变频地源热泵的节能研究

2007年第 2期 制冷与空调 2l 变频地源热泵的节能研究 洪朝林 杨 进 杨 吉 (湖南科技大学 湘潭 411201) 【摘 要】 介绍了温差控制变频调速控制系统的应用，分析其可行性和控制要求，并结合相似实例，说明了 该方法确实可行。 【关键词】 地源热泵；变频调速；节能 Study of Energy Saving in Frequency-conversion Ground Source Heat Pump HongChaolin Yang Ji Yang Jin (Hunan university of science and technology) [Abstract] Presents~equency—conversion timing sy~em in using temperature difference to control，analyses its feasibility and controlling deman d．Combined with similar example，explain this method is indeed available． [Keywords] ground SOUrCe heat pump：fi'equency—conversion timing；energy saving 0 引言 热泵技术的发展有利于合理利用自然资源， 有利于环境污染的治理，是节能科技的亮点之一。 但与其他空调系统一样要考虑如何既满足空调舒 适度，又最大限度地节约能源。根据目前有关资料 统计，空调系统大部分时间是在 50~70％的负荷 下工作的，而且负荷随时间不断发生变化，为了使 冷水所载的冷量与经常变化着的负荷相匹配，节约 水输送动力和系统的运行费用，将变流量控制引入 热泵水系统成了理所当然的做法。空调系统的自动 控制在空调行业越来越得到重视，从根本上看，空 调系统的合理运行是建立在对系统科学控制的基 础上的。一般的控制系统是针对单系统变流量控制 的，而土壤源热泵变频控制系统需要对冷热源水泵 及热泵机组进行集中控制。水泵用变频控制达到变 流量运行。就土壤源热泵系统的水系统变流量的控 制方案问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 进行了研究分析。 l 地源热泵的发展 地源热泵技术充分利用地壳 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 层上壤中的可 再生地热能．通过消耗少量的电能，对室内进行供 暖或制冷。在我国的大部分地区，地面 5 m以下土 壤的平均温度十分稳定，基本不随季节变化。其系 统图如下： ’洪朝林，男，1981年 9月出生，工学学士 图 1 地源热 泵系统图 如图所示，地源热泵 (以下简称热泵)室外 换热器接有地热换热器环路。地热换热器的环路是 水或防冻剂溶液(常用防冻剂为乙一醇、氯化钙、 甲醇等)在地下机械循环的封闭环路 (其他的热泵 只是 换热源的不同)，冬季从周围土壤吸收热量， 夏季向土壤释放热量，其循环由机械循环泵来实 现。制冷剂环路是在热泵内部的循环，在此循环中 机械加压设备水泵在热源能耗中的分量比普通的 制冷机要高。因此对热泵侧的水泵进行控制使其能 和制冷机的运行工况匹配，能极大的提高运行效 率，能提高热泵机组使用寿命。 2 变频调速技术 变频调速技术是 20世纪 80年代迅速发展起 来的一种新型电力传动调速技术。它基于如下关系 异步交流电机其转速和频率关系： 维普资讯 http://www.cqvip.com miaolin1 新建图章 制冷与空调 2007年第 2期 N=60f／P (1) 式中 f为交流电频率 (工业电为 50hz)，P为电极 对数 (普通电机为常数) 而变频调速则是：通过微电子器件、电力电子 器件和控制技术，将供给交流电源经过整流成直 流，再逆变为频率可控制的交流电源，并用此带动 电机 (鼠笼电机)。与其他变频调速系统相比其具 有结构简单，调速范围广，精度高，运行稳定可靠。 其节能效果也很理想。这使其成为交流电机调速的 新的主流。在 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 实际运用来看。 1)可以实现平滑地无级调速。其调节精度高， 调速范围宽(O～100％)，频率变化范围大(2．4"--400 Hz)； 2)调节效率高。长期运行具有明显的节能效 果： 3)安装使用时方便。在具体的施工中，仅仅 需要将原有的电动机前增加变频器。 4)变频装置安全性高。如变频器发生故障， 可以迅速退出变频运行。 3 水泵变速调节原理 水泵的流量、扬程、轴功率与转速的关系，可 用下式表示： ： 一n (2) ne 导：( )z H e 、 ne‘ (3) ： ( ) (4) 式中：n卜 水泵额定转速，r／rain； I卜 实际运行工况下的转速，r／min； Qe——水泵额定转速时的流量，m ／h； 一 实际运行工况下的流量，m ／h； He一 水泵额定转速时的扬程，m； H——实际运行工况下的扬程，m； Pe一 水泵额定转速时的功率，KW； P．-一一实际运行工况下的功率，KW。 4 水系统流量调节可行性 空调 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 是按最大负荷设计，并附加一定的安 全系数，特别是在制冷机组端的系统，由于要保证 机组的安全度，其安全系数相对比较高。而如果定 流量运行的话，其水泵耗电量几乎常年不变，冷却 水普遍存在“大流量小温差”的问题，造成能源的浪 费，给城市的供配电系统带来了沉重的压力。下图 是一普通冷冻站的运行图。 25 26 27 28 29 30 31 92 33 34 35 ¨i曩越虞 ‘℃)I| _ 图 2 某冷冻 站供 回水温度 图 分析上图可知冷冻水的供回水温差都小于 2．5 度。而使用地源热泵时，其供水温度更低，因此可 以得出其温差还会更小。这说明地源热泵的变频控 制极有潜力。 如果使用变频控制方式，就相当于保持管路的 特性不变而移动水泵工作点使之沿管路特性曲线 移动，这样可保证水泵在高效率点运行，达到节能 效果。如下图 (3)将水泵工作点自A移到 B，只 有靠改变水泵转速 n才能实现。 图 3 水泵及 管路 特性图 对于闭式循环系统来说，水泵是变压变流量运 行，又由于是闭合环路，没有静压。其管路特性如 图 (3)所示。由于功率N与流量 Q的关系式为， 当流量减少时，耗功率相应按三次方的比例降低， 如前面所讲的对于大部分处于部分负荷运行的制 冷系统，其水泵的控制使用变频将有很大的节能效 果。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年第 2期 制冷与空调 5 变频调速控制方法变频范围的确定 在使用变频的流量的控制时，采用温差控制 法．下面以冬季工况为例，说明其控制思路。下图 为控制流程图： J{ L t— tr t‘ f t△ t)寿 脚 挂 一 算 挂 连 | 穰 垃 _ ’地 t i静 供 】‘■j■直 t。 却 目木 ■ 叠l盖 图 4 控制流程 图 检测供回水温度，由温差决定控制算法，具体 算法可灵活选择。这里不深究。需要注意的是冬季 运行时需要保证蒸发器的温度不能过低，因此需要 设置最小流量，即最小频率。其要保证制冷机的正 常工作。可用静态的方法算得，不过为简化直接用 水泵的标况来确定。 6 变流量对机组的耦合作用 对于相当于冷却水 (夏季运行冬季运行可认 为为冷冻水)的变流量设计，历来存在这样的疑问， 即由于水量的改变引起制冷量的改变，进而对这个 系统产生难以预料的变动。下面从冬季的工况作一 分析。冬季运行工况下，单变频后流量改变将减小 出水温差。但因为地下埋管的供水温度在机组的部 分运行时，可视为恒温 (长时间运行过程中会有温 度下降的趋势，但设定为恒温分析是合理的)，而 变频采用的是温差控制，这样可认为蒸发器的工作 状态是固定不变的，因此流量的变化对制冷机的影 响不会很大，文献 2提出对冷却水采取不变流量的 看法，而在制冷机组商的样本中都有冷却水流量变 化对制冷量的影响曲线。在文献 3指出在其他条件 不变的情况下，冷却水 (即作为夏季工况时)量减 少 l0％，制冷量下降3％左右。但是这些都是有个 前提，即都是在运行 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 工况时，单独调节冷却水 量对制冷量的影响。而实际上对于变频控制的是因 为制冷机的负荷变化引起的，而变频的控制只是对 于负荷变化的调节适应。变流量并不会主动引起制 冷量的变化，从而对系统不利。 7 不同频率下供水量和耗电量的关系 供水量和耗电量关系图如下： 芎 角 矗 一< 莉荤 图 5 不同频率下泵供水量情况 图 6 不同频率下深井泵耗电量情况 电机在不同频率下运行的节电效果： a)频率下降 10％情况下的节电率： 1-(1．10％)。=27．1％； b)频率下降 15％情况下的节电率： 1．(1．15％)。=38．6％； c)频率下降20％情况下的节电率： 1-(1．20％ 。=48．8％： d)频率下降25％情况下的节电率： 1-(1．25％)。=57．8％； e)频率下降30％情况下的节电率： 1-(1．30％ =65．7％： 理论上的频率下降的越多，节电率越大，不过 在工程中如果频率下降很多，而且长期稳定的话， 说明设备选型上面出现失误。所以频率下降范围是 有限的。分析图可以得出：当电源输入的频率下降 时，供水量和耗电量也随着降低。由此可见，节能 效果相当明显。需要注意的是在图中频率是有限制 的，在图中可知，频率为 2 0Hz时，由于压力不 够所以流量很小，几乎接近于零。这在冬季运行中 是必须注意要避免的。 我们做夏季工况的计算，先做必要的假设如 下 ： 1)地源热泵的供水基本稳定，取 l8~C。 2)回水温度基本稳定，取 23℃。 维普资讯 http://www.cqvip.com 24 制冷与空调 2007年第 2期 说明：地下水的温度随地点的不同而不同，但是总 的来说，在适合发展地源热泵的北方，华北地区为 例，其地下 100米约 16"C，因此设定的温度是合 理的。回水温度随变频的控制设定不同而不同，这 里取设置 5"C的温差。 从常年得运行角度分析： cOl l=O CQ2 2=O 与前面的冷冻站的比较可知，取温差为 2．5℃，并 且设变频器的效率为 0．9可算得，在使用变频地源 热泵时，在冷却水端耗电量减少为 60％，其节能效 果非常明显。耗能比为其改用变频地源热泵时，其 能耗可以大大的降低。 8 结论 (5) 本文对变频变流量调节在地源热泵空调中的 运用进行初步探讨可以得出，变频变流量调节节能 (6) 效果显著。 Ql是原来运行的流量，>，I是运来运行时的供回水 温差， 是变频后得流量，>t2是变频后得供回水 温差。两者的总热量 Q相等即： Q得： 堕 ： 生 (7) 式可知： =芳带入加 中可知： ： (8) 眦 出 ( t>TI" 每 参考文献 【1】徐剑波，周亚素．空调冷却水系统节能运行分析【J】．中 国纺织大学学报，1998 (6)：54~58 【2】赵国相，李岩成，贾国奇等．离心泵的变频调速与节能 【J】．石油矿场机械，2005 34(5)； 107～108 【3】晓军．空调系统能耗与水泵变频调速技术应用分析[J】． 苏州城建环保学院学报，2001(6)：72~77 【4】4 赵永成，许立．水泵变频调速节能分析【J】．大连铁道学 院学报，1995(6)：84~87 【5】陆伯和．变频调速节 电技术在制冷空调中的应用．暖 通空调，1992(2)：l1～13 【6】变频调速技术在风机、泵类应用中的节能分析【J】．工控 大世界 (上接第27页) 4 结语 基于经典控制理论的 PID 控制方法已经广泛 地用于空调系统之中，能够达到一定的控制效果。 本文所介绍的基于广义预测控制思想的 自适应 PID控制策略，与之相比而言其综合控制品质有着 明显的优势，能够很好的适用于空调系统中被控对 象时滞未知以及变化的情况，并且在一定程度上减 小了广义预测控制算法在线求解时的计算量，减少 了由于硬件及软件升级而耗费的资金。提高了中央 空调系统的空调质量，保证了系统的控制精度，降 低了能耗。 参考文献 【l】席裕庚．预测控制【M】．北京：国防工业出版社，1993 【2】王伟．广义预测控制理论及其应用【M】．北京：科学出 版社，1998 【3】M．mXu ShaoyuanLi,Wenjian cai,eta1．Effectsofa GPC-PID control strategy witI1 hierarchical structure for a cooling coil unit[J]．Energy Conversion and Management．47(2006)132-145 [4】4 K．Ozawa．A Tuning．Method for PID Controller Using Optimization Subject to Constaints on Control Input[J]． ASHRAE Transaction，2003 【5】Kasahara, Matsuba．Design and tuning of robust P1D controller for HVAC systems[J]．ASHRAE Transactions， 1999，105(2)：154—166 【6】李国勇．智能控制及其 MATLAB实现【M】．北京：电子 工业出版社，2005 【7】张葛祥，李娜．Matlab仿真技术与应用[MI．北京：清华 大学出版社，2003 维普资讯 http://www.cqvip.com Button145: