空調(diào)水系統(tǒng)中變速泵的節(jié)能分析

1 水泵的流量調(diào)節(jié)方式

   水泵的流量調(diào)節(jié)方式有節(jié)流調(diào)節(jié)，動葉調(diào)節(jié)，電動機經(jīng)傳動裝置調(diào)節(jié)和交流電動機的變速調(diào)節(jié)。

   節(jié)流調(diào)節(jié)是最原始的調(diào)節(jié)方式，該調(diào)節(jié)方式利用水泵出口管道上閥門的啟閉程度來調(diào)節(jié)水泵的流量。由于水泵是定速運行的，其特性曲線不變。當關(guān)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(diào)節(jié)方式就是改變管路的特性曲線來達到流量調(diào)節(jié)的目的。由于水泵是定速的，閥門關(guān)小時，其多余能量大部分消耗在閥門上，因此節(jié)能效果差。

   水泵的動葉調(diào)節(jié)是改變水泵旋轉(zhuǎn)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(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。

   電動機經(jīng)傳動裝置調(diào)節(jié)包括液力耦合器調(diào)節(jié)，油膜轉(zhuǎn)差離合器調(diào)節(jié)，電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)節(jié)和多級液力變速傳動裝置調(diào)節(jié)。

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

2 變速泵的節(jié)能原理

   電動機的轉(zhuǎn)速與輸入電壓的頻率有關(guān)，其計算公式如下：

        n = 60 f (1-s)/p

式中：n 為電動機的轉(zhuǎn)速；f 為輸入電壓的頻率；s 為電動機的轉(zhuǎn)差率；p 為電動機的極數(shù)。

   對于特定的電動機，其極數(shù)和轉(zhuǎn)差率是常數(shù)，要改變泵的轉(zhuǎn)速，只需改變電動機的輸入頻率即可。

   根據(jù)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(diào)速前后水泵的轉(zhuǎn)速；Q₁、Q₂為調(diào)速前后水泵的流量；H₁、H₂為調(diào)速前水泵的揚程；N₁、N₂為調(diào)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(zhuǎn)速的三次方成正比。當采用節(jié)流調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)前后的工作點不相似，無法采用以上公式。而采用變速調(diào)節(jié)時，對于閉式系統(tǒng)，調(diào)節(jié)前后的工況是相似的，其功率之比與轉(zhuǎn)速之比的三次方成正比。這就是變速調(diào)節(jié)節(jié)能的巨大潛力所在。

3 閉式系統(tǒng)節(jié)能分析

   在閉式系統(tǒng)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(shù)。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(shù)。因此在閉式系統(tǒng)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(jié)流調(diào)節(jié)時，工作點為 C，采用變速調(diào)節(jié)時，工作點為 B，很明顯，前者多消耗 BC 段壓頭，變速調(diào)節(jié)具有明顯的節(jié)能效果，N_A/N_B= (n₁/n₂)³，具體節(jié)能多少，且待后面分析。

4 開式系統(tǒng)節(jié)能分析

   在開式系統(tǒng)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(jié)流調(diào)節(jié)時，工作點為 C，采用變速調(diào)節(jié)時，工作點為 B，前者多消耗 BC 段壓頭，但與閉式系統(tǒng)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(shù)求解

   對于給定的一臺水泵，在轉(zhuǎn)速 n₁下，可以測得其H―Q曲線和N―Q曲線，設(shè)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(shù)據(jù)通過拋物線擬合得到。對于任意給定的轉(zhuǎn)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(shù)，可以根據(jù)（3）式及其變形公式可以求得第三個參數(shù)。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(shù)，根據(jù)（4）式及其變形公式可以求得第三個參數(shù)。設(shè) n–Qn（Q,n）為已知 Q，n 求 N 的函數(shù)，n–Q H （Q , H ）為已知 Q ，H 求 n 的函數(shù)。

6 能耗比較

   對于閉式系統(tǒng)，如圖1，采用節(jié)流調(diào)節(jié)時的工作點是C點，采用變速調(diào)節(jié)時的工作點是B點，由于 A，B 兩點的流量已知，B 點的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)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(tǒng)，如圖2 ，管路特性曲線為H=H_o+SQ₂，對于給定的系統(tǒng)，H_o已知，可以根據(jù) A 點的參數(shù)求得 S，S=(H_A-H_o)/ Q_A²。流量調(diào)節(jié)到Q_B后，可根據(jù)管路特性曲線求得H_B，所以B 點的轉(zhuǎn)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(jié)論

   水泵的能耗在暖通空調(diào)消耗的能源中占很大部分，其中空調(diào)運行能耗的 20%~30% 用于水泵的能耗，而對流量采用節(jié)流調(diào)節(jié)時，40%以上的能耗被閥門所消耗。采用變速泵調(diào)節(jié)時可以將大部分的能耗節(jié)省下來，因此，本文的討論具有重要的節(jié)能意義。由于多數(shù)建筑物空調(diào)系統(tǒng)大部分時間都是在低負荷下運行的，變速調(diào)節(jié)的節(jié)能意義更加重大。據(jù)調(diào)查，多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)采用變速泵調(diào)節(jié)后，可以節(jié)省水泵能耗的 30%~40%。