空調水系統中變速泵的節能分析

1 水泵的流量調節方式

   水泵的流量調節方式有節流調節，動葉調節，電動機經傳動裝置調節和交流電動機的變速調節。

   節流調節是最原始的調節方式，該調節方式利用水泵出口管道上閥門的啟閉程度來調節水泵的流量。由于水泵是定速運行的，其特性曲線不變。當關小或開大閥門時，管路的阻力就增大或減小，管路的特性曲線改變了。這種調節方式就是改變管路的特性曲線來達到流量調節的目的。由于水泵是定速的，閥門關小時，其多余能量大部分消耗在閥門上，因此節能效果差。

   水泵的動葉調節是改變水泵旋轉葉輪工作葉片的安裝角來改變軸流式、混流式水泵的性能曲線及工作點的位置，從而實現流量的調節。

   電動機經傳動裝置調節包括液力耦合器調節，油膜轉差離合器調節，電磁轉差離合器調節和多級液力變速傳動裝置調節。

   交流電動機的變速調節包括電動機的變極調速和變頻調速等，通常情況指的是變頻調速調節。與以上幾種調節方式相比，該調節方式具有很大的節能效益。

2 變速泵的節能原理

   電動機的轉速與輸入電壓的頻率有關，其計算公式如下：

        n = 60 f (1-s)/p

式中：n 為電動機的轉速；f 為輸入電壓的頻率；s 為電動機的轉差率；p 為電動機的極數。

   對于特定的電動機，其極數和轉差率是常數，要改變泵的轉速，只需改變電動機的輸入頻率即可。

   根據泵的相似定律：

    Q₁/Q₂= n₁/n₂，H₁/H₂= (n₁/n₂)²，N₁/N₂= (n₁/n₂)³

其中：n₁、n₂為調速前后水泵的轉速；Q₁、Q₂為調速前后水泵的流量；H₁、H₂為調速前水泵的揚程；N₁、N₂為調速前后水泵的功率。

   從上式可以看出，在工況相似的條件下，水泵消耗的功率與轉速的三次方成正比。當采用節流調節，調節前后的工作點不相似，無法采用以上公式。而采用變速調節時，對于閉式系統，調節前后的工況是相似的，其功率之比與轉速之比的三次方成正比。這就是變速調節節能的巨大潛力所在。

3 閉式系統節能分析

   在閉式系統中，泵作功所輸出的能量完全消耗在克服水在管路中流動的摩擦阻力。此時，管路特性曲線為 H=SQ₂，S 為管路阻力系數。對于特定的管路，泵的等效率曲線為H=CQ₂，C為等效率曲線系數。因此在閉式系統中，S=C，泵的等效率曲線和管路特性曲線重合。該曲線上的任意兩點的工況相似，可以使用相似定律。如圖 1，原工作點為 A，采用節流調節時，工作點為 C，采用變速調節時，工作點為 B，很明顯，前者多消耗 BC 段壓頭，變速調節具有明顯的節能效果，N_A/N_B= (n₁/n₂)³，具體節能多少，且待后面分析。

4 開式系統節能分析

   在開式系統中，存在靜壓差 H_o。水泵作功所輸出的能量除了消耗在克服摩擦阻力外，還消耗在克服靜壓差H_o上。管路特性曲線為H=H_o+SQ₂，而泵的等效率曲線為 H=CQ₂，故管路特性曲線與等效率曲線不重合。如圖 2，原工作點為A，采用節流調節時，工作點為 C，采用變速調節時，工作點為 B，前者多消耗 BC 段壓頭，但與閉式系統相比，該壓頭要相對小一些。由于A點和B點不在同一等效率曲線上，不能直接使用相似定律計算B點的功率，具體的定量計算將在后面介紹。

5 工作點參數求解

   對于給定的一臺水泵，在轉速 n₁下，可以測得其H―Q曲線和N―Q曲線，設曲線方程為：

         H=a₁Q₂+b₁Q+c₁     （1）

         N=a₂Q₂+b₂Q+c₂      （2）

   a₁，b₁，c₁，a₂，b₂，c₂可以從實測數據通過拋物線擬合得到。對于任意給定的轉速n 和流量Q，

可以推出：  H=a₁Q₂+b₁(n/n₁) Q+c₁(n/n₁)²        （3）

           N = a₂(n/n₁) Q₂+b₂(n/n₁)²Q+c₂(n/n₁)³    （4）

   其實，對于一臺確定的水泵（n₁，a₁，b₁，c₁，a₂，b₂，c₂已測知），在 H ― Q 平面上，任意一點對應于一個（H,Q,n）三元組，給定其中的任意兩個參數，可以根據（3）式及其變形公式可以求得第三個參數。在N―Q平面上，任意一點對應于一個（N,Q,n）三元組，給定其中的任意兩個參數，根據（4）式及其變形公式可以求得第三個參數。設 n–Qn（Q,n）為已知 Q，n 求 N 的函數，n–Q H （Q , H ）為已知 Q ，H 求 n 的函數。

6 能耗比較

   對于閉式系統，如圖1，采用節流調節時的工作點是C點，采用變速調節時的工作點是B點，由于 A，B 兩點的流量已知，B 點的轉速可以根據相似定律求得 n₂=(Q_B/Q_A)× n₁，所以 B 點功率為 N–Qn(Q_B,n₂)，C 點的功率為，N–Qn(Q_C,n₁)，其中Q_B=Q_C。

    對于開式系統，如圖2 ，管路特性曲線為H=H_o+SQ₂，對于給定的系統，H_o已知，可以根據 A 點的參數求得 S，S=(H_A-H_o)/ Q_A²。流量調節到Q_B后，可根據管路特性曲線求得H_B，所以B 點的轉速n₂=n–QH(Q_B,H_B)。因此，B 點功率為 N–Qn(Q_B,n₂)，C 點的功率為 N–Qn(Q_C,n₁)，其中 Q_B= Q_C。

7 結論

   水泵的能耗在暖通空調消耗的能源中占很大部分，其中空調運行能耗的 20%~30% 用于水泵的能耗，而對流量采用節流調節時，40%以上的能耗被閥門所消耗。采用變速泵調節時可以將大部分的能耗節省下來，因此，本文的討論具有重要的節能意義。由于多數建筑物空調系統大部分時間都是在低負荷下運行的，變速調節的節能意義更加重大。據調查，多數空調系統采用變速泵調節后，可以節省水泵能耗的 30%~40%。