深井泵变频技术在地下水源热泵系统中的应用
摘要：目前，在地下水源热泵空调系统中，经常一台深井泵的供水量能满足两台或更多热泵机组所需的水量。但是在实际运行中发现，热泵机组大部分时间都在部分负荷运行，而深井泵一直处于满负荷运行，结果造成了电费及水费的大量增加。
1 前言
近几年来，变频调速技术以其显著的节能效果和可靠的控制方式在空调系统中水泵和风机应用较多，并且其技术也比较成熟，但在地下水源热泵空调系统中深井泵供水应用，目前还很少见，但是却相当有必要。对沈阳地区的地下水源热泵应用试点调查发现，在地下水源热泵空调系统中，当热泵容量不大一台深井泵的供水量能满足两台或更多热泵机组所需的水量。在实际运行中发现，热泵机组大部分时间部分负荷运行，而深井泵一直在满负荷状态运行，结果造成了电费及水费的大量增加。因此深井泵变频调速供水技术在地下水源热泵系统中的应用具有很大的节能潜力。
2 工程概况
本文的分析以实际工程冬季运行为研究对象，工程概况如下：
某高校新校区办公楼层数五层，建筑面积11030m2，夏季空调设计冷负荷为894kw，冬季空调设计热负荷为1012kw。办公楼冷热源采用两台地下水源热泵机组，制热工况：制热量515kw，输入功率136.02kw，冷水流量65m3/h，热水量88.6m3/h，一台抽水泵抽水量160m3/h，功率37kw。冬季运行时间：11月份~3月份，每天24小时运行。
3 深井泵变频调速供水控制方法
深井泵采用温差控制法。由于热泵机组在制热工况下，必须保证蒸发器出水温度不能过低，所以在深井泵回水管道上设温度传感器，设定温度为tjh。井水源侧回水温度大于tjh值时，深井泵控制器向变频器发出降低电流频率信号，变频器将输入电源的频率降低，深井泵的转数相应降低，水泵供水量、轴功率和电动机输入功率也随之降低，从而达到了节能的目的。当水源侧回水温度低于tjh值时，增频调节。
4 水泵变速调节原理
改变水泵的转速，可以改变水泵的性能，从而达到调节工况点的目的。根据相似定律，对于同一台水泵以不同转速运行时，水泵的流量、扬程、轴功率与转速的关系，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--水泵额定转速，r/min；n--实际运行工况下的转速，r/min；
Qe--水泵额定转速时的流量，m3/h；Q--实际运行工况下的流量，m3/h；
He--水泵额定转速时的扬程，m；H--实际运行工况下的扬程，m；
Pe--水泵额定转速时的功率，kw；P--实际运行工况下的功率，kw。
由（1）式和（2）式，可得
H1/Q12= H2/Q22=k(4)
即H=kQ2(5)
(5)式是以坐标原点为顶点的二次抛物线，线上各点具有相似工况，由相似定律知，当水泵前后的转速变化的时候，水泵效率不变，故相似工况抛物线也称等效率曲线。因此从节能角度考虑，通常采用改变水泵转速的方法来改变水泵的工况点，尽量使其在高效率范围内工作。
5 水泵变频范围的确定
当热泵机组负荷变化时，深井泵的供水量也随之变化。深井泵的供水量在（Qmin～Qe）之间，即深井泵的变频范围（nmin～ne），如图1所示。
热泵机组所需的最小流量为40 m3/h（设备要求），即为深井泵的最小供水量，则深井泵的最小转速：得：
nmin= Qmin/ Qe×ne=40/160×2900=725转/分
冬季制热工况深井泵的变频范围：725转/分～2900转/分。
6 不同频率下深井泵供水量和耗电量
深井泵变频供水设备采用HT微机控制变频调速给水设备，其中变频器型号为（VFD-F，45KW/60HP，460HP，3phase）。深井泵变频后，在不同频率下，深井泵供水量和耗电量实测结果如图2、图3所示：
图2 不同频率下深井泵供水量情况 图3 不同频率下深井泵耗电量情况
分析图2、图3，可以得出：当电源输入的频率下降时，深井泵的供水量和耗电量也随着逐渐降低。当频率45hz下降到30hz 时，深井泵供水量由122m3/h下降到54m3/h，与额定转速时的供水量相比分别下降了23.75%、66.25%。而输入功率由26.2kw下降到8.9kw，与额定转速时的输入功率相比分别下降了29.1%、75.9%。由此可见，节能效果相当明显。但是当频率下降到20hz时，虽然 深井泵仍在运行，由于扬程不够，供水量接近等于零。
7 深井泵变频运行实测及节能效果分析
7.1 深井泵日运行情况实测和分析
下面对12月20日的深井泵变频运行的供水量和耗电量进行测试如图4、图5所示：
图4 12月20日深井泵供水量情况 图5 12月20日深井泵耗电量情况
由图4、图5，可见：该天，热泵机组大部分的时间都是在部分负荷运行，而且运行最高负荷不超过机组最大负荷50%（即一台热泵机组额定负荷100%），负荷为额定负荷37.5%的运行时间占了55%。深井泵采用变频后，此工况深井泵的流量由原来的160 m3/h下降到52 m3/h，减少了67.5%的供水量；耗电量由37kwh下降到8.8kwh，节省了76.2%。节能效果显著。
7.2 整个供暖期深井泵运行工况实测和节能效果分析
通过整个冬季供暖期深井泵实际运行工况跟踪测量，将深井泵不变频和变频日供水量和日耗电量变化如图6、图7所示：
由图6、图7，可以得出：深井泵在十一月、十二月、一月、二月、三月与不变频相比分别节省供水量82222m3、80924m3、78942m3、77440m3、84841m3。整个冬季供暖期深井泵采用变频技术后，总共节省供水量404369 m3。同样，深井泵采用变频技术后，耗电量在十一月、十二月、一月、二月、三月与不变频相比分别节省21136.8 kwh、21284.5 kwh 、20813 kwh、20155.4kwh 、21858.2 kwh。整个冬季供暖期深井泵采用变频后，总共节省耗电量105247.9kwh。
8 深井泵变频供水方式经济性分析
根据整个冬季供暖运行实测，深井泵采用变频后，总共节省耗电量105247.9kwh，节省供水量为404369 m3。
采用变频后每年节约资金：
Cs=⊿W×Yw+⊿E×Ye
式中：⊿W--年节约供水量，m3；⊿E--年节约耗电量，kwh；
Ye--电价,（元/kwh）；Yw--地下水水价,(元/m3)；
Cb=105247.9×0.635+404369×0.25=16.79（万元）
该工程变频设备及其他附属电控设备总共约10万元，深井泵变频设备增加的投资在一个冬季供暖期就完全得到了回收。
9 结论
在地下水源热泵空调系统中，根据热泵机组运行负荷情况，深井泵采用变频调速供水技术，可有效地减少耗电量和供水量，明显地节省运行费用，带来显著的经济效益。
