变频技术在热泵采暖水系统的应用

摘要：基于制冷剂Ra的压焓图，对热泵系统各运行参数的数值查询及理论计算，揭示了蒸发温度、冷凝温度、过冷度、过热度对制热系数COP及压缩机排气温度的影响程度。在常温热泵的运行条件下，选取蒸发温度20～44℃，冷凝温度40～60℃，同一冷凝温度下，过冷度0～10℃，同一蒸发温度下，过热度0～14℃，由此形成不同组合运行参数下的热泵理论循环，并计算此运行条件下的系统制热系数COP。进行广泛、大量的运行参数数值计算及综合量化对比，为热泵高效运行的控制提供理论依据。

关键词：热泵；COP；Ra；蒸发温度；冷凝温度；过冷度；过热度

热泵采暖系统分为冷媒系统和水系统两部分。冷媒系统的节能方案在现行的大量文献已有涉及，本文不多作论述。水系统方面，对于大多数空调制冷行业出身的业内人士来说，尚未有过多相关经验。本文从热泵采暖系统结构原理特点以及实际应用环境负荷变化对水系统的要求角度进行分析，提出了利用变频技术调节水泵电机的转速，进而调节流量和压力的变化，取代用阀门控制流量，以增加系统运行的稳定性和可靠性，可以带来明显的节能效果和良好的经济效益。

一、热泵采暖系统工作原理及特点

热泵采暖系统是由一连串的流体机械和热交换器组合而成的。它主要由制冷系统、水循环系统、地暖管系统和风机盘管系统四部分组成。图1为典型热泵采暖系统工作原理示意图。

热泵采暖系统的特点如下：

1.冷热负荷要求的不均匀性。

在热泵采暖系统设计时，为保证在大气温度最低的情况下能满足使用要求，所以按最大负荷设计并有15%左右的富裕量，而平时使用时并不能达到满负荷，所以存在较大裕度，其中热泵主机可以根据负载变化使用变频压缩机或者并联多台主机来自动加载、卸载，而水泵的流量如不能随热泵主机进行调节，必然存在很大的能量浪费。

除此之外，每年的气象条件是随季节呈周期性变化的。据统计，国内中央空调水泵在满负荷情况下运行的时间较少，大部分时间运行在总负荷的60%～80%之间(如图2)。而从欧盟ERP指令中关于水泵EEI指数计算流量、时间百分比来看（如表1），欧洲采暖系统水泵运行负荷更多集中在50%以下，这可能和欧洲建筑保温效果好有很大关系。

图2.水泵运行时间与流量百分比关系

表1.欧洲ERP指令中水泵EEI指数计算流量、时间百分比

2.热泵采暖系统一般都是二联供（采暖+制冷或者采暖+生活热水）或者三联供（采暖+制冷+生活热水），采暖一般采用地暖管，而制冷一般是风机盘管的散热方式（如图1）。

在采暖和制冷系统中冷热负荷要求不同，对水泵流量要求也不同；同时在采暖和制冷系统中的系统阻力也不同，对水泵的扬程要求也不同。理论来讲应该选择两台水泵以匹配不同的系统。如果只选择一台水泵依靠三通阀来切换水路，则水泵只能满足一种工况要求。由于风机盘管的水阻远大于地暖管，水泵选型时为保证在制冷工况下能满足风机盘管的要求，一般选择较大水泵。采暖时，水系统通过节流阀或调节阀来调节流量、压力，存在较大节流损失和大流量小温差的现象。不仅浪费大量电能，而且还可能造成热泵运行大幅度偏离额定设计的情形，对系统设备带来不利的影响。

3.房间热（冷）负荷变化时，热泵采暖水系统的水泵和家用空调压缩机有异曲同工之处，如果水泵电机启停频繁，会使得房间温度波动大，严重影响舒适性。

水泵电机启动电流通常为额定值的5倍左右，在如此大的电流冲击下，进行频繁的启停，对电机、接触器触点、空气形状触点产生电弧冲击，也会给电网带来一定冲击，同时启动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会对机械传动、轴承、阀门等造成疲劳损伤，对设备长期安全运行带来不利影响。

因此，系统运行中应尽可能地采取措施满足最佳工况条件。如何改善热泵主机及输送系统的性能，使之能够在部分负荷条件下高效运行，一直是行业内

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