熱泵采暖系統(tǒng)分為冷媒系統(tǒng)和水系統(tǒng)兩部分。本文從熱泵采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理特點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用環(huán)境負(fù)荷變化對水系統(tǒng)的要求進(jìn)行分析，提出了利用變頻技術(shù)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來調(diào)節(jié)流量和壓力的變化取代用閥門控制流量，增加系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性的解決方案，可以帶來明顯的節(jié)能效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益。
一、熱泵采暖系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)
熱泵采暖系統(tǒng)是由一連串的流體機(jī)械和熱交換器組合而成的。它主要由制冷系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、地暖管系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)四部分組成。圖1為典型熱泵采暖系統(tǒng)工作原理示意圖。
熱泵采暖系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：
1. 冷熱負(fù)荷要求的不均勻性。
在熱泵采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為保證在大氣溫度zhu低的情況下能滿足使用要求，所以按zhu大負(fù)荷設(shè)計(jì)并有15%左右的富裕量，而平時(shí)使用時(shí)并不能達(dá)到滿負(fù)荷，所以存在較大裕度，其中熱泵主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化使用變頻壓縮機(jī)或者并聯(lián)多臺(tái)主機(jī)來自動(dòng)加載、卸載，而水泵的流量如不能隨熱泵主機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必然存在很大的能量浪費(fèi)。
除此之外，每年的氣象條件是隨季節(jié)呈周期性變化的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)中央空調(diào)水泵在滿負(fù)荷情況下運(yùn)行的時(shí)間較少，大部分時(shí)間運(yùn)行在總負(fù)荷的60%～80%之間(如圖2)。而從歐盟ERP指令中關(guān)于水泵EEI指數(shù)計(jì)算流量、時(shí)間百分比來看（如表1），歐洲采暖系統(tǒng)水泵運(yùn)行負(fù)荷更多集中在50%以下，這可能和歐洲建筑保溫效果好有很大關(guān)系。
2. 熱泵采暖系統(tǒng)一般都是二聯(lián)供（采暖+制冷或者采暖+生活熱水）或者三聯(lián)供（采暖+制冷+生活熱水），采暖一般采用地暖管，而制冷一般是風(fēng)機(jī)盤管的散熱方式（如圖1）。
在采暖和制冷系統(tǒng)中冷熱負(fù)荷要求不同，對水泵流量要求也不同；同時(shí)在采暖和制冷系統(tǒng)中的系統(tǒng)阻力也不同，對水泵的揚(yáng)程要求也不同。理論來講應(yīng)該選擇兩臺(tái)水泵以匹配不同的系統(tǒng)。如果只選擇一臺(tái)水泵依靠三通閥來切換水路，則水泵只能滿足一種工況要求。由于風(fēng)機(jī)盤管的水阻遠(yuǎn)大于地暖管，水泵選型時(shí)為保證在制冷工況下能滿足風(fēng)機(jī)盤管的要求，一般選擇較大水泵。采暖時(shí)，水系統(tǒng)通過節(jié)流閥或調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)流量、壓力，存在較大節(jié)流損失和大流量小溫差的現(xiàn)象。不僅浪費(fèi)大量電能，而且還可能造成熱泵運(yùn)行大幅度偏離額定設(shè)計(jì)的情形，對系統(tǒng)設(shè)備帶來不利的影響。
3. 房間熱（冷）負(fù)荷變化時(shí)，熱泵采暖水系統(tǒng)的水泵和家用空調(diào)壓縮機(jī)有異曲同工之處，如果水泵電機(jī)啟停頻繁，會(huì)使得房間溫度波動(dòng)大，嚴(yán)重影響舒適性。
水泵電機(jī)啟動(dòng)電流通常為額定值的5倍左右，在如此大的電流沖擊下，進(jìn)行頻繁的啟停，對電機(jī)、接觸器觸點(diǎn)、空氣形狀觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧沖擊，也會(huì)給電網(wǎng)帶來一定沖擊，同時(shí)啟動(dòng)時(shí)帶來的機(jī)械沖擊和停止時(shí)的承重現(xiàn)象也會(huì)對機(jī)械傳動(dòng)、軸承、閥門等造成疲勞損傷，對設(shè)備長期安全運(yùn)行帶來不利影響。
因此，系統(tǒng)運(yùn)行中應(yīng)盡可能地采取措施滿足zhu佳工況條件。如何改善熱泵主機(jī)及輸送系統(tǒng)的性能，使之能夠在部分負(fù)荷條件下高效運(yùn)行，一直是行業(yè)內(nèi)關(guān)注的課題。
二、變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用
目前，變頻調(diào)速技術(shù)是逐漸被人們重視并正在暖通行業(yè)中得到迅速發(fā)展和應(yīng)用的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，變頻調(diào)速技術(shù)可有效改良熱泵采暖水系統(tǒng)的不足，提高系統(tǒng)效率及設(shè)備可靠性，降低設(shè)備能耗。
熱泵采暖系統(tǒng)水泵的流量理應(yīng)按照zhu大制熱量來設(shè)計(jì)。而一般供回水設(shè)計(jì)溫差為5℃~7℃，在流量穩(wěn)定情況下，熱泵采暖系統(tǒng)絕大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行的。如果按照zhu大制熱量設(shè)計(jì)的水泵，在采暖季絕大部分運(yùn)行時(shí)間里一般熱泵采暖水系統(tǒng)的供回水溫差僅為1℃~3℃，實(shí)際熱交換量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值。如果當(dāng)需求減少時(shí)通過控制閥趨向關(guān)閉的位置，系統(tǒng)阻力增加，組合在一起的水泵和系統(tǒng)只能工作在水泵特性曲線和系統(tǒng)控制特性曲線的交點(diǎn)處。如圖3所示。當(dāng)水泵恒速運(yùn)行并用控制閥控制流量使之由Qa 變到Qb 時(shí)，也就是說，當(dāng)流量減少時(shí)水泵的出口壓力將由Ha 增加到Hb ，要求出口的壓力不致太高。因?yàn)檫^高的壓力將由控制閥來吸收。所吸收的壓力是隨流量的不同而有所變化的，這一壓力可能會(huì)大于按照運(yùn)行需要控制閥能夠承受的壓力設(shè)計(jì)值，使得控制閥會(huì)被迫打開造成冷熱不均的現(xiàn)象發(fā)生，不僅浪費(fèi)能源還加速閥的磨損減少閥的使用壽命，系統(tǒng)的性能不能得到滿足還增加維護(hù)費(fèi)用。
而熱交換量的大小取決于水的流量，水的流量又取決于水泵的轉(zhuǎn)速。若水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速能根據(jù)熱負(fù)荷來調(diào)整，當(dāng)熱負(fù)荷減小時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)地降低，電機(jī)的耗電量就會(huì)大幅度下降，則電機(jī)的功耗將明顯減少，從而達(dá)到節(jié)能目的。變頻水泵使用永磁電機(jī)后，電機(jī)效率的大幅度提高，也給節(jié)能帶來巨大效果。
以戶式熱泵采暖水系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛的8米揚(yáng)程水泵為例，行業(yè)知名品牌普通定速水泵UPS 25-80的zhu大功率為190W，而zhu新一代專門針對熱泵系統(tǒng)符合ERP指令水泵UPM GEO 25-85的zhu大功率僅為87W：
? 以定速水泵和變頻節(jié)能泵都運(yùn)行在zhu大功率（速度）來計(jì)算， 供暖季為4個(gè)月，每月按30天計(jì)，每天24小時(shí)，80%時(shí)間水泵在運(yùn)轉(zhuǎn)
? 定速水泵總耗電量為：
P = 0.19kw x 24 x 80% x 30 x 4 = 437.76kwh
變頻節(jié)能水泵總耗電量為：
P = 0.087kw x 24 x 80%x 30 x 4 = 200.45kwh
節(jié)能效果達(dá)到54%。同時(shí)當(dāng)熱負(fù)載降低時(shí)，定速泵始終維持zhu大速，而變頻泵可以降速，這使所消耗的功率更低，綜合計(jì)算，節(jié)能泵比定速泵節(jié)能75%左右。以電價(jià)為人民幣0.53/kwh來算，在一個(gè)供暖季，單戶家庭節(jié)省電費(fèi)174元。如果把夏天制冷時(shí)也考慮進(jìn)去則經(jīng)濟(jì)效果更顯著，大約1-2年可以收回額外的投資成本。
采用變頻泵后還可以去掉調(diào)節(jié)閥，不但降低了系統(tǒng)的成本，還提高了系統(tǒng)可靠性和減少了能量損失，無論對廠家還是對用戶都是非常有利的。可見，使用變頻水泵不但可以與變頻空調(diào)有異曲同工之妙可實(shí)現(xiàn)快速冷暖，溫度控制精度高，具有更好的用戶體驗(yàn)，在節(jié)能以及經(jīng)濟(jì)效益方面也有很大的提高。
從熱泵采暖系統(tǒng)的原理可以知道，系統(tǒng)的熱（冷）量是通過水泵來泵送載冷劑（一般水或者防凍液）循環(huán)來完成的。在常規(guī)的恒定水流量的情況下，供回水溫差即反映出空調(diào)系統(tǒng)熱（冷）負(fù)荷的大小。
在熱泵采暖水系統(tǒng)中，為了便于調(diào)節(jié)，宜采用兩級(jí)泵系統(tǒng)。一級(jí)泵是用來維持通過熱泵機(jī)組冷凝器（蒸發(fā)器）的水流量穩(wěn)定，確保機(jī)組安全、高效地運(yùn)行，一般采用定轉(zhuǎn)速的水泵。二級(jí)泵是用來克服熱（冷凍）水輸送管路及末端裝置的阻力，起到輸送熱（冷）量的作用，為了節(jié)能二級(jí)泵采用可調(diào)速水泵，調(diào)節(jié)方法通常是根據(jù)供回水溫差來控制循環(huán)水的流量，從而控制熱交換的速度是比較合理的控制方法。通常情況下，熱（冷凍）水供水溫度是我們事先設(shè)定好的，在熱（冷凍）水流量不變的情況下，回水溫度高低就反映出室溫的高低。在室內(nèi)負(fù)荷較小時(shí)，我們可以通過變頻調(diào)節(jié)，降低水泵的轉(zhuǎn)速，減少水泵流量，來滿足室內(nèi)負(fù)荷的要求，同理，在室內(nèi)負(fù)荷增加時(shí)，我們可以通過提高水泵頻率，增加水泵的轉(zhuǎn)速，增加水泵流量，滿足室內(nèi)負(fù)荷的要求。通過以上的運(yùn)行調(diào)節(jié)，可以為我們節(jié)約大量的能源。
對于一些大型的熱泵供暖系統(tǒng)，也可以通過在供回水總管間安裝壓差控制閥，當(dāng)末端設(shè)備水流量發(fā)生變化時(shí)，供回水總管間壓力差隨之變化，通過壓差控制閥的調(diào)節(jié)，保證機(jī)組水流量的穩(wěn)定。在其它條件不變時(shí)，降低冷凝溫度可以提高熱泵機(jī)組COP，降低單位制熱量的能耗。由負(fù)荷計(jì)算公式Q= KF（Tc-Tw）知，要維持冷凝器的負(fù)荷Q 不變，在降低冷凝溫度Tc的同時(shí)，必須降低供水溫度Tw，否則必須提高水流量。但是，很多實(shí)際工程測試數(shù)據(jù)表明，在一些大型的小區(qū)熱泵供熱系統(tǒng)中，由于水泵功率占真?zhèn)€系統(tǒng)功耗較大，過度的增加水流量減小傳熱溫差，反而使得整機(jī)能效下降。一般水泵功率占整個(gè)系統(tǒng)功耗百分比越大，建議供回水換熱溫差越大，在某些情況下可以放大到10℃~12℃。因此，綜合考慮水泵功耗與熱泵機(jī)組功耗的匹配，才會(huì)有一個(gè)zhu佳節(jié)能效果。
三、結(jié)論
從以上分析可知采用變頻水泵的熱泵采暖水系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。變頻水泵提高了熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，延長水泵、電機(jī)以及管道系統(tǒng)的使用壽命。可實(shí)現(xiàn)快速冷暖，溫度控制精度高，具有更好的用戶體驗(yàn)。減少了設(shè)備磨損，降低了維修費(fèi)用及故障率。節(jié)約了能源消耗。
隨著節(jié)能意識(shí)的深入與普及，會(huì)有更多變頻技術(shù)應(yīng)用于熱泵采暖系統(tǒng)上，獲得更為理想的運(yùn)行效果。
