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1、6村镇建筑地源热泵系统节能设计16.1室内温湿度参数与节能16.2水系统节能设计16.2.1空调水系统的特点与节能16.2.2定流量水系统26.2.2.1定流量水系统的主要构成26.2.2.2定流量水系统的运行分析36.2.2.3定流量水系统的利弊46.2.3变流量水系统46.2.3.1变流量水系统的基本组成56.2.3.2变流量水系统的控制方式分析76.2.3.2.1温差控制法76.2.3.2.2压差控制法86.2.3.3控制方法的运行分析96.2.3.4变流量水系统的利弊106.2.4水系统水力平衡116.2.4.1冷冻水系统管道布置与水力平衡126.2.4.2水力平衡阀门调节136.2.
2、5大温差小流量水系统设计156.2.6水质处理与节能176.3空调设备节能设计176.3.1设备选型176.3.1.1地源热泵机组的设备选型176.3.1.2冷、暖水泵配置196.3.2调节控制216.3.2.1单台机组控制方式216.3.2.2多台机组控制方式216.3.2.3水泵变频控制方法216.3.2.4室内末端设备与节能236.4参考文献266 村镇建筑地源热泵系统节能设计6.1 室内温湿度参数与节能据资料统计，重庆、上海、广州等地区，夏季室内温度低1或冬季高1，工程投资将增加6%，能耗增加5-10%。由此可见，适当提高夏季的室内空气温度和降低冬季的室内空气温度有显著的节能效果。为此
3、，我国国家标准采暖通风与空气调节设计规范（GB 50019-2003）对室内设计参数做出了规定，对于舒适性空调，室内设计参数可按表6.1规定的数值选用。表6.1 舒适性空调室内空气设计参数季节温度()相对湿度(%)风速(m/s)夏季222840650.3冬季182430600.2室内的温室度设定的高低影响着冷（热）负荷的大小，在夏季温度、湿度设定值越高（冬季室内温湿度设定值越低），冷（热）负荷越小，所以，在一些地区为了节能，规定夏季空调室内温度不得低于26。设计参数的取值，不仅直接影响系统的造价，也影响着系统运行效率和运行能耗。在满足要求的前提下尽量降低设计标准，在舒适度相同的情况下根据实际情
4、况在允许范围内调整室内温湿度的取值。考虑利用热湿环境的各个因素，都可以减少空调系统的能耗。不同地区的村镇居民对热舒适的要求也是不同的，比如：南方地区的人们对湿热环境的适应程度要高于北方地区的人们。所以，在村镇住宅负荷计算时，可根据当地情况适当提高室内空调设计参数，本设计指南推荐室内空调设计温度为26-28。6.2 水系统节能设计6.2.1 空调水系统的特点与节能空调水系统应包含三个目标：1）根据负荷变化，能在大范围内调节末端装置的流量，以保证室内的空气参数符合要求；2）保证冷水机组的流量不能低于最小值，以防止机内冻结，一般冷水机组所允许的流量波动范围较小；3）循环水泵在满足1、2 的条件下，尽
5、量减少能耗。目前多数民用建筑的空调系统采用空气水方式，空调设备绝大部分时间内在低于额定负荷的情况下运转。国内空调水系统大多数仍采用一次泵定流量水系统（图6.1）,该系统在部分负荷时靠调节阀门的开度来改变用户侧流量,以分集水器压差来控制主机侧旁通从而保持主机定流量这样导致空调水系统供回水温差较低, 无法进行有效的质调节, 因此需采用流量调节的做法来达到要求。对应于水系统流量Q, 总有水泵扬程H Q2, 水泵轴功率N Q3, 因此水系统节能潜能还是很大。6.2.2 定流量水系统6.2.2.1 定流量水系统的主要构成根据我国国家标准采暖通风与空气调节设计规范（GB 50019-2003）的规定，空气
6、调节水系统宜采用闭式系统，对于中小型工程宜采用一次泵系统。设置两台或两台以上冷水机组和冷水循环泵的空气调节系统，应能适应负荷变化改变系统流量。简单的冷冻水循环回路基本上都是定流量系统，它的主要组成部件包括：冷水机组、冷冻水泵、末端设备（如风机盘管）、膨胀水箱、排气阀和平衡阀。对于地源热泵系统，如用于村镇建筑，定流量水系统主要包括地源热泵机组，定频泵，室内末端（如风机盘管），阀门，排气阀，膨胀水箱等附件。图6.1 常规的一次泵定流量水系统示意图该系统中通常每台机组配有一台水泵，水泵保持定流量运行，水泵与机组联动，当加载一台冷水机组时，其对应的水泵先启动，当减载一台机组时，先关闭机组，然后关闭水泵
7、。用户侧的末端设备上安装电动二通调节阀，根据供回水管之间的压差变化来调节旁通水量的大小。6.2.2.2 定流量水系统的运行分析在定流量系统中,通过蒸发器的冷冻水流量保持恒定，当负荷侧的负荷减小时，通过减小冷冻水供、回水温差来适应负荷的变化，所以冷源侧的冷冻水经常处在大流量、小温差状态运行，增加了水泵的能耗。水泵电动机的输入功率：若电动机的输出功率等于水泵的轴功率，则有： 6.1式中：点击的输入功率，kw；冷冻水循环水量，m3/s；H 水泵扬程，m； 水泵效率，%；电动机的效率，%。空调设备绝大部分时间内是在低于设计计算负荷情况下运行, 故水泵大部分时间在极低的效率点工作, 耗能严重。据统计，空
8、调制冷系统在满负荷情况下运行只占20%-30%，在70%-80%的时间是在部分负荷下运行，其中一年中负载率50%以下的时间占全部运行时间的50%以上，在定流量系统中，全年绝大部分运行时间温差仅为1-3 ，温差低、流量大的工况，水泵系统长期在低温差、大流量情况下工作，即长期处在“大马拉小车”的状态下运行，这增加了水泵输送系统的能量损失，所以随负荷而改变水流量的空调水泵系统就显示出巨大的优越性。在设计中一般选起供、回水温差为5，但实际运行中夏季冷冻水系统供回水温差较好地为4，较差的只有2-2.5，造成实际水流量比设计水流量打1.5倍以上，使水系统的能耗大大增加，因此设计人员应充分重视水系统的设计。
9、6.2.2.3 定流量水系统的利弊定流量水系统的初投资较变流量水系统的初投资要低些，无变频装置，控制简单。定流量系统在负荷减小时，流量不是减小而是增大，在部分负荷下，该空调系统不能随着负荷的变化而进行相应的调节，导致在大流量小温差的工况下长期运行,因此该系统的部分负荷性能下性能系数低,能耗高。6.2.3 变流量水系统据统计，空调制冷系统在满负荷情况下运行只占20%-30%，在70%-80%的时间是在部分负荷下运行。因此随负荷而改变水流量的空调水泵系统就显示出巨大的优越性，这要求选用合适的系统以及相应的控制方式来达到系统的优化，减少能耗。空调水系统的输送动力消耗量大，而且空调负荷绝大部分时间里处
10、于低负荷状态，因此，空调水系统的节能潜力很大，目前变流量节能是较普遍采用的措施。采用变频器调节泵的转速可以很方便地调节水的流量，提高整个水系统的性能系数（COP），其节能率通常可达35%-50%左右。村镇建筑面积规模不大，属于小型建筑工程，应该采用一次泵变流量系统（如图6.2），且一次泵变流量系统是目前空调冷冻水系统节能的最佳配置形式。6.2.3.1 变流量水系统的基本组成一次泵变流量系统中选择可变流量运行的冷水机组，末端冷量由冷冻水量调配，冷水机组生产的冷量由流经蒸发器的水流量和相对固定的温差决定，其系统形式类似于一次泵定流量系统，但增加了一套自控装置，同时定流量水泵变为变流量水泵，按照一定
11、的控制逻辑运行。图6.2 一次泵变流量系统（一）可变流量的冷水机组蒸发器水流量变化必然引起冷水机组的出水温度波动，甚至导致冷水机组运行不稳定。因此冷水机组的流量许可变化范围、最低许可流量值和流量许可变化率是衡量冷水机组性能的指标。如果冷水机组蒸发器的最低许可流量和额定值接近，冷冻水量可调节范围较小，则实际运转中要满足负荷侧需求，控制有难度，变频调速范围狭窄，采用一次泵变流量系统的控制方式，其效能就不高。机组的流量变化范围越大，越有利于冷水机组的加、减机控制，节能效果越明显，因此冷冻水泵的变频调速应该配置低水流量能力的冷水机组，流量变化范围宜30%-130%，流量下限小于50%额定流量为妥；机组
12、的允许流量变化率越大，则冷水机组变流量时出水温度波动越小。推荐机组能承受每分钟30-50%的流量变化率，以便和冷冻水的一次变流量控制配套。由于冷冻水水系统选用变流量，如单螺杆式冷水机组流量变化范围有分段容调方式和连续容调方式，其中分段容调可以是50%，75%，100%；连续容调方式的机组容量调整为15%-100%。对于变容量系统，建议选择连续容量的调节方式的机组。在部分负荷运行时, 变流量冷水机组比定流量冷水机组COP 值变化要小5% 左右, 有利于在部分负荷运行时节省电耗。同时, 可充分利用冷水机组的超额冷量, 减少冷水机组和冷却水泵的全年运行时数和能耗。（二）变频水泵变频泵是变频电机带动的
13、水泵变频，变频电机就是可以调节转速。泵的转速： 6.2式中 电机转差率,取s=1.3%； 交流电频率,Hz； 电机磁极对数。通过上式可知变频器是通过改变电源频率来改变电动机转速的，可通过降低转速达到节能的目的。改变水泵转速可以改变泵的性能曲线,在管路曲线保持不变情况下,使工作点改变,这种调节方式称为变速调节。泵的流量Q、扬程H、轴功率P 和转速n之间的关系理解调速控制时的节能原理。Q、H、P与n 之间的关系是: Q1/Q2 = n1/n2H1/H2 = (n1/n2) 2 6.3P1/P2 = (n1/n2 ) 3可见,轴功率P 和转速n 的3次方成正比。当转速下降1/2 时,功率下降1/8
14、,即功率与转速成3次方的关系下降,即降低转速使功率迅速下降是十分有效的节能方法。表6.2 变频流量泵理论节能效果Q2/ Q1n2/ n1H2/ H1P2/ P1节电率/%100100100. 0100. 00. 0909081. 072. 927. 1858572. 361. 438. 6808064. 051. 248. 8707049. 034. 365. 7606036. 021. 678. 4505025. 012. 587. 5（三）控制系统虽然变频高速的一次侧控制和传统固定转速的一次泵系统在负荷侧都是变水量，但它的控制要求比传统方式高得多，其控制逻辑应保证：任何时刻，确保运转冷水机
15、组的蒸发器最低水流量（这个最低水流量载明在冷水机组的使用说明上）；并列运行机组同步变频调速控制是最常用的控制方式；启动冷水机组的冷冻水泵宜采用软启动方式，以避免对水泵电机的大电流冲击；冷冻水调节器节流控制从一台切换至另一台时应确保平滑无缝地过渡。6.2.3.2 变流量水系统的控制方式分析6.2.3.2.1 温差控制法根据供回水温差一定时, 冷量与流量成正比的关系, 利用制冷机房供、回水干管的温差控制水泵的流量, 使空调负荷变化直接影响流量变化的方式被称为温差控制法。一次泵变流量系统, 采用温差控制水泵变流量的控制方法可以反映空调冷负荷的变化与水量要求的直接关系, 易于实现。变频泵系统的温差控制法的基本控制原理图，在水系统的供回水管上分别安装温度传感器Tg 和
