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空气源热泵空调水系统中循环水泵选型探讨

发表日期:2019/3/19 10:07:15 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

空气源热泵空调系统通过工况切换,可满足供冷和供暖的需求,可解决非严寒地区无集中热源、又需供冷供暖地区各种建筑的供冷供暖需求。常规的空气源热泵空调系统水系统一般为一级泵系统(冷源侧定流量末端变流量),供冷供暖时共用一套循环水泵,并未根据建筑物的冷热负荷、系统特性考虑系统供冷供暖时流量、扬程的差异而采取相应解决措施,这从根源上导致了系统运行效率较低。本文从建筑物的冷热负荷、系统特性方面分析系统供冷供暖时流量、扬程的差异,并提出相应解决措施。

1  建筑的冷热负荷

除严寒地区外,其它气候区建筑物热负荷与冷负荷的比例约在0.3~1.3之间,系统循环水泵一般按冷热负荷中的较大值选型。

2  空气源热泵空调水系统特性

空气源热泵空调系统设计供冷供回水温度一般为7/12 ℃、供暖供回水温度一般为45/40 ℃,若忽略不同温度时水密度的变化,由公式(1)可知系统的流量仅与建筑的冷热负荷有关。

式(1)中,Q 为冷热负荷(kW);C 为水的比热(kJ/(kg·℃));ρ 为水的密度(kg /m3);V 为系统的流量(m3/s);△t 为供回水温差(℃)。

管网的阻力特性数S仅取决于管网本身,不随流量变化,由公式(2)可知,若系统的管网一定,管网的阻力损失仅与系统的流量有关。

式(2)中,H 为管网的阻力损失(Pa);S 为管网的阻力特性数(Pa /(m3/s)2)。

3  循环水泵选型探讨

一般地,空气源热泵空调水系统各部分阻力如下:室外机组阻力约5 mH2O,空调末端阻力约5 mH2O,冷热量表阻力约1 mH2O,过滤器阻力约4 mH2O,管网阻力约5~13 mH2O,系统总阻力约20~33 mH2O。

考虑到空气源热泵适用的气候区,以冷负荷为基准进行讨论,热负荷与冷负荷的比例取0.3~1,系统阻力取值20、23、26、29、31、33 mH2O,热负荷与冷负荷的比例取0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0,分别运用公式(2)进行计算。计算结果详见图1。

由图1可知,设计工况下,若热负荷与冷负荷比例为0.3,系统制冷时的阻力损失为20 mH2O,而制热时的阻力损失为1.8 mH2O,相差18.2 mH2O;设计工况下,若热负荷与冷负荷比例为0.3,系统制冷时的阻力损失为26 mH2O,而制热时的阻力损失为2.34 mH2O,相差23.66 mH2O;若热负荷与冷负荷比例为0.3,设计工况下,系统制冷时的阻力损失为33 mH2O,而制热时的阻力损失为2.97 mH2O,相差30.03 mH2O。

显而易见,若系统的阻力损失越大,设计工况下,系统制冷时的阻力损失与制热时的阻力损失差值越大。设计工况下,若系统制冷时的阻力损失与制热时的阻力损失差值较大,循环水泵仍按制冷工况时选型,且未考虑调节措施,制热工况下,循环水泵扬程过大,管内流速过大,管道可能抖动,会造成水泵超流量运行,水泵偏离特性曲线,水泵气蚀严重,水泵容易过载,容易烧毁电机;如果关小阀门,增大管网阻力,使管网阻力与水泵扬程匹配,系统流量有可能仍保证不了,且浪费能量。

4  解决方法

根据制冷/制热设计工况下空调水系统管网的流量和阻力损失,可采取水泵调节流量或分设冷热水泵来保证水泵在高效区运行。

单台水泵流量调节方法有节流调节、变速调节两种方式,节流调节通过改变水泵出口管路上阀门的开度,使工况点发生变化,利用节流过程中的压力损失使流量减少,水泵效率降低,输送单位流量的功耗增大,一般不建议采用此种方式。变速调节一般通过变频,改变水泵转速,使流量适应系统的变化,水泵效率不变,功率下降,节能效果明显,一般建议采用此种方式。

忽略输送流体的密度变化、近似工况点水泵效率的变化,工程实际应用中的水泵相似定律如下。

式(3)~(5)中,V0、H0、N0为水泵原工况下的流量(m3/s)、扬程(mH2O)、功率(kW);V、H、N为水泵调节工况下的流量(m3/s)、扬程(mH2O)、功率(kW)。

由公式(3)、(4)可得

由公式(4)、(5)可得


只有交流电机的频率与转速有线性关系,直流、步进等电机两者之间关系不大。交流同步电机转速与频率的关系可用如下公式:

式(8)中,n 为电机转速(r/min);f 为电源频率(Hz);p 为电机磁极对数,两极为一对,四极为两对,如此类推。

对于交流异步电机也可用上面公式,但其转速相对于磁场磁极变化略有滞后,故异步电动机实际转速略低于同步电机转速,转速为同步电机转速的97%左右。

水泵效率

由公式(3)、(9)可知

一般地,水泵变频调速范围不宜超过额定转速的40%~50%,由公式(3)可知,调速前后流量的比值不宜小于0.4~0.5。

水泵的最佳工作区是指其运行既稳定又经济的工作区域,一般是设备最高效率的90%~95%以上范围内的区域作为最佳工作区。由公式(10)可知,水泵的最佳转速范围为额定转速96.5%~98.3%以上转速范围,即水泵的最佳流量范围为额定流量96.5%~98.3%以上流量范围。

因此,若制热工况下流量与制冷工况下流量的比值小于0.5,建议分设冷热水泵,使水泵流量、扬程适应系统流量的变化;若制热工况下流量与制冷工况下流量的比值在0.5~0.9之间,可采用变频调速方法使水泵流量、扬程适应系统流量的变化;若制热工况下流量与制冷工况下流量的比值在0.9~1.0之间,可仅设一套循环水泵。

5  工程实例

5.1  建筑概况

郑州某综合楼,主要功能如下:一层为销售大厅,层高5.0 m;二层为厨房、餐厅、包间及办公室等,层高4.0 m;三层为休闲大厅,层高4.0 m;四层为电影院(局部夹层为空调机房,层高4.8 m),层高9.6 m。该楼建筑高度24.00 m,总建筑面积12 790.13 m2(地下建筑面积2 536.03 m2,电影院部分建筑面积3 666.02 m2,一层~三层部分建筑面积6 588.08 m2)。

5.2  舒适性空调系统设计方案

该楼舒适性空调分为两个系统,电影院为一个系统,一层~三层为一个系统。电影院舒适性空调冬、夏季集中冷热源为设于屋面的两台螺杆式空气源热泵机组,夏季提供7/12 ℃的空调冷冻水、冬季提供45/40 ℃的空调热水。一层~三层舒适性空调冬、夏季集中冷热源为设于屋面的两台螺杆式空气源热泵机组,夏季提供7/12 ℃的空调冷冻水、冬季提供45/40 ℃的空调热水。两个系统补水定压均采用落地式自动补水排气定压装置。

原定空调水系统为一级泵系统(冷源侧定水量末端变流量),循环水泵为定速泵。

5.3  循环水泵选型探讨

以电影院舒适性空调系统中循环水泵选型为例进行说明。

经计算,电影院冷负荷578.42 kW,设计工况下,冷冻水流量99.52 m3/h,热负荷422.74 kW,设计工况下空调热水流量73.37 m3/h。

经计算,制冷工况下空调水系统最不利环路阻力损失为29 mH2O。选用循环水泵流量为105 m3/h、扬程31 mH2O、转速2 900 r/min、功率18.5 kW。该空调水系统、循环水泵特性曲线详见图2。A点为系统制冷工况下水泵的运行工况点。

由图2可知,制热工况下,系统阻力损失约为15.8 mH2O(B点),而循环水泵实际扬程约38.2 mH2O(C点),循环水泵扬程过大。制热工况下的流量与制冷工况下的流量比值为0.73,采用变频调速方法使水泵流量、扬程适应系统流量的变化。

变速调节时管路性能曲线不变,水泵的运行工况点一定在管路性能曲线上,且经过B点。

综上所述,考虑到冷热负荷下的空调水流量,空调水系统需设计为一级泵变流量系统,水泵配置变频调速控制柜,热泵机组容量调节范围需在30%~120%之间,以适应水系统流量的变化。

6  结束语

空气源热泵空调水系统因制冷制热工况下负荷不同而导致系统水流量的差异,进而导致制冷/制热工况下系统阻力损失有一定差值,该差值随着冷热负荷差值的增大而增大。

空气源热泵空调水系统中循环水泵的选型,需根据制热工况下流量与制冷工况下流量的比值具体确定。若制热工况下流量与制冷工况下流量的比值小于0.5,建议分设冷热水泵,使水泵流量、扬程适应系统流量的变化;若制热工况下流量与制冷工况下流量的比值在0.5~0.9之间,可采用变频调速方法使水泵流量、扬程适应系统流量的变化;若制热工况下流量与制冷工况下流量的比值在0.9~1.0之间,可仅设一套循环水泵。

本文选自《制冷与空调》2019年1月刊46-49页,作者:韩靖  司洪亮  田张军  李会芳;未经许可,不得转载


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