地源热泵系统中电机节能问题探讨

    通常电机的工作时间越长，安装ASD的节能效果就越好。除了时间外，节能效果还与电机的负载有关。例如，某水泵其截流输出40%负载时工作100个小时，与在70%的负载下工作130个小时时使用相同的能量^[50]，通常情况下，截流输出变化越大，应用ASD得到的截流效果越明显。

    4 电机节能的相关计算方法

    4.1  简便计算方法

    通常情况下，应用于地源热泵系统中的电机节能问题要用到下面的简单方法来计算电机节省的功率△P_r，在用这个公式时假定电机工作在满负载状态，忽略由于负载变化造成的转速变化

         (4.3)
 

    其中，ηop,E---电机在驱动平均负载时的效率，可从电机效率曲线上查找，如果查不到这个曲线可用一个近似曲线代替；

       Lf---平均负载与额定机械功率之间的比值；

       Lp---峰值负载因数，即电机工作过程中出现峰值负载的时间，通常情况

    下电机负载因数为1，这是因为电机负载是峰值负载的一部分。

 
    因为电机更换前后的机械负载是不变的，功率较小的有更高效率的电机可以工作在更高的负载因数上，节能效果更好。新电机的负载因数Lf,R可用下式来计算[26]：

                    (4.4)

    替换后的高效率电机因为内部损耗更低，通常以更高的转速工作。这将产生一个负面影响，会降低电机的效率，表示这个状态的参数称为转差惩罚（slip penalty）[48]。如果分别以ωM,EωM,R分别表示原有电机和替换后电机的角速度，则转差补偿因子（SLIPp）定义如下：

                     (4.5)

    同理，替换后电机的峰值功率如下式所示：

              (4.6)

    节省的功率△PR为：

                      (4.7)

    4.3  现场测量法计算节电量

    这种方法应用于地源热泵领域，与其他领域相同，就是直接测量电机的电流、电压、功率系数，根据测量的结果计算电机功率。对于三相电机的计算公式[42]如下：
 

                 (4.8)

    负载因数可通过当前负载电流与电机铭牌上给出的满负载电流的比值计算出来，即：

                                  (4.9)

    5 地源热泵系统中与电机节能有关的问题
 

    电能消耗在空调系统中占据了相当大的比例，然而电能大部分是被各类水泵、风机、制冷主机、空调机组等所消耗掉的。而上述设备的核心就是各类电机，因此如果我们要深入讨论地源热泵系统中的电机节能问题，首先就要从以上设备着手分析。同时一般的集中空调系统的负荷是不断变化的量，受外界的干扰较大。这种变化决定了系统对集中空调冷/热量的需求也是一个变化的量，而且其变化差异相对较大。然而某些集中空调为定流量系统，无论末端负荷如何变化，空调系统流量均在设计的额定状态下运行，并不能根据实际所需负荷控制制冷机、冷却塔等的启停，必然造成一定的能源浪费。

     5.1 制冷主机与冷却塔的节能运行

    一般的集中空调系统，主机能耗占总能耗的60%以上[36]，主机的节能运行是整个系统节能运行的关键。在地源热泵系统中，主机基本上都是按照最大负荷选择的，对于每一个具体工况而言，均存在一条最佳的特性曲线，主机工作在这条曲线上时，效率最高。在对建筑物中的空调系统的运行进行深入了解、分析后，改变原来每天不间断运行的方式，采取不定时的开机模式。根据室外温度和房间内的实际需要决定是否启动制冷机组，根据末端用户各个区域每天的实际需冷量来控制空调主机的运行，并且针对制冷主机的运行情况启停冷却塔的风机台数。

    5.2 水泵的节能运行
 

    一般建筑物中的地源热泵系统的冷水泵和热水泵两用一备比较常见，通常情况下两台水泵运行，由于存在设计余量，可根据实际情况控制运行的台数和启停时间。同时根据天气预报及实测的夜间室外环境温度结果，在温度0℃以上时并且在保证白天供暖后，晚上休息时停运热水泵。为控制室内不过热，保持温度在18~22℃之间[39]，在保证新风量的需求后尽量减少机组的运行，达到进一步节能的目的。

    5.3 空调机组与空调末端的节能运行

    空调运行维护人员定时查看室内、外空气的温、湿度变化状况，调整新风机组的运行，如果室外环境温度低于室内温度5℃以上，则暂时不启动制冷机组制冷，只启动新风机组送新风，既可以有效降低室内温度又可保证室内人均新风量，同时可以大大降低能耗。但是当相对湿度超过80%时，温度即使保持在24~26℃人也会感觉不舒适，这时就要启动机组除湿。另一方面，要实行局部温度控制，每2h巡回检查、记录设备的运行状态一次[17]，并做出相应的调整，保证室内达到24~26℃的适宜温度。另外尽量做好房间的密闭措施，减少冷量损失。通过缩短集中空调运行时间，既节约用电，又使室内人员在舒适的环境(室内温度保持在24~26℃，相对湿度保持在40%~60%)中工作、学习，保证了服务质量[30]。

    5.4  新风机组的运行节能

    在整个空调系统中，新风的需求量和新风能耗有直接关系，进一步，新风能耗大部分是被新风机所使用的，所以尽量准确、合理的确定新风的需求量就能够减少地源热泵系统的电机能耗。以ASHRAE标准62-1981规定的最小新风量8.5m3(/h•人)(不吸烟)为基础，当新风量为27m3(/h•人)时，新风能耗为新风量在18m3(/h•人)时的2.6倍，初投资是3.73倍；当新风量为36m3(/h•人)时，新风能耗为18m3(/h•人)时的2.25倍，是初投资的3倍[32]。另一方面，新风负荷和人员负荷的变化是影响空调系统负荷波动的主要因素。新风负荷一般占空调系统总负荷的24%~40%[35]，合理的新风量对于大系统的节能运行意义重大。建筑内需要的新风量可根据门窗的开关状态、室内人员的密度和流动性进行计算，通过变频器改变新风机转速，就可实现新风量根据建筑物内的需求调整，降低新风负荷，并实现新风机自身的节能运行。因此，能减少空调系统新风量的引入将直接减少新风系统的设备配置容量、减少初投资、减少运行费用。

    5.5  集中空调系统的排风热回收节能

    空调区域(或房间室内)排风中所含的能量十分可观，加以回收利用可以取得很好的节能效益和环境效益。长期以来，业内人士往往单纯地从经济效益方面来权衡热回收装置利弊，若热回收装置投资的回收期稍长一些，就认为不值得采用[25]。然而，如果舍弃对排风系统中余热的回收，那么也就从一定程度上加大了空调机组的工作强度，从而使空调机组长时间的工作，耗费了大量的能源。时至今日，人们考虑问题的出发点已提高到了保护全球环境这个高度，而节能就意味着保护环境，这是人类面临的头等大事。一般来说，当新风与排风采用专门独立的管道输送时，非常有利于设置集中热回收装置[38]。让新风与排风在装置中进行湿热或全热交换，有显著节能效果，应予以提倡。

    5.6  室内空气参数调节节能

    在一般地源热泵设计中，如果盲目追求舒适性，降低空调设计温度，则增加了能耗，使整个空调机组长时间处于工作状态之中。因此，必须合理确定空调设计温度，在满足舒适性要求的前提下尽可能减小能耗。升高温度和相对湿度都会使能耗降低[24]。一般的建筑物内空调设定温度为25℃，相对湿度50%，而在我们日常的房间中发现室内平均温度为23℃，大部分房间温度过低，因此采用该措施节能潜力很大。现阶段空调系统的工况都在舒适性范围内，当空调设定温度提高到26℃，相对湿度提高到60%时，能耗可节省6%[30]。关于室内空气参数调节节能最早是北京地球村环境教育中心2004年积极倡导的，国务院办公厅2007年6月1日发布了《关于严格执行公共建筑空调温度控制标准的通知》，规定所有公共建筑内的单位，包括国家机关、社会团体、企事业组织和个体工商户，除医院等特殊单位以及在生产工艺上对温度有特定要求并经批准的用户之外，夏季室内空调温度设置不得低于26摄氏度，冬季室内空调温度设置不得高于20摄氏度。一般情况下，空调运行期间禁止开窗。国家发展和改革委员会副主任解振华就此通知答记者问时说：我国不少城市夏季用电高峰负荷的1/3 以上是空调用电负荷，有的城市达到40%。冬季负荷高峰中，空调也扮演了重要角色。根据国际经验，随着社会经济生活水平提高，这一矛盾会日益突出。合理控制空调温度，是一项落实节约能源、保护环境、利国利民的重要措施和具体行动。加强空调使用环节的节能环保工作，也日渐成为世界各国的普遍共识和通行做法。

    5.7  其它与电机有关的节能措施

    首先，空调设备和管道的保温，对于节省能量消耗、降低运行费用也是相当重要的。如果保温效果不好或在维修后保温层修复不好，不但过多消耗冷量，也会由于所供冷水温度的过大温升以致空调系统在对空气的处理过程中因无法保证其机器露点而使空调房间相对湿度超标[35]，从而一定程度上使空调机组的电机无效率的空转，增大了整个系统的能耗。其次，合理确定开停机及新风供应时间对于地源热泵系统的节能问题也有着格外重要的作用。对于空调，应根据围护结构热工性能、气候变化、房间使用功能进行预测，确定最适合的启动和停机时间，在保证舒适的条件下尽可能节约空调能耗。如果设备容量已经确定，则应按其额定出力考虑预冷或预热时间，可以提高冷、热源的运行效率，又可以缩短预冷或预热的时间[21]，从而可以缩短电机的运行时间，达到节能的目的。再次，过渡季节取用室外空气作为自然冷源在一定程度上对空调节能也有着深远的影响。在空调运行时间内保证卫生条件的基础上，只有在夏季室外空气热焓大于室内空气热焓时，或冬季室外空气热焓小于室内空气热焓时，适当减少新风量才会有节能意义[33]。当供冷期间出现室外热焓小于室内空气热焓时(过渡季节)，应该采用全新风运行，这不仅可缩短制冷机和电机的运行时间，减少新风耗能量，同时可以改善室内空气品质。最后，加强空调系统自动控制部分的研究。自动控制系统可以对空调系统进行集中管理和最佳控制，包括冷热源的能量控制，空调系统的焓值控制、新风量控制、设备的启、停时间和运行方式控制、温湿度设定控制、送风温度控制等。可通过预测室内、室外空气状态参数：温度、湿度、热焓、CO2浓度等[26]，以维持室内舒适环境为约束条件，把最小能耗作为评价函数，来判断和确定所需提供的冷热量和空调机、风机、水泵的运行台数、运行时间以及空调系统各环节的运行方式，以达到最佳节能效果。

 
    6 结论

    电机节能除了电机自身的问题以外，还牵涉到地源热泵系统的各个组成部分，是地源热泵节能涉及最广泛的部件，具有很大的节能潜力。地源热泵节能的关键之一是提高电机能效，无论是制订中央空调节能标准，还是从事具体工程设计，应把提高电机的能量效率作为节能的着眼点。泵与风机的能耗占了地源热泵电耗的绝大部分，应该大力加强泵与风机中电机的节能。能源是有限的，除了抓好电机节能以外，还应把节能渗透到人们日常生活的点点滴滴，成为人们的一种新型生活方式。地源热泵供应商和消费者都要坚持科学发展观，牢固树立节能减排的理念，通过电机的节能和各种节能手段的采用，普及节能的生活方式，实现中国特色的建筑节能，让人们都能享受健康、舒适、节能、高效的建筑环境。