空调水系统中变速泵的节能(néng)分(fēn)析

1 水泵的流量调节方式

   水泵的流量调节方式有(yǒu)节流调节，动叶调节，電(diàn)动机经传动装置调节和交流電(diàn)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(yòng)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，其特性曲線(xiàn)不变。当关小(xiǎo)或开大阀门时，管路的阻力就增大或减小(xiǎo)，管路的特性曲線(xiàn)改变了。这种调节方式就是改变管路的特性曲線(xiàn)来达到流量调节的目的。由于水泵是定速的，阀门关小(xiǎo)时，其多(duō)余能(néng)量大部分(fēn)消耗在阀门上，因此节能(néng)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(néng)曲線(xiàn)及工作点的位置，从而实现流量的调节。

   電(diàn)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，電(diàn)磁转差离合器调节和多(duō)级液力变速传动装置调节。

   交流電(diàn)动机的变速调节包括電(diàn)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(yǒu)很(hěn)大的节能(néng)效益。

2 变速泵的节能(néng)原理(lǐ)

   電(diàn)动机的转速与输入電(diàn)压的频率有(yǒu)关，其计算公式如下：

        n = 60 f (1-s)/p

式中：n 為(wèi)電(diàn)动机的转速；f 為(wèi)输入電(diàn)压的频率；s 為(wèi)電(diàn)动机的转差率；p 為(wèi)電(diàn)动机的极数。

   对于特定的電(diàn)动机，其极数和转差率是常数，要改变泵的转速，只需改变電(diàn)动机的输入频率即可(kě)。

   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為(wèi)调速前后水泵的转速；Q₁、Q₂為(wèi)调速前后水泵的流量；H₁、H₂為(wèi)调速前水泵的扬程；N₁、N₂為(wèi)调速前后水泵的功率。

   从上式可(kě)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(yòng)节流调节，调节前后的工作点不相似，无法采用(yòng)以上公式。而采用(yòng)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(néng)的巨大潜力所在。

3 闭式系统节能(néng)分(fēn)析

   在闭式系统中，泵作功所输出的能(néng)量完全消耗在克服水在管路中流动的摩擦阻力。此时，管路特性曲線(xiàn)為(wèi) H=SQ₂，S 為(wèi)管路阻力系数。对于特定的管路，泵的等效率曲線(xiàn)為(wèi)H=CQ₂，C為(wèi)等效率曲線(xiàn)系数。因此在闭式系统中，S=C，泵的等效率曲線(xiàn)和管路特性曲線(xiàn)重合。该曲線(xiàn)上的任意两点的工况相似，可(kě)以使用(yòng)相似定律。如图 1，原工作点為(wèi) A，采用(yòng)节流调节时，工作点為(wèi) C，采用(yòng)变速调节时，工作点為(wèi) B，很(hěn)明显，前者多(duō)消耗 BC 段压头，变速调节具有(yǒu)明显的节能(néng)效果，N_A/N_B= (n₁/n₂)³，具體(tǐ)节能(néng)多(duō)少，且待后面分(fēn)析。

4 开式系统节能(néng)分(fēn)析

   在开式系统中，存在静压差 H_o。水泵作功所输出的能(néng)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。管路特性曲線(xiàn)為(wèi)H=H_o+SQ₂，而泵的等效率曲線(xiàn)為(wèi) H=CQ₂，故管路特性曲線(xiàn)与等效率曲線(xiàn)不重合。如图 2，原工作点為(wèi)A，采用(yòng)节流调节时，工作点為(wèi) C，采用(yòng)变速调节时，工作点為(wèi) B，前者多(duō)消耗 BC 段压头，但与闭式系统相比，该压头要相对小(xiǎo)一些。由于A点和B点不在同一等效率曲線(xiàn)上，不能(néng)直接使用(yòng)相似定律计算B点的功率，具體(tǐ)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(kě)以测得其H―Q曲線(xiàn)和N―Q曲線(xiàn)，设曲線(xiàn)方程為(wèi)：

         H=a₁Q₂+b₁Q+c₁     （1）

         N=a₂Q₂+b₂Q+c₂      （2）

   a₁，b₁，c₁，a₂，b₂，c₂可(kě)以从实测数据通过抛物(wù)線(xiàn)拟合得到。对于任意给定的转速n 和流量Q，

可(kě)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(kě)以根据（3）式及其变形公式可(kě)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(kě)以求得第三个参数。设 n–Qn（Q,n）為(wèi)已知 Q，n 求 N 的函数，n–Q H （Q , H ）為(wèi)已知 Q ，H 求 n 的函数。

6 能(néng)耗比较

   对于闭式系统，如图1，采用(yòng)节流调节时的工作点是C点，采用(yòng)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(kě)以根据相似定律求得 n₂=(Q_B/Q_A)× n₁，所以 B 点功率為(wèi) N–Qn(Q_B,n₂)，C 点的功率為(wèi)，N–Qn(Q_C,n₁)，其中Q_B=Q_C。

    对于开式系统，如图2 ，管路特性曲線(xiàn)為(wèi)H=H_o+SQ₂，对于给定的系统，H_o已知，可(kě)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(kě)根据管路特性曲線(xiàn)求得H_B，所以B 点的转速n₂=n–QH(Q_B,H_B)。因此，B 点功率為(wèi) N–Qn(Q_B,n₂)，C 点的功率為(wèi) N–Qn(Q_C,n₁)，其中 Q_B= Q_C。

7 结论

   水泵的能(néng)耗在暖通空调消耗的能(néng)源中占很(hěn)大部分(fēn)，其中空调运行能(néng)耗的 20%~30% 用(yòng)于水泵的能(néng)耗，而对流量采用(yòng)节流调节时，40%以上的能(néng)耗被阀门所消耗。采用(yòng)变速泵调节时可(kě)以将大部分(fēn)的能(néng)耗节省下来，因此，本文(wén)的讨论具有(yǒu)重要的节能(néng)意义。由于多(duō)数建筑物(wù)空调系统大部分(fēn)时间都是在低负荷下运行的，变速调节的节能(néng)意义更加重大。据调查，多(duō)数空调系统采用(yòng)变速泵调节后，可(kě)以节省水泵能(néng)耗的 30%~40%。