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空氣源熱泵空調水系統中循環水泵選型探讨

發表日期:2019/3/19 10:07:15 來源:《制冷與空調》 評論 總點擊量: 次

空氣源熱泵空調系統通過工況切換,可滿足供冷和供暖的需求,可解決非嚴寒地區無集中熱源、又需供冷供暖地區各種建築的供冷供暖需求。常規的空氣源熱泵空調系統水系統一般為一級泵系統(冷源側定流量末端變流量),供冷供暖時共用一套循環水泵,并未根據建築物的冷熱負荷、系統特性考慮系統供冷供暖時流量、揚程的差異而采取相應解決措施,這從根源上導緻了系統運行效率較低。本文從建築物的冷熱負荷、系統特性方面分析系統供冷供暖時流量、揚程的差異,并提出相應解決措施。

1  建築的冷熱負荷

除嚴寒地區外,其它氣候區建築物熱負荷與冷負荷的比例約在0.3~1.3之間,系統循環水泵一般按冷熱負荷中的較大值選型。

2  空氣源熱泵空調水系統特性

空氣源熱泵空調系統設計供冷供回水溫度一般為7/12 ℃、供暖供回水溫度一般為45/40 ℃,若忽略不同溫度時水密度的變化,由公式(1)可知系統的流量僅與建築的冷熱負荷有關。

式(1)中,Q 為冷熱負荷(kW);C 為水的比熱(kJ/(kg·℃));ρ 為水的密度(kg /m3);V 為系統的流量(m3/s);△t 為供回水溫差(℃)。

管網的阻力特性數S僅取決于管網本身,不随流量變化,由公式(2)可知,若系統的管網一定,管網的阻力損失僅與系統的流量有關。

式(2)中,H 為管網的阻力損失(Pa);S 為管網的阻力特性數(Pa /(m3/s)2)。

3  循環水泵選型探讨

一般地,空氣源熱泵空調水系統各部分阻力如下:室外機組阻力約5 mH2O,空調末端阻力約5 mH2O,冷熱量表阻力約1 mH2O,過濾器阻力約4 mH2O,管網阻力約5~13 mH2O,系統總阻力約20~33 mH2O。

考慮到空氣源熱泵适用的氣候區,以冷負荷為基準進行讨論,熱負荷與冷負荷的比例取0.3~1,系統阻力取值20、23、26、29、31、33 mH2O,熱負荷與冷負荷的比例取0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0,分别運用公式(2)進行計算。計算結果詳見圖1。

由圖1可知,設計工況下,若熱負荷與冷負荷比例為0.3,系統制冷時的阻力損失為20 mH2O,而制熱時的阻力損失為1.8 mH2O,相差18.2 mH2O;設計工況下,若熱負荷與冷負荷比例為0.3,系統制冷時的阻力損失為26 mH2O,而制熱時的阻力損失為2.34 mH2O,相差23.66 mH2O;若熱負荷與冷負荷比例為0.3,設計工況下,系統制冷時的阻力損失為33 mH2O,而制熱時的阻力損失為2.97 mH2O,相差30.03 mH2O。

顯而易見,若系統的阻力損失越大,設計工況下,系統制冷時的阻力損失與制熱時的阻力損失差值越大。設計工況下,若系統制冷時的阻力損失與制熱時的阻力損失差值較大,循環水泵仍按制冷工況時選型,且未考慮調節措施,制熱工況下,循環水泵揚程過大,管内流速過大,管道可能抖動,會造成水泵超流量運行,水泵偏離特性曲線,水泵氣蝕嚴重,水泵容易過載,容易燒毀電機;如果關小閥門,增大管網阻力,使管網阻力與水泵揚程匹配,系統流量有可能仍保證不了,且浪費能量。

4  解決方法

根據制冷/制熱設計工況下空調水系統管網的流量和阻力損失,可采取水泵調節流量或分設冷熱水泵來保證水泵在高效區運行。

單台水泵流量調節方法有節流調節、變速調節兩種方式,節流調節通過改變水泵出口管路上閥門的開度,使工況點發生變化,利用節流過程中的壓力損失使流量減少,水泵效率降低,輸送單位流量的功耗增大,一般不建議采用此種方式。變速調節一般通過變頻,改變水泵轉速,使流量适應系統的變化,水泵效率不變,功率下降,節能效果明顯,一般建議采用此種方式。

忽略輸送流體的密度變化、近似工況點水泵效率的變化,工程實際應用中的水泵相似定律如下。

式(3)~(5)中,V0、H0、N0為水泵原工況下的流量(m3/s)、揚程(mH2O)、功率(kW);V、H、N為水泵調節工況下的流量(m3/s)、揚程(mH2O)、功率(kW)。

由公式(3)、(4)可得

由公式(4)、(5)可得


隻有交流電機的頻率與轉速有線性關系,直流、步進等電機兩者之間關系不大。交流同步電機轉速與頻率的關系可用如下公式:

式(8)中,n 為電機轉速(r/min);f 為電源頻率(Hz);p 為電機磁極對數,兩極為一對,四極為兩對,如此類推。

對于交流異步電機也可用上面公式,但其轉速相對于磁場磁極變化略有滞後,故異步電動機實際轉速略低于同步電機轉速,轉速為同步電機轉速的97%左右。

水泵效率

由公式(3)、(9)可知

一般地,水泵變頻調速範圍不宜超過額定轉速的40%~50%,由公式(3)可知,調速前後流量的比值不宜小于0.4~0.5。

水泵的最佳工作區是指其運行既穩定又經濟的工作區域,一般是設備最高效率的90%~95%以上範圍内的區域作為最佳工作區。由公式(10)可知,水泵的最佳轉速範圍為額定轉速96.5%~98.3%以上轉速範圍,即水泵的最佳流量範圍為額定流量96.5%~98.3%以上流量範圍。

因此,若制熱工況下流量與制冷工況下流量的比值小于0.5,建議分設冷熱水泵,使水泵流量、揚程适應系統流量的變化;若制熱工況下流量與制冷工況下流量的比值在0.5~0.9之間,可采用變頻調速方法使水泵流量、揚程适應系統流量的變化;若制熱工況下流量與制冷工況下流量的比值在0.9~1.0之間,可僅設一套循環水泵。

5  工程實例

5.1  建築概況

鄭州某綜合樓,主要功能如下:一層為銷售大廳,層高5.0 m;二層為廚房、餐廳、包間及辦公室等,層高4.0 m;三層為休閑大廳,層高4.0 m;四層為電影院(局部夾層為空調機房,層高4.8 m),層高9.6 m。該樓建築高度24.00 m,總建築面積12 790.13 m2(地下建築面積2 536.03 m2,電影院部分建築面積3 666.02 m2,一層~三層部分建築面積6 588.08 m2)。

5.2  舒适性空調系統設計方案

該樓舒适性空調分為兩個系統,電影院為一個系統,一層~三層為一個系統。電影院舒适性空調冬、夏季集中冷熱源為設于屋面的兩台螺杆式空氣源熱泵機組,夏季提供7/12 ℃的空調冷凍水、冬季提供45/40 ℃的空調熱水。一層~三層舒适性空調冬、夏季集中冷熱源為設于屋面的兩台螺杆式空氣源熱泵機組,夏季提供7/12 ℃的空調冷凍水、冬季提供45/40 ℃的空調熱水。兩個系統補水定壓均采用落地式自動補水排氣定壓裝置。

原定空調水系統為一級泵系統(冷源側定水量末端變流量),循環水泵為定速泵。

5.3  循環水泵選型探讨

以電影院舒适性空調系統中循環水泵選型為例進行說明。

經計算,電影院冷負荷578.42 kW,設計工況下,冷凍水流量99.52 m3/h,熱負荷422.74 kW,設計工況下空調熱水流量73.37 m3/h。

經計算,制冷工況下空調水系統最不利環路阻力損失為29 mH2O。選用循環水泵流量為105 m3/h、揚程31 mH2O、轉速2 900 r/min、功率18.5 kW。該空調水系統、循環水泵特性曲線詳見圖2。A點為系統制冷工況下水泵的運行工況點。

由圖2可知,制熱工況下,系統阻力損失約為15.8 mH2O(B點),而循環水泵實際揚程約38.2 mH2O(C點),循環水泵揚程過大。制熱工況下的流量與制冷工況下的流量比值為0.73,采用變頻調速方法使水泵流量、揚程适應系統流量的變化。

變速調節時管路性能曲線不變,水泵的運行工況點一定在管路性能曲線上,且經過B點。

綜上所述,考慮到冷熱負荷下的空調水流量,空調水系統需設計為一級泵變流量系統,水泵配置變頻調速控制櫃,熱泵機組容量調節範圍需在30%~120%之間,以适應水系統流量的變化。

6  結束語

空氣源熱泵空調水系統因制冷制熱工況下負荷不同而導緻系統水流量的差異,進而導緻制冷/制熱工況下系統阻力損失有一定差值,該差值随着冷熱負荷差值的增大而增大。

空氣源熱泵空調水系統中循環水泵的選型,需根據制熱工況下流量與制冷工況下流量的比值具體确定。若制熱工況下流量與制冷工況下流量的比值小于0.5,建議分設冷熱水泵,使水泵流量、揚程适應系統流量的變化;若制熱工況下流量與制冷工況下流量的比值在0.5~0.9之間,可采用變頻調速方法使水泵流量、揚程适應系統流量的變化;若制熱工況下流量與制冷工況下流量的比值在0.9~1.0之間,可僅設一套循環水泵。

本文選自《制冷與空調》2019年1月刊46-49頁,作者:韓靖  司洪亮  田張軍  李會芳;未經許可,不得轉載


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