（热能工程专业论文）供热空调系统变频节能技术应用研究.pdf

摘要 一般供热空调系统能耗约占整个建筑总能耗的5 0 左右，在建筑能耗中占 有很大比重。而供热空调系统设计参数都是以最不利工况为设计标准，因此， 系统在大部分时间里都是在部分负荷下运行。在国内，绝大多数大型空调系统 水系统均为定流量系统，在运行过程中水流量不能跟随负荷变化，水泵始终按 照设计负荷全速运行。因此冷水机组和水泵容量往往远远大于实际需要，空调 系统的运行费用居高不下，成为建筑管理中的沉重负担。 将变频节能原理应用于热泵供热空调系统，根据热负荷变化对水系统进行 变流量节能控制，是一种有效的节能手段。针对定流量系统设计及运行中常出 现的问题，本文提出了研究和实现变流量节能运行系统的课题。论文介绍了国 内外水源热泵系统的发展和使用现状，介绍了变频技术的各种类型，和应用于 热泵系统的方案，说明了系统改造在节能方面的重大意义。通过计算机技术、 变频调速技术、自动控制技术的应用，实现对供热空调系统动态热负荷变化过 程的跟踪优化，调节循环水泵运行参数，实现空调系统在大温差、小流量、恒 温、节能的工况下运行。通过变流量水系统与常规系统的投资和运行比较分析 等，证明了定水量系统改造为变流量系统的可行性和经济性。 课题结合对北京市路灯管理处三星级宾馆供热空调系统改造的实际工程， 对宾馆传热系统进行了水水热泵采暖方案的变流量改造设计。根据需求参数， 对热泵系统进行了分析设计及改造实施。详细对比了常规采暖系统和变流量热 泵系统的投资和运行费用。同时，实地测试了改造后系统的运行情况，证明了 整个变流量节能系统运行正常，简单可靠，经济性好。运行结果测试数据表明， 该系统满足了设计需要，节省了供热空调系统的运行能耗与费用，在节能方面 取得良好效果，具有广阔的发展前景。 关键词空调；水系统；变流量；节能 北京工业大学工学硕十学位论文 a b s t r a c t n o m l a l l y ，t l l eh e a t t r a 璐f e rs y s t e mc o n s 哪e sa b o m5 0p e r c e m a g eo f e n e r g yo f a b u i l d i n g i t sal a 培ep a no ft o t a le n e 唱yc o n s u m p t i o n h o w e v e r ，t h ed e s i 盟o f h e a t i 胁s f e rs y s t e m ，i nt l l em o s t0 ft i m e ，i su n d e ra n 船s u m p t i o no ft h ei n o s t u l l f a v o r a b l es i n 工a t i o nh a p p c 嬲t h u s ，t h es y s t e mu s u a l l y 叩e r a t e s 州map a no f 、o r k i n g 1 0 a d a c t u a l l y i t lc h i n a 山em a j o r i t yo fh c a t m a l l s f 曲s y s t e m sa c o l l s t a n t n o ws y s t e m s ，w i l i c hc a m l o ta d j u s tt l l en u xt o 锄t u a ln e e d i n s t e a d ，t h c p 啪p sa l w a y sr u nw i t l la 行锄e dm ls p e e d t h e r e f o r e ，m ec 蛐1 e ra 1 1 dt l ep 啪p c 印a c 毋 g c n e r a l l y e x c e e dt l 他a c t u a l r e q u i r e m e n 协 t h c o p e r a t i o n c o s to f h e a t - 懈衔s y s t e mi ss t i uu p p e r a r l de v e nb e c o m e sa h c a 、，yb u r d e nt ot h eb u i l d i i l g m a l l a g e m e 眦 v 撕a b i ef l o wh y d r a u i i cs y s t e mi sa j le 疏c t i v ee n e r g y - s a v i n gm e 弱u r e ，w h i c h c a na d j u s tm ef l u xt ot h ec h a n g eo fw o r k i n gl o a do fh e a ts y s t e m t bs o l v et 1 1 e p r o b i e m si nd e s i g na 【l do p e r a t i o no fm ec o n s t a n tf i o wh y 出a u l i cs ”t e m ，t h i s 也e s i s s u g g e s t e du s et h e v a r i a b l en o we i l e 唱y s a v i n gs y s t e m t h cm e s i si 劬d u c e dt l l e d e v e l o p r n e ma i l dp r e s e n ts i t t l a t i o no f p 啪p sd o m e s t i c a l l y 搬l do v e r s e 船，t h ed i 饪毫r e n t t y p e so f 丘q u e n c yc o n v e 船i o na n dm ea p p l i c a t i o np l a ni nt l l ep u m p ，a r l da l s o i l l 吼i n 酏e dt h es i g n 主f i c a n c ef o re n e 玛ys a v i n go fv a r ia _ b l ef l o wu s i n gi nt h es y s t e m r c d e s i g i l i n g t h m u 曲t h e 印p l i c a t i o no fc o m p u t e r ，仃e q u e n c yc o n v c r s i o n a i l d a u 幻m 撕cc o n 打o l ，i tc a l lt r a c ka 1 1 d 印t i m i z em er e c o f do fd y n 锄i ch e a t i n gs y s t e m ， 觚dt h e n 甜j u s tt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e rf o rm ec i r c u l a t i n gp 啪p ，h e r e b y ，t oc a r r yo u t ah e a t 一圩a n s f c rs y s t e m 、v o r k 访gi nal a 曜ed i 丘e r e n c ei nt e m p 咖r e ，s m a l ln u ) 【， c o n s t a mt e m p 咖a i l de n c r g ys a v i l l gc o n d i t i o n t h cf e a s i b i l i t y 姐de c o n o r n yo f m ec o r e r s i o nf b mt h ec o n s t a mf l o ws y s t e mi n t ot 1 1 ev a r i a b l e n o ws y s t e mw a s p r o v e dt i 肋u 曲m e c o m p 撕s o na i l da 1 1 a l y s i so nt h ei n v e s t r i l e ma 1 1 dt l l ep e 哟珊a i l c e i 1 1 f l u e n c ef o rt h ev a r i a b l en o ws y s t e mv s t h en o r r n a lo n e 矶1 i st 1 1 e s i si sb a s e do na 1 1a c m a lr e c o n s t m c t i v e 、o r kf o rt l l eh e a t 一仃a i l s f 醯 s y s t c m ，c o n v e n e di m ov a r i a b l en o ws y s t e m ，i nl ud e i l gg 啪l ic h u ( 3 一s t a r ) h o t c l ， b e 巧i n g a c c o r d i n gt o t h er e q u e s tp a r 蜘e t e r ，i ta 1 1 a l y z e da n dp e r f b r i i l e dm e c o n v e r s i o nf o r 恤p 啪p ad e t a i l e dc o m p a r i s o nw a ss h o w e di nm c 龇s i st o i l l u s 仃a t et h ei i l v e s m l e ma n dt h eo p e m t i n gc o s tf o rt h ec o n s t a i l tn o ws y s t e mv s m e v a r i a b l ef l o ws y s t e m m e a n w h i l e ，t h ea c t u a l0 p e r a t i n ga f t e rc o n v e r s i o np r o v e d 舭 v a r i a b l en o ws y s t e mm sw e i l ，r e l i a b i ya i l de c o n o m i c a i ly t h et e s td a t ao fo p e r a t i n g s h o w e dn o to n l y “m e tt h er e q u e s to fd e s i g n ，b u ta l s oi t s a v e dm ee r l e r g y c o n s u m p t i o na 1 1 dc o s t t h ef 打o r 曲l ei m p a c to nt l l ee 1 1 e 唱ys a v i n gp r o m i s e sm e b r i g h tp r o s p e c to f t h ev a r i a b l en o ws y s t e m k e y 们r d s ： a i rc o n d i t i o n ；h y d r a u l i c ；v a | r i a b l ef l o w ；e n e 唱y s a v i n g i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲担隰冱李少一a 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：隧导师签名：晔 第1 章绪论 1 1 引言 1 1 。1 能源问题概述 第1 章绪论 能源和环保是人类生存和发展的两大主题，是全球关注的问题。 能源短缺仍是当今世界面临的重大社会问题之一。由于经济的发展和人民 生活水平的提高，世界能源消耗逐年增加，而能源消耗的主体化石能源却 日渐枯竭。因此，世界能源的供求矛盾将越来越突出，再次爆发能源危机的可 能时刻存在。1 9 9 9 年到2 0 0 1 年世界煤炭和石油市场价格的巨幅上扬与动荡正 是这一能源供求矛盾的客观写照。由于化石能源的消耗同时伴随产生另一重大 社会问题环境污染问题，因此减少能源消耗不仅具有资源意义、经济意义、 同时也具有环境效益。 我国能源问题存在两大特点：一是我国能源人均占有量在世界平均水平以 下；二是我国的能源利用率大大低于发达国家，能源消费结构不合理。我国常 规能源探明总资源量约8 2 0 0 亿吨标准煤【i 】，探明剩余可采总储量1 5 0 0 亿吨标 准煤，约占世界探明剩余可采总储量的1 0 。但由于我国人口众多，人均能源 资源( 以吨煤当量计) 只有1 3 5 吨，相当于世界平均拥有量2 6 4 吨的5 1 。我国 能源利用终端效率为3 3 ，比发达国家约低1 0 个百分点。 表1 1 我国能源消费结构 t a b l e 卜1e n e r g yc o n s 衄p t i o ni nc h i n a 年份 煤炭( )石油( 哟 天然气( )水电( ) 1 9 9 07 6 21 6 62 1 5 1 1 9 9 57 41 6 77 51 8 1 9 9 77 1 72 0 4 1 76 2 2 0 0 06 6 12 4 62 56 8 2 0 0 1 6 5 _ 32 4 32 77 7 2 0 0 26 5 5 92 3 9 7 2 6 27 8 2 2 0 0 36 7 1 22 2 7 l 2 8 2 7 3 5 从表1 1 中的数据可以看出我国能源结构中最不利因素即长期以来在能源 的生产和消费中煤的比例占7 0 以上，且短期内不会发生变化。以煤炭作为主 要能源，造成我国严重的大气污染。改善能源消费结构、推进新型节能技术是 优化能源配置、促使经济、能源、环境协调发展的需要。 北京工业大学工学硕士学位论文 说起节能，不能不说供热空调系统节能的问题。建筑能耗是建筑物在使用 过程中的能量消耗，包括采暖、空调、照明、热水、家用电器和其他动力能耗。 其中主要以建筑物的采暖和空调能耗为主，占建筑总能耗的5 0 一7 0 。因此， 建筑节能的重点应放在供暖空调能耗的减少上。建筑节能也是贯彻可持续发展 战略的重要组成部分，是执行国家节约能源、保护环境基本国策的重要措施。 随着2 1 世纪的到来，我国建筑业持续发展，对供热空调系统节能的要求越 来越高，特别是我国公共建筑节能设计标准于2 0 0 5 年7 月l 目正式实施。 这是我国批准发布的首部公共建筑节能设计的综合性国家标准。此标准用于新 建、扩建和改建的公共建筑的节能设计，其节能目标是：与上世纪8 0 年代初设 计建成的公共建筑相比，全年供暖、通风、空调和照明的总能耗减少5 0 。有 关专家预计，我国现有建筑总面积4 0 0 多亿平方米，随着城镇化的发展，预计 到2 0 2 0 年将新增建筑面积约3 0 0 亿平方米。如果城镇建筑全部达到节能标准， 到2 0 2 0 年每年就可节省3 3 5 亿吨标准煤、减少8 0 0 0 万千瓦时空调高峰负荷， 相当于每年节省电力建设投资约1 万亿元。 由此可见，建筑物中供热空调系统节能对全社会能源消耗的降低具有重要 作用，其紧迫性已成为广泛共识。我国对于在建筑节能中处于重要位置的传热 系统节能也已倍加关注。因此，本文着力研究传热系统节能问题，即空调、供 暖、热水系统的传热节能问题。 1 1 2 研究课题的提出 随着国民经济的发展，建筑能耗越来越大，据统计【1 】，在发达国家，建筑 能耗约占总能耗的3 0 4 0 ，据2 0 0 3 年统计数据显示，我国建筑能耗约占全国 总能耗的2 7 9 。而供热空调系统能耗又在建筑能耗中占了很大的比重【2 】。一般 中央空调能耗约占整个建筑总能耗的5 0 左右，对于商场和综合大楼可能要高 达6 0 以上。以我国直辖市重庆的数据为例，目前重庆市主城区的大型宾馆、 商厦、写字楼、医院等拥有中央空调近2 0 0 0 台，其中高峰用电负荷就占了近 l o o 万千瓦，夏季空调用电约占全市用电量的1 ，3 ，因此建筑物供热空调系统的 节能研究对降低建筑能耗，乃至对国民经济的可持续发展都具有十分重要的意 义。 现代供热空调系统在系统及设备上的节能研究主要集中在两个方面，一方 面是冷热源节能方面的研究，包括新能源的利用；另一方面是传热装置输送系 统节能方面的研究，如交流量技术，变风量技术、空调大温差的研究等。在热 泵系统中引入水系统变流量技术，是一种能有效节约冷水输送系统能耗的节能 技术，随着变频器和控制技术的发展，这项传统技术开始焕发出新的生命力， 第1 苹绪论 其应用也越来越广泛。 由于公共和民用建筑空调系统的负荷主要来自围护结构传热( 包括太阳辐 射) 和新风负荷，系统负荷是随室外气象条件而变化，而传热系统一般均是按照 设计最大负荷来选择冷水机组及水泵，并按最大负荷设计水管的大小，传热系 统绝大部分时间都是在部分负荷下运行【2 】。当冷水系统为定流量，部分负荷运 行时，将白白地浪费大量的能量。 定流量水系统一般具有以下特点： ( 1 ) 、传热设备绝大部分时间内在远低于设计负荷的情况下运转。 ( 2 ) 、水系统供回水温差远低于供暖系统的温差，流量调节才是控制负荷 的合理的做法。 ( 3 ) 、另外，由于实际工程夏季冷负荷取值往往过于保守，在对宾馆饭店 的调查中显示6 7 的工程装机冷负荷指标为9 4 1 6 3 w m ：，远高出冬季热负荷， 致使冬夏季空调循环水量差别过大，循环水泵冬季运行极不经济【3 1 。 交流量系统可以根据实际负荷的大小改变送到各用户处的水流量，水泵也 可以根据系统实际所需流量调节其转速或运行台数，从而达到节约水泵能耗的 目的。办公楼、高层旅馆空调用水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的 1 5 9 扣2 0 【4 】，若采用变流量系统，据估算，运行费用比定流量水系统要节约2 5 q 0 。因此水系统交流量运行是目前降低建筑能耗的有效手段之一。 在锅炉供暖过程中，变流量系统同样能够实现节能的效果。目前在我国建 筑物采暖工程设计中，热源多数采用锅炉( 利用煤，气，电等能源) 为主，锅 炉产生的热能是以水作为热能载体，由电动机推动水泵进行采暖系统热循环来 满足热负荷的需求。而在锅炉参数设计时是以最大热负荷的1 1 1 5 倍确定的， 最大热负荷一般是按照当地气象资料的极端气温条件来确定的；这种设计容量 的富裕是合理的，但在使用时必须做出实时调节运行，否则造成能源浪费。采 暖系统热水循环泵的选择是以最大热负荷，最长管网环路，最大阻力再考虑一 定的安全系数来选择水泵的流量，并以最大流量选定电机功率。锅炉容量恒定 ( 阶梯变量) ，水泵流量、电机功率恒定，而热负荷的运行却在大流量小温差循 环系统中运行。可是建筑物的外界环境和内部需求热负荷实时在变化，此时的 恒流量输送热能的方式势必产生大量的能源损失和设备使用寿命的缩短。由于 条件的原因此类运行方式仍较普遍，亟待解决。 本文正是探索将熟泵技术、变流量技术应用于供熟空调系统中，在工程实 践中研究系统的节能效果。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 热泵的概述 1 2 1 热泵的定义 世界各国的能源消耗中，以热能消耗量为最大，在一次能源变成热能，再 转换成各种形式的能量的过程中，约有5 8 5 的能量是以排气、蒸汽、热水等 排热形式排出而损失的【”。而这些排热损失中，低于1 0 0 。c 的热能占很大比重。 热泵技术的开发为利用低温热能提供了有力的手段，而且满足了节约能源和保 护生态环境的要求。它是一种在外界能量的协助下，把热能从低温物体转移到 高温物体的设备。 热泵是利用那些因温度太低而不可能被别的设备加以利用的热量的系统， 它可以用无价值的大气及土壤中的太阳潜能以及地下水、地表水的低位热能或 工业污水废热去替代商品热源，实现供暖与供冷。工质的温度只要不超过某一 个特征点( 临界点) ，温度即使高一些，蒸汽也可以液化。此时，液化的蒸汽将 放出蒸发焓h ，以及所消耗的压缩功w ，两者之和为热量q ，借助于消耗高品 位的能量，可将在低温下吸收的热量，在提高温度后输出，并使之成为有用的 热量。热泵就是利用上述过程，以吸取有关热源的热量，例如地下水、土壤或 外界空气的热量，并在消耗高品位能量的情况下，将上述热量提高到适用于房 间采暖的温度。因此，借助热泵装置，人们能把自然界中的太阳潜能或废弃的 工业低温余热等热量转变成为较高温度的有用热能，供应生产和生活的需要。 这样就给人们提出了一条既节约矿物燃料、合理利用能源，又能减轻环境污染 的途径。 推进热泵技术的发展是能源工程综合利用的需要。能源危机和矿物能燃烧 过程对生态环境的污染均是对现代人类生存的严重挑战。热泵技术正是开发和 强化高质能源利用率的重要手段，是获取可再生能源及维护生态平衡的有效途 径之一。 1 2 2 热泵的发展简史 热泵技术的发展经历了一个多世纪。“热泵”这个名词最早在欧洲使用约在 1 9 世纪初。1 9 世纪初，人们对于热能是否可用“泵”送至较高的温度发生了兴 趣。1 8 2 4 年，卡诺首先提出了热力学循环理论，英国物理学家焦耳( j p j o l l l e ) 论证了改变气体的压力能引起温度变化的原理。英国的汤姆森 ( d r w 1 l l o m s o n ) 教授，以后改名为开尔文( l o r d k c l v i n ) 勋爵，于1 8 5 2 年在发表的论文中首先提出并描述了关于热泵的设想，被称之为热量倍增器 - 4 第1 章绪论 ( h e a tm u l t i p l i c r ) ，但当时由于条件所限并没有立即得以实现。同时，由于当 时取暖的方式多样化，而且简单廉价，因此在技术上对热泵的迫需性就不大， 从而导致当时热泵发展的滞后。直到1 9 1 7 年德国卡塞伊索达制造厂才首先把热 泵应用于工业生产上。从热泵本身来说，设备的一次投资仍比采暖系统的一次 投资要高，并且因冬季温度低而使蒸发器表面容易结霜，要用电阻丝加热除霜， 加大了运行成本，因而没有得到迅猛的发展。 表l - 2 闭式蒸发压缩机循环的热泵形式 1 曲1 e1 2p 伽叩f 撕mo f t h ee v a p 毗sc 彻1 p 1 _ e s s o rc i r 饥l 撕 髂( 垮： ， 矗景量式皇i 翻i 基七 蛐曩s ，哮舅羹c 舅多e 啦和嗣净开重 熏即， 空气毒气 空气垒【 岛襄翻 蠡幕长向 曲r ! ! 1 空气承 空气木 点裹工矗 墓幕丧冉 ， ， 巴匀i ：到+ 承空气矗曩工一 ，臣匀剩。+ 。： t 奎【 燕曩 叠寡 嘲篓掺1 雠。： 砸1 弹一 承璩 t蠢曩叠冉 勰 一f 一 太崩胎生 太t 旨 基翻 髫一| j t 向再执 觚基冉 太雌t ) 。阿粤掣，。，。 太地矗蠢 售摹工一 童确懈 ，c 鼍鑫鼍 空气+ t 基翻接冉 蕊囊 ， 北京工业大学工学硕士学位论文 直至上世纪2 0 3 0 年代，热泵有了较快的发展。一方面，在这之前工业技 术，特别是制冷机的发展为热泵的制造奠定了良好的基础，另一方面，社会上 出现了对热泵的需求。有代表性的是英国霍尔丹( h a i d a l l e ) 于1 9 3 0 年在他的 著作中报道了1 8 7 2 年在苏格兰安装试验的一台家用热泵，这是英国安装的第一 台热泵。在这之后，美国开始对热泵进行了不少设计和研究，但能进行试验的 很少。在1 9 3 1 年，美国南加利福尼亚安迪生公司的洛杉矾办公楼，将制冷设备 用于供热，这是大容量热泵的最早应用。欧洲第一台较大的热泵在1 9 3 8 至1 9 3 9 年间安装于瑞士苏黎世，以河水作为低温热源，向市政厅供熟，有蓄热系统在 高峰负荷时采用电加热作为辅助加热，该装置夏季也能用来制冷。7 0 年代中期， 热泵进入快速发展期。1 9 7 8 年美国的热泵产量为6 0 万台，而至1 9 8 8 年美国的 热泵产量已达4 6 3 万台。如今热泵作为一种高效节能与余热利用技术在日、美、 欧等地已得到了广泛的应用发展，并取得了令人瞩目的效果。 1 2 3 我国热泵的发展概况 我国的热泵工业相对于世界上工业发达国家的热泵发展与应用来说，有一 段明显的滞后期。能源危机推动了世界性的热泵发展，同时也影响了我国学术 界。我国自五十年代起，就有天津大学等单位开始了热泵研究工作，但一直发 展缓慢。1 9 6 5 年，我国研制出第一台制热量为3 7 2 0 w 的c l 3 a 热泵型窗式 空调器，但是技术明显不够成熟。直到八十年代初，国民经济有了较大的发展， 制冷空调工业发展很快，随着城市开放政策和消费水平的提高，空调机及电加 热产品不同程度的进入了工业和家庭，能源供应紧张的问题突现了出来，节能 及有效利用能源的工作已经刻不容缓。为了利用热泵技术回收大量工业余热， 热泵在各个领域的研究逐步形成热潮。高等院校、研究所纷纷成立了热泵专题 研究所，国家和地方各部门也都给予了一定的重视，热泵技术得到了较快的发 展并有了初步的成效。从八十年代起，我国热泵在各种场合的应用研究有许多 发展，特别是城市商场、高层建筑的兴建，大大促进了空调与热泵工业。以包 括热泵在内的房间空调器年产量增长为例，1 9 9 1 年的产量为5 9 6 万台，5 年后， 至1 9 9 6 年产量已猛增至“5 9 万台，为1 9 9 1 年的l o 8 倍。这种发展速度是空 前的。如以热泵型空调占房间空调器产量的6 5 计，目前我国热泵型房间空调 器的年产量大致已达4 2 0 万台。此外，单元式熟泵机组及热泵型冷水机组也有 相应的发展。就我国目前空调用各种热泵的产量而言，大致相当于美国或日本 九十年代初的水平，数量上己步入世界空调用热泵产量大国。产品的质量上也 与美国、日本等相距不远。可以看到，热泵的发展不仅与国家国民紧急总体发 展及热泵本身技术发展有关，还与能源的结构与供应，特别是与政府的政策导 第l 章绪论 向密切相关。目前，热泵在我国也己处于迅速发展期。热泵作为一种有效的节 能产品，它不仅在工业农业应用上，更多的将在供暖供冷设备应用上在我国发 挥越来越重要的作用。 1 3 水源热泵技术应用概况 由于本文研究的熟泵变流量传热系统所应用的是水源热泵，在此，特别对 水源热泵的发展概况作更进一步的介绍。 1 3 1 水源热泵概况 现代社会的生产与生活，依赖于能源的大量消费。全球小于1 0 0 。c 低温 用热的能耗占总能耗的一半左右，把煤炭、天然气等一次能源和电能等二次能 源降级使用，转换过程中有效能损失很大。当前能源的短缺，除需要加强常规 资源的生产和积极开发各种新能源外，更迫切需要合理和综合利用能源，提高 能源的有效利用率。建筑空调只需较低温度的热量，显然可利用低温位能借助 热泵来供应。热泵是按照逆向热力循环，利用高位能的位能潜力，去提取周围 环境中无直接用途的热量，使其温度提升，从而获得更多可利用的热能的热力 装置。在北京地区，有丰富的温泉水，出水温度约5 0 。c ，城市污水处理厂的 二级出水具有冬暖夏凉的特点，全年出水温度维持在1 4 。c 2 5 。c ，地下水温 也能有1 5 。c 左右。采用水源热泵机组，从上述水源中提取能量进行夏季供冷、 冬季供暖，并且配合蓄冷蓄热技术，将带来明显的社会效益和经济效益。在近 几年中，长江流域广大地区，热泵技术的应用方兴未艾。其中的水源热泵的应 用在我国刚起步不久。水源热泵( w a t 盯s o u r c eh e a tp 1 】i n p ) 是以水为冷热源的 一种可实现制冷和制热循环的热泵型空调装置。应该指出，水源热泵系统的出 现、存在和发展，其生命力主要在于其具有热回收性能，既可以利用冷凝热来 加热供热空调房间，又可以反向利用，从而提高建筑物内部能源利用率。 水源热泵技术作为一种有益于环境保护和可持续发展的冷热源形式，已经 引起了国内建设机构设计单位、房地产商和生产厂商以及公众的广泛兴趣，“水 源热泵”作为一个新兴的名词，越来越广泛的被人们谈及。 1 3 2 水源热泵的工作原理 水源热泵是一种利用地球或浅层水源( 如地下水、河流、湖泊) ，或者是人 工再生水源( 工业废水、地热水等) 中吸收的太阳能和地能资源，既可实现供 热又可实现制冷的高效节能空调系统。水源热泵技术利用热泵机组的原理，通 北京工业大学工学硕士学位论文 过少量的高位电能输入，实现低温位热能向高温位转移，在向室内供冷供热时 与水进行热交换，把热量排入水中，或从水中吸收热量，将水体和地层蓄能分 别在冬、夏季作为供暖的热源和空调冷源的一种技术。见图1 1 。 、潜水表 图1 一l 水源热泵工作原理 f i g 1 一1w 睨ks y s t 锄o f w a t 盯s a u r c eh e a tp u m p 地球表面浅层水源，如深度在1 0 0 0 米以内的地下水、地表的河流、湖泊和 海洋，吸收了太阳进入地球的相当多的辐射能量，并且水源的温度一般都十分 稳定。水源热泵机组工作原理就是在夏季将它们作为冷却水源带走能量，使热 泵机组逆向工作，由于水源温度低，所以可以高效的带走热量，将建筑物中的 热量转移到水源中，让用户端可以得到7 。c 的冷水，从而满足用户制冷的需 要；而冬季，则从水源中提取热能，再辅以热能，由热泵原理通过空气或水作 为载冷剂提升温度后使用户端循环水水温达到5 0 9c 5 5 。c 后送到建筑物中， 从而满足用户采暖的需要。通常水源热泵消耗1 k w 的能量，用户可以得到4 k w 以上的热量或热量。 1 3 3 水源热泵国内外研究及应用情况 美国水源热泵的制造厂商中，著名的公司有：a d d i s i o n p r o d u c t sc o i 】叩a n y 、 a d v a n c e dg e o m e 锄a 1t e c h n 0 1 0 9 y 等。美国水源热泵的研究和应用更偏重用于住 宅和商业小型系统，多采用水一空气系统。在大型建筑方面，美国推行w ih p 系统，即水循环热泵系统。 与美国的地源热泵发展有所不同，中、北欧，如瑞典、瑞士、奥地利、德 国等国家主要利用浅层地熟资源，地下土壤埋盘管( 埋深小于4 0 0 米) 的地源 热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。同时，中、北欧海水源热泵的 研究和应用也比较多。 8 第1 章绪论 8 0 年代末，日本的新宿污水厂采用小型热泵机组进行供暖的实验性研究， 产生的热用于污水厂周围住宅区的供暖，对污水厂余热应用做了尝试。 中国最早于5 0 年代，在上海、天津等地尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制 冷，目前，国内的清华大学、天津大学、北京工业大学、重庆建筑大学、天津 商学院、中国科学院广州能源研究所等多家大学和研究机构都在对水源热泵进 行研究。采用水源热泵采暖和供冷的已有多处成功的实例。国内的水源热泵制 造厂商中，清华同方人工环境设备公司、山东海阳富尔达公司是比较早的水源 热泵制造厂家，但目前也有相当多的制冷空调厂家将其普通的水冷机组改造成 为水源热泵。中国的水源热泵的研究和应用才刚刚起步，与国外相比，在热泵 机组的优化设计和工程应用上还存在较大差距。 目前，世界特别看好中国市场。美国能源部与中国科技部于1 9 9 7 年就签署 了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其中主要内容之一是“地源热泵”， 该项目拟在中国的北京、杭州、广州三个城市各建一座采用地源热泵供暖空调 的商业建筑，以推广运用这种“绿色技术”，缓解中国对煤炭和石油的依赖程度， 从而达到能源资源多元化的目的。 在未来的几年中，中国面临着巨大的能源压力。一方面，中国的经济要保 持较高速度的增长，另一方面，又必须考虑到环保和可持续发展的问题，所以 要求提高能源利用效率，就要求必须对能源结构进行调整。能源利用效率提高， 会鼓励各种节能设备和技术的推广，能源结构调整的方向就是从以煤为主转为 以燃气、直至以电为主。在中国的能源消耗中，建筑耗能的比例相当高，为了 适应市场要求和参与国际竞争，我们必须加快中国品牌的水源热泵的产业化研 究开发。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 变频技术概述 第二章变频调速技术 变频技术是电力电子技术的主要组成部分，自从通用变频器问世以来，变 频调速技术在各个领域得到了广泛的应用，他主要应用在交流电机的调速和供 电电源两个领域。随着微电子学，电力电子技术、电子计算机、自动控制理论 等的发展，变频技术已进入了一个崭新的时代，其应用范围几乎扩大到各种用 电场合和设备。因为交流电机特别是鼠笼式异步电机具有结构简单、牢固、制 造容易、运行环境不受限制、免维修等使用上的优点，加之转速快、电压高、 功率大、转动惯量小等性能上的优点，倍受用户青睐。其优越性不仅是节能， 而且也是一种崭新的控制手段。它可以改变原有的生产工艺，使之更加规范化， 使各种工艺参数都处于最佳状态，对实现自动化，提高企业产品质量，生产效 率，产品合格率，延长设备使用寿命，减少维修费用，都起着非常重要的作用。 它广泛应用于工业、企业和民用建筑辅助设施等行业。 随着微机技术的日新月异，现代电力电子技术的迅速发展和现代调速控制 理论的长足进步，通用变频器不仅用于一般性能的节能调速控制，而且已经用 于高性能、高转速、大容量的调速控制方面。变频器作为一种智能调速元件， 以其多用途、高可靠性和明显的节电效果迅速光法的应用于各种大型自动化生 产线和各类电机控制上。如造纸、轧钢、空调供水、印刷和机械加工等生产线。 变频器不仅可以单台工作，也可以多台分别控制各自的被控对象，并且相互串 联，与计算机进行通讯，采用计算机对变频器网络的集中控制，形成连续生产 线的调速控制，因此，现在的通用变频器在各个行业得到了普及，而通用就是 智能与通用的鼠笼电动机配套使用，能使用各种不同性质的复合并具有多种可 供选择的功能。通用变频器是使组成的调速控制系统的主要部件。 所谓变频就是利用大功率的电子器件( 如功率晶体管g 1 限、绝缘栅双极性 功率晶体管i g b t ) 将3 8 0 v 、5 0 h z 的市电变换为比它频率低的交流电，大量用 在大功率的交流调速中，间接变频( 或交直交变频) ，即先将市电整流成直流， 在变频为要求频率的交流，它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频 加热，方波变频又分为等幅等宽和s p w m 变频。变频电焊机和开关电源采用等 幅等宽变频。 由交流异步电动机的基本原理可知，转差功率p s - s p m 与转差率s 成正比， 从能量转换的角度看，通用变频其的调速类型属于转差功率不变型，因此在种 类繁多的调速类型中他的效率最高。他的结构型属主要有应用最广的交直交变 压变频方式构成。 变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统是包含多种 第2 章变频调速技术 学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控 制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变化部件， 提供可控的高性能变压变频的交流而得到迅猛的发展。 变频器的功能是将频率、电压都固定的交流电变换成频率、电压都连续可 调的三项交流电源。经理了大约3 0 年的研发与应用实践，随着新型电力电子器 件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能功能价格比越 来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断的提高可靠性，实现变频器的迸一 步小型轻量化、高性能化和多功能化，以及无公害化而做着新的努力。变频器 性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响。二要看对电网的谐 波污染和输入功率因数，三要看本身的能量损耗( 即效率) 如何。由于把直流 电逆变成交流电的环节比较容易控制，并且在电动机变频后的特性等方面比其 他方法具有明显的优势，所以通用变频器采用了先把频率、电压都固定的交流 电整流成直流电，在把直流电逆变成频率、电压都可连续可调的三相交流电， 即交直交方式。 这里仅以量大面广的交直交变频器为例，阐述他的发展趋判1 2 。 ( 1 ) 主电路功率开关元件的自关断化、模块化、集成化、智能化，开关频率不 断提高，开关损耗进一步降低。 ( 2 ) 变频器主电路的拓扑结构方面：变频器的网侧交流器对抵押小容量的装置 采用6 脉冲变流器，而对中亚大容量的装置采用多冲化1 2 脉冲以上的变流器。 负载侧交流器对抵押小容量装置常采用粮店平的桥式逆变器，而对中亚大容量 的装置采用多电平逆变器。对于四相限运行的传动，为实现变频器再生能量向 电网回馈和节省能量，网侧交流器应为可逆变流器，同时出现了功率可双向流 动的双p w m 变频器，对网侧变流器加以适当控制可使输入的电流接近正弦波， 减少对电网的公害。目前，低、中压变频器都有这类产品。 ( 3 ) 脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制( s p w m ) 控制， 消除制定次数谐波的p w m 控制，电流跟踪控制，典雅空间适量控制( 磁链跟 踪控制) ( 4 ) 交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在游标量控制相告动态性能 的适量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的事来能够控制和直接转 矩控制系统方面。 ( 5 ) 微处理器的进步是数字控制成为现代控制其的发展方向：运动控制系统是 快速系统，特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和快速实施处理 大量信息。近几年来，国外各大公司纷纷推出以d s p ( 数字信号处理器) 为基 础的内核。配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的称为d s p 单片电机控制其，价格大大降低，体积缩小结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。 北京工业大学工学硕士学位论文 d s p 和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强1 0 1 5 倍，以确保系统有更 优越的控制性能。 数字控制是硬件简化，柔性的控制算法是控制具有很大的灵活性，可实现 复杂控制规律，是现代控制理论在运动控制系统中应用成为现实，易于与上层 系统连接进行数据局传输，便于故障诊断加强保护和监视功能，使系统智能化。 如有些变频器具有比调整功能。 ( 6 ) 交流同步电动机已经成为交流可调传动中的一颗新星，特别适永磁同步电 动机，点击获得无刷结构，功率因子高，效率也高，转子转速严格与电源频率 保持同步，同步电击变频调速系统有他控变频自控变频两大类。自控变频同步 电击在远离上和直流电机极为相似，用电力电子变流器取代了直流电机的机械 换向器，如采用交直交变压变频其实叫做直流无换向器电机，或称无刷直流电 动机。传统的自控变频同步机调速系容有转子位置传感器，现在正在开发无转 子位置传感器的系统。同步电击的他控变频方式也可采用矢量控制，其按转子 磁场定向的适量控制比异步电机简单。 变频技术总的发展主要表现在两个方面，( 1 ) 将过去用法电机、变压器产 生交流电源的地方，( 如中频电源、不停电电源等) 用变频电源取代，( 2 ) 将计 算机、电焊机、电子装置等用直流电源的地方改为以变频技术为核心的开关电 源，其中变频技术在电源中的应用，极大地减小了电源装置的体积，提高了效 率，产生了巨大的经济效益。而如今各种新能源( 例如太阳能、风能和潮汐能 等) 的利用更是都离不开变频技术，变频器在调速领域中应用对节能起了极大 的作用。 总之，变频技术应用十分广泛，它促进了其他技术的进步，其他技术的进 步也带动了变频技术的发展。 2 2 变频器的分类 ( 1 ) 按变换的环节，可分为交交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可 调的交流，又称直接式变频器，交直交变频器，则是先把工频交流通过整流器 变成直流，然后再把直流变成频率打压的可调的交流，又称间接式变频器，是 目前广泛应用的通用型变频器。 ( 2 ) 按直流电源性质分类。 a 、电流变频器，特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功 率，即遏制电流的变化，是电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流 源型变频器( 电流型) 电流型变频器的特点是能够遏制负载电流频繁而急剧的 变化，常选用与电流变化较大的场合。 b 、电压型变频器，其特点是中间直流环节的储能元件大多采用大电容，负载 第2 苹变频调速技术 的无功功率将由他来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电 压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。 此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元 器件分类，按输入电压高低分类。 2 3 变频技术在交流调速中的应用 2 3 1 变频技术发展应用概述 在人们日常的生活中，经常需要对一些物理量进行控制，如空调系统的温 度。供水系统的水压，通风系统的风量等等，这些系统中绝大多数十采用交流 感性电动机拖动的，而工业生产也十分广泛的使用电机拖动，一般情况下，这 些电机均在恒定速度下运转，但是人们为了达到对上述物理量的控制，有时只 好采用一些比较简单的方法，如用挡板调节风量，用阀门调节流量等等，因而 使这些系统不仅仅达不到很好的调节效果，还白白浪费了大量的电能。现今电 机拖动的耗电量占了工业生产总耗电量的一半，而电力拖动又离不开调速，选 用先进的调速技术，节省电能是节能降耗的重要措施，交流电动机变频调速是 在现代微电子基础上发展起来的新技术，它不但比传统的直流电机调速优越， 而且也比调压调速、变极调速、串级调速等调速方式优越，它的特点是调速平 滑、调速范围宽、效率高特性好、结构简单、机械特性硬、保护功能齐全、运 行平稳可靠，在生产过程中能够获得最佳的速度参数。是理想的调速方式。 图2 1 典型调速控制系统图 f i g 2 lm 0 d e lo f v d o c i t ym o d u i 撕o nc o n 仃d ls y s t 锄 北京工业大学工学硕士学位论文 采用变频调速技术，改变普通定量泵的输出功率，随负载的变化而变化， 将保压和冷却、清料时段的功率浪费节省下来，同时提高功率因数，加上变频 运行转速降低，电流成平方比例下降，所以省电效果明显，调查统计【刀，目前 我国使用的风机、水泵大约有2 5 到4 0 的能量是无谓的消耗掉了。因此，风 机、水泵系统的