据相关资料统计, 空调系统的能耗约占整个建筑能耗的 35% 以上, 随着国家对建筑节能减排要求的不断提高, 大大推动了暖通工程师对建筑空调系统节能减排的研究, 其中地源热泵空调系统得到了越来越多的应用, 其工程规模呈明显的增大趋势, 但同时也暴露出了一些问题, 主要表现在资源勘查系统设计施

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忍癣焦
7 years ago
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1 地下环路工况满液式水源螺杆热泵空调系统的设计优化中石化石油工程设计有限公司邹员斌刘训伟摘要本文介绍了满液式水源螺杆热泵机组的运行原理和特点, 并结合工程实例, 分析了采用满液式水源螺杆热泵机组的空调系统 ( 地下环路工况 ) 出现压缩机吸排气压差低报警停机的各种可能的故障原因, 并且确定了真正的故障原因, 针对这一故障原因对系统进行了优化设计改造, 最终达到了空调稳定运行的效果关键词地源热泵满液式螺杆压缩机电动三通调节阀优化设计 Abstract The thesis mainly introduces the characteristic of the flooded water source screw heat pump, and analyzes the possible malfunction cause of low alarm shutdown of the compressor suction discharge differential pressure in the condition of adopting flooded water source screw heat pump air-conditioning system (underground loop condition), and confirms the true malfunction cause. The air-condition can eventually reach a stable running condition after optimizing the design and reconstructing the system aiming at this malfunction cause. Keywords ground source heat pump flooded screw compressor Electric three regulating valve optimal design 0 引言邹员斌男 1974 年 10 月生, 工学学士, 高级工程师, 注册设备工程师 - 暖通空调, 邮编 :257000, 地址 : 山东东营济南路 49 号, 电话 : , hvac212@163.com 1 / 6

2 据相关资料统计, 空调系统的能耗约占整个建筑能耗的 35% 以上, 随着国家对建筑节能减排要求的不断提高, 大大推动了暖通工程师对建筑空调系统节能减排的研究, 其中地源热泵空调系统得到了越来越多的应用, 其工程规模呈明显的增大趋势, 但同时也暴露出了一些问题, 主要表现在资源勘查系统设计施工管理运行监控方面, 甚至出现系统运行失败 1 的情况笔者在对即将投入运行的一个采用满液式水源螺杆热泵机组的空调系统工程( 地下环路工况 ) 进行调试时, 发现热泵机组总是出现报警停机情况, 要靠专业人员对热泵机组冷凝器的供水阀门进行长达 15 分钟的手动调节才能勉强运行起来, 有时手动调节还会失败, 优邹员斌男 1974 年 10 月生, 工学学士, 高级工程师, 注册设备工程师 - 暖通空调, 邮编 :257000, 地址 : 山东东营济南路 49 号, 电话 : , hvac212@163.com 2 / 6

3 化设计改造后, 空调系统能够实现一键启动并稳定运行, 本文旨在抛砖引玉, 为当前地源热泵空调系统的设计与能运行提供一定的参考 1 满液式水源螺杆热泵机组热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置热泵就像水泵一样, 可以把不能直接利用的低位热能 ( 如空气土壤水中所含的热能太阳能工业废热 ) 转换为可以利用的高位热能, 从而达到节约部分高位能 ( 如煤燃气油电能 ) 的目的水源螺杆热泵机组与其它水源热泵机组的原理一样, 其压缩机为螺杆压缩机, 跟据蒸发器的形式不同分为满液式水源螺杆热泵机组和干式水源螺杆热泵机组满液式蒸发器, 换热管浸泡在制冷剂中, 其表面经过强化传热处理, 外壁气化核心增多, 表面积增大, 壁面沸腾换热得以强化, 表面传热系数较光管高数倍, 内壁经加工处理, 冷水的对流换热也得以强化, 换热管双侧强化后, 传热系数提高, 蒸发器设计就可以采用较小的传热温差和较高的蒸发温度, 从而有助于提高机组的性能系数, 但是目前的螺杆压缩机多为喷油压缩 2 机, 运行过程中润滑油随排气一同排出, 虽有油分离器, 但其效率不可能达 100%, 润滑油的沸点远高于制冷剂, 随制冷剂进入蒸发器后不会同制冷剂一起蒸发, 若不采用适当措施, 润滑油会在蒸发器中越积越多而导致压缩机缺油, 因此厂家必须采用合适的回油技 3 术, 否则不仅不能发挥满液式蒸发器的传热性能, 机组的安全运行也会成问题, 要使压缩机回油顺利而不报警停机, 除了与厂家的回油技术质量有关外, 跟暖通工程师合理的系统设计也有很大的关系, 这也是大多数暖通工程师在设计时容易被忽视的地方 2 工程概述 2.1 工程概况垦利县国税局办公楼工程位于东营市垦利县开发区胜兴路, 工程占地面积 12265m 2, 地上共 8 层, 地下 1 层, 总建筑面积 8477m 2, 其中地上建筑面积 7104m 2, 建筑高度 41.8 米, 建筑物的主要功能为办公会议活动及后勤附属用房, 整栋楼采用建筑节能措施, 围护结构达到山东省公共建筑节能 65% 的要求本工程设计中央空调系统, 末端采用风机盘管加新风系统, 空调冷热源采用土壤源地源热泵系统, 夏季提供 7~12 的冷水, 冬季提供 45~40 的热水, 本工程 2008 年底动工,2010 年底竣工并开始试运行 3 / 7

4 2.2 空调制冷 ( 热 ) 系统工艺设计本工程总的空调冷负荷为 715kW, 空调热负荷为 575kW 采用 2 台满液式水源螺杆热泵机组, 单台额定制量为 404kW, 单台额定制量为 325kW; 水源侧与负荷侧循环水泵分别采用 3 台, 均为 2 用 1 备, 定频运行 ; 热泵机组与负荷侧及水源侧的循环水泵连锁启停, 热泵机组之间设置联动 ; 水源侧与负荷侧的补水均采用全自动软水器进行软化处理 ; 负荷侧采用稳压膨胀器进行补水定压, 水源侧采用高位水箱补水定压 ; 地下换热器设计竖直单 U 形埋管 140 个, 每个 U 形埋管 120m 深,U 形埋管采用 PE100 dn32x3, 承压 1.6MPa,U 形埋管水平连管分 6 成个环路进入机房分集水器, 系统流程图如下 : 4 / 7

5 3 空调系统试运行出现的问题 2010 年 6 月 2 日, 空调系统开始试运行, 开启控制柜的启动按钮, 空调设备按如下顺序依次运行 : 负荷侧水泵运行水源侧水泵运行热泵机组运行系统设备全部运行后约 3 分钟, 热泵机组报警并自动关闭水源侧水泵关闭负荷侧水泵关闭, 如此反复多次, 空调系统依然不能运行不起来, 热泵机组控制面板显示的报警信息为压缩机吸排气压差低 4 故障原因分析及系统优化设计 4.1. 故障原因分析由满液式水源螺杆热泵机组原理得知, 其正常运行的前提之一是螺杆压缩机回油必须顺畅, 螺杆压缩机的润滑油循环是靠压缩机本身的吸排气的压力差来实现的, 如果压缩机吸排气压差未建立 (R22 的不低于 MPa,R134a 的不低于 0.25MPa), 就不能形成润滑油的循环, 而压缩机的轴承和转子的设计又不允许干运行, 此外, 当压缩机吸排气压差未建立时会导致压缩机无法正常加载, 热泵机组的吸排气压差低报警是为了保护压缩机从分析得知, 导致热泵机组压缩机吸排气压差低的原因可能有如下几种 : (1) 制冷剂不足或泄漏若是制冷剂不足, 只是部分泄漏, 则停机时平衡压力可能较高, 而开机后吸气压力较低, 排气压力也较低, 压缩机运行电流较小, 运行时间较短即报警 ; 若是制冷剂大部分泄漏, 则平衡压力很低, 开机即报警, 若是吸气测压力低于 0.2MPa, 则不能开机 (2) 冷媒水流量不足当冷媒水的流量不足时, 吸收的热量少, 制冷剂蒸发效果差, 而且是过冷过饱和蒸汽, 易产生湿压缩, 表现为机组进出水压力差变小, 温差变大, 吸气温度低, 吸气口有结霜现象 (3) 热泵机组冷凝器的进水温度太低常规水系统不设置辅助措施, 冷却水进水温度应不低于 18 ; 冷却水系统设置旁通回路, 冷却水进水温度应不低于 13 现场安装的水源侧与负荷侧循环水泵的流量均为 60~120m 3 /h, 扬程均为 33.5~30.5m 水柱, 符合现场安装的热泵机组的流量与扬程的要求 ; 通过测量热泵机组的制冷剂管线的压力, 5 / 7

6 制冷剂也满足要求 ; 通过制冷热空调机房内地源侧集水器 ( 水从地下环路进热泵机组 ) 的温度计显示的温度为 17, 而且原设计的热泵机组的冷凝器供回水管没有安装旁通回路从以上分析可以初步确认吸排气压差低报警的原因为冷凝器的进水温度太低为了进一步确认报警原因是否为冷凝器的进水温度太低, 可以在现场先进行试验, 避免盲目改造而造成的浪费方法如下 : 开启控制按钮, 系统运行, 手动调节热泵机组冷凝器进水管的阀门, 使热泵机组冷凝器的冷却水流量减少, 这样来提高压缩机的排气在冷凝器中的冷凝温度和冷凝压力, 在这个过程中, 冷凝水的会水温度也会慢慢提升, 直到升至 18, 就可以完全打开冷凝器进水管阀门, 如果没有再发现报警情况, 那就能确定报警原因是冷凝器的进水温度太低按照这一方法进行试验, 热泵机组没有报警, 但是手动调节阀门花费了 12 分钟, 这样就进一步确认了热泵机组报警原因为冷凝器的进水温度太低 4.2 系统优化设计及改造为了使空调系统能够方便地正常运行, 需要对原系统进行优化设计, 根据以上分析可知, 只要在热泵机组刚开始运行时, 能自动调节进入热泵机组冷凝器的冷却水的流量就可以解决这一问题, 调节阀采用电动三通调节阀, 调节信号采用冷却水的出水温度, 原理图如下 : 按照以上原理图进行改造后, 再进行试运行, 开启控制柜的启动按钮, 空调设备按如下 6 / 7

7 顺序依次运行 : 负荷侧水泵运行水源侧水泵运行热泵机组运行, 电动三通调节阀自动调节进入热泵机组冷凝器冷却水的流量, 进入冷凝器的开度由全闭到全开逐渐开启, 旁通至出水管部分的开度由全开到全闭逐渐关闭, 运行约 15 分钟, 没有出现报警情况, 负荷侧与水源侧的进出水温度均满足了设计要求, 空调系统实现了一键启动并稳定运行 5 结语 5.1 水源螺杆热泵机组容易发生低水温工况运行情况, 应予以重视水源螺杆热泵机组低水温工况运行一般会在如下情况下出现 : 水源热泵 ( 深井水 ) 在制冷运行时 ; 地埋管地源热泵在过渡季运行或周六周日停运了两天, 周一刚开始启动运行时 5.2 暖通工程师应熟悉水源螺杆热泵机组的运行特点, 确保设计的空调系统能满足热泵机组稳定运行的工况环境如果压缩机是热泵机组的心脏, 润滑油循环就是热泵机组的主动脉, 目前各个厂家的螺杆热泵机组的润滑油循环均采用吸排气压差来实现的, 暖通工程师在做相关的空调系统设计时, 一定要考虑周到, 空调系统是否会出现低水温 ( 进入冷凝器的水温 ) 工况的情况, 如果可能出现, 应在系统设计上采用相应的技术措施来满足热泵机组稳定运行的工况环境, 以避免热泵机组的低压差报警的情况, 使空调系统能稳定运行参考文献 1 汪训昌. 关于发展地源热泵系统的若干思考 [J]. 暖通空调,2007,37(3): 刑子文. 螺杆压缩机 - 理论设计及应用 M 北京 : 机械工业出版社, 张光玉. 满液式螺杆冷水机组动态特性实验研究. 暖通空调 (8) / 7

参数表热气旁通调节器, CPCE 型液气混合器, LG 型 ( 附件 ) CPCE 型能量调节器用来调节压缩机的制冷量与蒸发器的实际负荷相匹配能量调节器安装在制冷系统高压侧和低压侧之间的旁通管路中, 专门设计用于实现蒸发器和热力膨胀阀之间的热蒸汽喷射喷射一般通过 LG 型液气混合器进行特点 C

参数表热气旁通调节器, CPCE 型液气混合器, LG 型 ( 附件 ) CPCE 型能量调节器用来调节压缩机的制冷量与蒸发器的实际负荷相匹配能量调节器安装在制冷系统高压侧和低压侧之间的旁通管路中, 专门设计用于实现蒸发器和热力膨胀阀之间的热蒸汽喷射喷射一般通过 LG 型液气混合器进行特点 CPCE 热气旁通调节阀更高的控制精准度能量调节器直接与系统吸气管路连接, 调节热气喷射量不受蒸发器压降影响