深井泵的z*小轉速：得：

    nmin=Qmin/Qe×ne=40/160×2900=725轉/分

    冬季制熱工況深井泵的變頻范圍：725轉/分～2900轉/分。
    

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    6 不同頻率下深井泵供水量和耗電量

    深井泵變頻供水設備采用HT微機控制變頻調速給水設備，其中變頻器型號為（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測結果如圖2、圖3所示：
    
     

    分析圖2、圖3，可以得出：當電源輸入的頻率下降時，深井泵的供水量和耗電量也隨著逐漸降低。當頻率45hz下降到30hz時，深井泵供水量由122m3/h下降到54m3/h，與額定轉速時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，與額定轉速時的輸入功率相比分別下降了29.1%、75.9%。由此可見，節能效果相當明顯。但是當頻率下降到20hz時，雖然深井泵仍在運行，由于揚程不夠，供水量接近等于零。
    

    7 深井泵變頻運行實測及節能效果分析

    7.1深井泵日運行情況實測和分析

    下面對12月20日的深井泵變頻運行的供水量和耗電量進行測試如圖4、圖5所示：  

    由圖4、圖5，可見：該天，熱泵機組大部分的時間都是在部分負荷運行，而且運行z*高負荷不超過機組z*大負荷50%（即一臺熱泵機組額定負荷100%），負荷為額定負荷37.5%的運行時間占了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，節省了76.2%。節能效果顯著。

    7.2整個供暖期深井泵運行工況實測和節能效果分析

    通過整個冬季供暖期深井泵實際運行工況跟蹤測量，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省供水量82222m3、80924m3、78942m3、77440m3、84841m3。整個冬季供暖期深井泵采用變頻技術后，總共節省供水量404369m3。同樣，深井泵采用變頻技術后，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省21136.8kwh、21284.5kwh、20813kwh、20155.4kwh、21858.2kwh。整個冬季供暖期深井泵采用變頻后，總共節省耗電量105247.9kwh。   

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