空调水系统中变速泵的节能分析

1 水泵的流量调节方式

   水泵的流量调节方式有节流调节，动叶调节，电动机经传动装置调节和交流电动机的变速调节。

   节流调节是最原始的调节方式，该调节方式利用水泵出口管道上阀门的启闭程度来调节水泵的流量。由于水泵是定速运行的，其特性曲线不变。当关小或开大阀门时，管路的阻力就增大或减小，管路的特性曲线改变了。这种调节方式就是改变管路的特性曲线来达到流量调节的目的。由于水泵是定速的，阀门关小时，其多余能量大部分消耗在阀门上，因此节能效果差。

   水泵的动叶调节是改变水泵旋转叶轮工作叶片的安装角来改变轴流式、混流式水泵的性能曲线及工作点的位置，从而实现流量的调节。

   电动机经传动装置调节包括液力耦合器调节，油膜转差离合器调节，电磁转差离合器调节和多级液力变速传动装置调节。

   交流电动机的变速调节包括电动机的变极调速和变频调速等，通常情况指的是变频调速调节。与以上几种调节方式相比，该调节方式具有很大的节能效益。

2 变速泵的节能原理

   电动机的转速与输入电压的频率有关，其计算公式如下：

        n = 60 f (1-s)/p

式中：n 为电动机的转速；f 为输入电压的频率；s 为电动机的转差率；p 为电动机的极数。

   对于特定的电动机，其极数和转差率是常数，要改变泵的转速，只需改变电动机的输入频率即可。

   根据泵的相似定律：

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

其中：n₁、n₂为调速前后水泵的转速；Q₁、Q₂为调速前后水泵的流量；H₁、H₂为调速前水泵的扬程；N₁、N₂为调速前后水泵的功率。

   从上式可以看出，在工况相似的条件下，水泵消耗的功率与转速的三次方成正比。当采用节流调节，调节前后的工作点不相似，无法采用以上公式。而采用变速调节时，对于闭式系统，调节前后的工况是相似的，其功率之比与转速之比的三次方成正比。这就是变速调节节能的巨大潜力所在。

3 闭式系统节能分析

   在闭式系统中，泵作功所输出的能量完全消耗在克服水在管路中流动的摩擦阻力。此时，管路特性曲线为 H=SQ₂，S 为管路阻力系数。对于特定的管路，泵的等效率曲线为H=CQ₂，C为等效率曲线系数。因此在闭式系统中，S=C，泵的等效率曲线和管路特性曲线重合。该曲线上的任意两点的工况相似，可以使用相似定律。如图 1，原工作点为 A，采用节流调节时，工作点为 C，采用变速调节时，工作点为 B，很明显，前者多消耗 BC 段压头，变速调节具有明显的节能效果，N_A/N_B= (n₁/n₂)³，具体节能多少，且待后面分析。

4 开式系统节能分析

   在开式系统中，存在静压差 H_o。水泵作功所输出的能量除了消耗在克服摩擦阻力外，还消耗在克服静压差H_o上。管路特性曲线为H=H_o+SQ₂，而泵的等效率曲线为 H=CQ₂，故管路特性曲线与等效率曲线不重合。如图 2，原工作点为A，采用节流调节时，工作点为 C，采用变速调节时，工作点为 B，前者多消耗 BC 段压头，但与闭式系统相比，该压头要相对小一些。由于A点和B点不在同一等效率曲线上，不能直接使用相似定律计算B点的功率，具体的定量计算将在后面介绍。

5 工作点参数求解

   对于给定的一台水泵，在转速 n₁下，可以测得其H―Q曲线和N―Q曲线，设曲线方程为：

         H=a₁Q₂+b₁Q+c₁     （1）

         N=a₂Q₂+b₂Q+c₂      （2）

   a₁，b₁，c₁，a₂，b₂，c₂可以从实测数据通过抛物线拟合得到。对于任意给定的转速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）

   其实，对于一台确定的水泵（n₁，a₁，b₁，c₁，a₂，b₂，c₂已测知），在 H ― Q 平面上，任意一点对应于一个（H,Q,n）三元组，给定其中的任意两个参数，可以根据（3）式及其变形公式可以求得第三个参数。在N―Q平面上，任意一点对应于一个（N,Q,n）三元组，给定其中的任意两个参数，根据（4）式及其变形公式可以求得第三个参数。设 n–Qn（Q,n）为已知 Q，n 求 N 的函数，n–Q H （Q , H ）为已知 Q ，H 求 n 的函数。

6 能耗比较

   对于闭式系统，如图1，采用节流调节时的工作点是C点，采用变速调节时的工作点是B点，由于 A，B 两点的流量已知，B 点的转速可以根据相似定律求得 n₂=(Q_B/Q_A)× n₁，所以 B 点功率为 N–Qn(Q_B,n₂)，C 点的功率为，N–Qn(Q_C,n₁)，其中Q_B=Q_C。

    对于开式系统，如图2 ，管路特性曲线为H=H_o+SQ₂，对于给定的系统，H_o已知，可以根据 A 点的参数求得 S，S=(H_A-H_o)/ Q_A²。流量调节到Q_B后，可根据管路特性曲线求得H_B，所以B 点的转速n₂=n–QH(Q_B,H_B)。因此，B 点功率为 N–Qn(Q_B,n₂)，C 点的功率为 N–Qn(Q_C,n₁)，其中 Q_B= Q_C。

7 结论

   水泵的能耗在暖通空调消耗的能源中占很大部分，其中空调运行能耗的 20%~30% 用于水泵的能耗，而对流量采用节流调节时，40%以上的能耗被阀门所消耗。采用变速泵调节时可以将大部分的能耗节省下来，因此，本文的讨论具有重要的节能意义。由于多数建筑物空调系统大部分时间都是在低负荷下运行的，变速调节的节能意义更加重大。据调查，多数空调系统采用变速泵调节后，可以节省水泵能耗的 30%~40%。