摘要 本文敘述了供熱空調(diào)系統(tǒng)運行中存在水泵耗能量較大，運行效率較低等問題，分析了能耗大的原因，提出了應(yīng)從設(shè)計、設(shè)備、調(diào)速方法和管理等諸多方面采取相應(yīng)措施。降低能耗提高效率。
　　
關(guān)鍵詞 水泵 設(shè)計電功率 運行耗電量 大流量 變頻調(diào)速 強化管理 節(jié)能運行

1 序言
　　
　　根據(jù)全國第三次工業(yè)普查公布的統(tǒng)計數(shù)字，我國風(fēng)機消耗壓縮機類通用機械總裝機容量為1.6億kW，其中風(fēng)機約為4900萬kW，水泵約為1000萬kW，年耗電3200億kWh，占全國耗電總量約1/3，占工業(yè)用電量的40%，在國民經(jīng)濟中舉足輕重，節(jié)能潛力很大。
　　北京合理用能評估中心在《北京地區(qū)公用建筑空調(diào)調(diào)查報告》中指出，1999年，北京市空調(diào)制冷的裝機容量約為200×10⁴Rt夏季空調(diào)及制冷用電量約占全市總用電量的15%～20%。其中冷凍水泵用電量約占電制冷機用電量的8%～12%，冷卻水泵用電量約為12%～15%。預(yù)計北京市公用建筑每年增加空調(diào)制冷能力約50×10⁴Rt，增加制冷空調(diào)電功率約40×10⁴kW，其中泵電功率約5×10⁴～6×10⁴kW。上述數(shù)據(jù)表明水泵裝機容量及年耗電量很大，與一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)比較，差距較大，因此，節(jié)能潛力很大。
　　根據(jù)"三北"地區(qū)29個大、中城市鍋爐供暖期實際能耗調(diào)查：單方實耗標(biāo)準(zhǔn)煤礦，最高64.9kg/m²，最低19 kg/m²;單方實耗電，最高5.6 kWh /m²，最低2.4 kWh /m²；單方實耗水最高0.34t/ m²,最低0.07 t/ m²。表1是北京市供熱電耗指標(biāo)。說明供熱系統(tǒng)電耗較大，節(jié)電潛力很大。
　　
　　　　　　　　　電耗指標(biāo)[kWh/( m²·a)]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表1

類別 最低 較低 較高 最高 分散鍋爐房 2.1 3～3.5 3.6～4 6 集中鍋爐房 3.7 4～4.5 4.6～5 7

　　《民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，供熱系統(tǒng)中循環(huán)水泵的電功耗一般應(yīng)控制在單位建筑面積0.35～0.45W/m²的范圍內(nèi)，實際上約為0.5～0.6 W/m²,甚至高達0.6～0.9 W/m²。
　　以上數(shù)據(jù)表明，供熱空調(diào)泵系統(tǒng)存在設(shè)計電功率容量偏大，運行耗電量較高的問題，而泵的電耗在空調(diào)供熱系統(tǒng)能耗中占的比重也較大，設(shè)計泵電功率容量大要求增大發(fā)電容量，增大峰谷差；運行耗電量大意味著發(fā)電煤耗的增大和污染物排放量的增大；容量增大使初投資加大，運行電耗增大使耗電費增多，兩者都提高了空調(diào)供熱運行成本，加大了熱（冷）費用和用戶的負擔(dān)。為此，必須了解空調(diào)供熱泵容量和能耗增大的原因，探討泵節(jié)能的方法，并從設(shè)計、運行和設(shè)備上提出改進的措施。
　　
2 空調(diào)供熱泵電耗在的原因分析
　　
　　2．1 設(shè)計泵功率大的原因
　　從泵軸功率 可知，影響泵功率的主要因素是流量V(m³/min)，揚程H（m）和泵效率η(%)。
　　（1）設(shè)計熱（冷）負荷偏高，造成熱（冷）水流量偏大。從 可知，設(shè)計熱（冷）負荷Q和供回水溫差Δt是計算流量的主要依據(jù)。
　　"三北"地區(qū)各城市，在以往的供熱設(shè)計中，設(shè)計熱指標(biāo)值均較高。如沈陽市計熱指標(biāo)選用的平均值為88W/m² [76kcal/(m²·h)]，而實測值約為52～58 W/m² [45～50kcal/(m²·h)]；北京過去一般取70～81 W/m² [60～70kcal/(m²·h)]，而實測值約為46～58 W/m² [40～50kcal/(m²·h)]等。熱負荷基數(shù)偏大，熱水流量增大水泵選用偏大，增大了泵初投
資，降低了泵運行效率，加大了運行成本，浪費了電能。
　　北京市賓館類建筑設(shè)計單位面積冷負荷指標(biāo)為90～130 W/m² ，而實測值約為50～80 W/m²，制冷機配置容量過大，不僅增加了冷卻水泵和冷凍水泵的流量（見表2）和電氣導(dǎo)設(shè)備安裝容量和造價，而且也會造成泵電氣設(shè)備的閑置和系統(tǒng)的低效運
行。
　　
　　消耗設(shè)計流量與實際需要流量 表2

賓館 空調(diào)面積
（萬m²） 單位建筑面積設(shè)計冷凍水流量
[kg/(m²·h)] 單位建筑面積實際冷凍水流量
[kg/(m²·h)] 實際/設(shè)計
（%） 1 3.3 22 15 68 2 6.0 24 12 50 3 8.7 17 9 53 4 3.5 21 11 52

　　(2)揚程選擇過高，造成選用泵偏大
　　供熱系統(tǒng)設(shè)計時，二次網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)實際揚程一般約為150～300kPa，但水泵選型時，揚程值一般為400～600kPa，水泵電功率與揚程成正比關(guān)系，揚程偏高導(dǎo)致水泵電氣容量增大。
　　空調(diào)系統(tǒng)的冷卻泵和冷凍泵揚程選擇過大也是一個非常普遍的問題。如果辦公大樓，制冷量為355Rt，設(shè)計冷卻水量為300t/h，揚程55m，但實測冷卻水泵揚程約為20～25m，節(jié)流閥門消耗了34m，即冷卻水泵的70%的能量消耗在閥門上。
　　（3）一些國產(chǎn)水泵屬低效產(chǎn)品，新設(shè)計制造的泵或國外引進的泵，效率較高，一般效率提高10%～20%，電動機一般提高1%～5%。效率的提高往往是指其額定工作點的75%附近。但實際工況常常偏離高效率點，的以實際運行效率還是較低。

　　2．2 泵運行耗電量大的原因
　　從熱（冷）水泵運行期耗電量 可知，水泵軸功率和運行期延時小時數(shù)是影響泵運行耗電量大的主要原因，而泵的流量、揚程和運行效率又直接影響軸功率。
　　（1）大流量運行方式增大了泵的運行功率
　　為了解決熱網(wǎng)水平失調(diào)帶來的用戶冷熱不均的問題，許多供熱系統(tǒng)采用了"大流量、小溫差"的運行方式。如住宅間接供暖的二次循環(huán)水泵或直接供暖的一次水循環(huán)水泵流量，單位建筑供暖面積約為2～3kg/h，實際運行達到3～5kg/h，流量大，加大了泵的設(shè)計電功率容量；流量大，增加了泵的運行功率，降低了供、回水溫差，溫差從25℃降至5～10℃。住宅間接供暖的一次水循環(huán)水泵流量，單位建筑供暖面積約為1.3kg/h，實際為2～3kg/h。流量大使供、回水溫差從設(shè)計值45℃降至于15～20℃，增加了泵的運行功率。
　　由于熱（冷）水流量與水泵軸功率成三次方關(guān)系，流量的增加，將帶來耗電量的增大。例如，一般建筑面積3.0萬m²供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵的電功率約為15～30kW之間，若系統(tǒng)循環(huán)水量提高1.4倍，則消耗電功率提高2.74倍，達41～82kW。
　　（2）水泵運行在低效率區(qū)，增大了無效能耗
　　泵的工作點指的是運行時水泵的流量和揚程，它是由泵的性能曲線和水系統(tǒng)管網(wǎng)特性曲線兩方面因素確定的點。
　　目前，泵運行時的流量和揚程比要求的大得多，消耗的功率也比預(yù)想的大得多。如圖1所示，水泵工作點（Q₂、H₂）大于設(shè)計水量Q₁、設(shè)計揚程H₁，圖中（Q₁、H₁）點是"理想狀態(tài)"，水泵處于低效運行區(qū)，增大了無效運行范圍。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 現(xiàn)有設(shè)備的運行狀態(tài)
　　
　　（3）定流量運行方式增大了水泵運行電耗
　　一般供熱系統(tǒng)平均負荷率約為0.6～0.7。空調(diào)系統(tǒng)平均負荷率一般約為0.3～0.35，北京地區(qū)98%的時間負荷率均在70%以下。但水泵為恒速泵。為了適應(yīng)負荷的變化，流量的調(diào)節(jié)依靠閥門來實現(xiàn)，采用這種方法，如果要求把流量調(diào)至額定流量一半，Q₁=（1/2）Q_H，系統(tǒng)的能耗大致與額定狀況下的能耗（Q_H）相同。
　　圖2表示通過調(diào)節(jié)供水側(cè)閥門開度的方法調(diào)節(jié)水量。從圖中可知，通過水量的調(diào)節(jié)減少了泵所耗功率，但，由于增加了泵的運行壓力，又產(chǎn)生了新的無用運行范圍。
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 調(diào)節(jié)閥門改變流量
　　
　　（4）并聯(lián)運行方式增加了水泵運行電耗
　　"一機對一泵"的運行模式是供熱空調(diào)水系統(tǒng)中一次泵普遍選用的運行模式。如圖3所示，當(dāng)相同特性的2臺泵并聯(lián)運行時，流量與揚程及耗電功率都增加了，變化的多少與管網(wǎng)的特性曲線有關(guān)，管網(wǎng)阻力越大時，流量、揚程增加的較少。
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 相同特性泵的并聯(lián)運行
　　
　　（5）空調(diào)供熱水系統(tǒng)一般采用一級泵系統(tǒng)，節(jié)電效果不明顯。
　　空調(diào)供熱水系統(tǒng)的冷（熱）源要求定流量運行，末端設(shè)備要求變流量運行。一級泵系統(tǒng)的特點是利用一根旁通管來保持冷（熱）源側(cè)定流量，而讓用戶處于變流量運行，當(dāng)用戶負荷變化需水量減小時，部分冷凍水旁通，但這并不影響通過水泵的總水量，水泵揚程也保持不變，所以其水泵耗電功率不變。
　　二級泵系統(tǒng)由兩個環(huán)路組成，一次環(huán)路定流量運行，二次環(huán)路變流量運行，節(jié)電效益非常明顯。
　　國內(nèi)電動機拖動系統(tǒng)運行效率低，先進技術(shù)推廣應(yīng)用面窗，遠不如國外經(jīng)濟發(fā)達國家。特別是國內(nèi)的泵類系統(tǒng)中老產(chǎn)品、低效產(chǎn)品尚占50%以上，系統(tǒng)的平均運行效率約為40%～50%。
　　
3 空調(diào)供熱泵的節(jié)能
　　
　　使空調(diào)供熱泵能耗偏大的原因有設(shè)計造成的、運行形成的和泵本身等。因此，應(yīng)從設(shè)計、運行和提高泵的性能等方面進
行。

　　3．1 嚴格按照水輸送系數(shù)的要求確定水泵的型號
　　建設(shè)部1986年批準(zhǔn)頒布的《民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）》中規(guī)定的控制指標(biāo)為：設(shè)計選用的水泵水輸送系統(tǒng)WTF應(yīng)大于、等于設(shè)計計算條件下（供、回水設(shè)計溫度為95/70℃）的理論水輸送系數(shù)（WTF）th的0.6倍，即WTF≥0.6(WTF)th。
　　水輸送系數(shù)的定義是：循環(huán)水泵單位電耗（1kWh）所能輸送出的熱媒供熱量。
　　設(shè)計水輸送系數(shù) ：全日設(shè)計供熱量：Nq：全日水泵輸送熱媒的設(shè)計耗電量。
　　設(shè)計條件下的理論水輸送系數(shù)（WTF）th見表3。
　　
　　　　　　　　0.6(WTF)th　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表3

∑L(m) 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0.6(WTF)th 274 240 229 209 200 195 189 179 ∑L(m) 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 　 0.6(WTF)th 169 161 153 146 140 134 129 　

　　按上述標(biāo)準(zhǔn)，一個約9.0萬m²供熱系統(tǒng)的循環(huán)水泵的軸功率不得超過32kW。

　　3．2 采用先進的泵的性能調(diào)節(jié)方法
　　（1）傳統(tǒng)的泵性能調(diào)節(jié)方法
　　以往，采用改變?nèi)~輪外徑或采用減速機改變轉(zhuǎn)速等方法來改變泵的性能，表4為泵性能改變的情況。
　　
　　　　　　　　　　泵性能的改變 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表4

　　 葉輪外徑 轉(zhuǎn)速 水量 揚程 軸功率 性　　能 D N Q H P 葉輪外徑加工 D′ N Q×(D′/D)² H×(D′/D)² P×(D′/D)⁴ 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 D N′ Q×(N′/N)² H×(N′/N)² P×(N′/N)³

　　從表4可知，理論上泵的性能調(diào)節(jié)是非常簡單的，但，實際上尚存在許多問題，例如，在改變?nèi)~輪外徑時，可能出現(xiàn)的問題：
　　1）必須拆下葉輪，停泵時間較長；
　　2）葉輪可能出現(xiàn)重量不平衡，產(chǎn)生異常振動；
　　3）加工量大時，泵的效率下降，甚至產(chǎn)生噪聲；
　　（2）當(dāng)需要增加負荷時，則不能恢復(fù)到原來的性能。
　　設(shè)置減速機時，必須修改基礎(chǔ)。
　　（3）變頻器的應(yīng)用
　　多年來已經(jīng)研制出多種交流電動機調(diào)速裝置，如定子調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、電磁耦合器調(diào)速、串級調(diào)整、整流子電機調(diào)速和液力耦合器調(diào)速等。但上述調(diào)速方式仍存在調(diào)速范圍窄等缺點。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及控制理論的發(fā)展，作為交流調(diào)速中心的變頻調(diào)速技術(shù)得到了顯著的發(fā)展。這種調(diào)速方式具有節(jié)能，調(diào)速范圍大（從1：00～1：1000），易于實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)切換，起動電流小和結(jié)構(gòu)簡單、運行安全可靠的優(yōu)點。
　　我國變頻調(diào)速裝置的市場售價是800～1500元/kW，大致是被控制調(diào)速的電動機自身價格的8～12倍，投資回收期短，一般為1～2年。
　　變頻調(diào)速系統(tǒng)中交流電動機和變頻調(diào)速裝置的發(fā)展，隨著技術(shù)水平的提高，當(dāng)前國內(nèi)外都在開展諸如變頻調(diào)速專用異步電動機這類的高效運行電動機的研究，使電動機適應(yīng)驅(qū)動裝置的特點，因此電動機的功率密度可提高20%，功率因數(shù)可提高5個百分點，平均效率可提高3%。隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的功能、性能得到了很大的提高。根據(jù)其性能及控制方式可分為：通用型、多功能型、高性能型，其控制方式也依次為v/f控制、電壓型PWM控制、矢量控制等。
　　圖4表示的是泵的運行時間較長、出力較大的循環(huán)泵的性能，泵出口口徑100mm，4極單吸離心泵，軸功率15kW，運行時間24h×355日，配管阻力約為揚程的50%。采用變頻調(diào)速運行方式后，計算節(jié)電量約為47%。實際運行時的節(jié)電量也能達到35%。見表5。
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 節(jié)能效果
　　
　　　　　　　　　　　節(jié)電量計算值　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表5

流量（L/min）
表示設(shè)計流量的百分比 轉(zhuǎn)速比 軸功率
（kW） 耗電量
（kWh/年） 節(jié)約電量
(kWh/年） 現(xiàn)狀流量 現(xiàn)狀閥門開度（全開） 1850(1.23) 1.0 13.5 115000 0 設(shè)計流量運行點 1500(1.00) 0.81 7.2 61300 53700 改變流量時 -10% 1350(0.9) 0.73 5.2 44300 70700 -20% 1200(0.8) 0.65 3.7 31500 83500 -30% 1050(0.7) 0.57 2.5 21300 93700

　　3.3 強化管理，實施泵系統(tǒng)的經(jīng)濟運行和節(jié)能運行
　　（1）管理標(biāo)準(zhǔn)：中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《泵類系統(tǒng)電能平衡的測試與計算法》（GB/T 13468）。《工業(yè)用離心泵、混流泵、軸流泵與旋渦泵系統(tǒng)經(jīng)濟運行》（GB/T 13469-92）。
　　（2） 測試系統(tǒng)圖（5）
　　（3）測試項目與內(nèi)容：包括泵系統(tǒng)輸入電能和有功功率；電動機輸出能量、功率和運行效率；機械傳動機械和調(diào)速裝置的能量損耗和傳動效率；泵輸入能量和功率；泵輸出的能量、有效功率和運行功率；機組運行效率、電能利用率；系統(tǒng)管網(wǎng)的能量損耗和效率；泵系統(tǒng)運行效率、電能利用率。
　　（4）系統(tǒng)經(jīng)濟運行和節(jié)能運行的技術(shù)要求：包括系統(tǒng)的機組設(shè)備必須達到選型優(yōu)化、匹配合理；交流電動機的選型必須符合GB 12497的要求；泵的選型要求；管網(wǎng)設(shè)置要求和系統(tǒng)運行要求等。
　　（5）系統(tǒng)經(jīng)濟運行的判別與評價（見表6）
　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 測試系統(tǒng)圖
　　
　　　　　　　　　　　系統(tǒng)經(jīng)濟運行判別與評價^①　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表6

比較內(nèi)容 對現(xiàn)有機組設(shè)備
的判別指標(biāo) 對現(xiàn)有機組設(shè)備
的差別指標(biāo) 對管網(wǎng)的判別指標(biāo) 對系統(tǒng)運行
的判別指標(biāo) 現(xiàn)有機組額定效率÷節(jié)能型產(chǎn)品機組額定效率×100 現(xiàn)有機組實測電有利用率÷現(xiàn)有機組額定電能利用率×100 管網(wǎng)電能利用率÷管網(wǎng)額定電能利用率×100 實際單位電耗÷電耗定額×100 優(yōu)良 >90 >85 >80 >100 合格 ≥80～90 ≥70～85 ≥70～80 =100 不合格 <80 <70 <70 >100

　　　　① 摘自《供熱節(jié)能國家標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編》
　　
　　（6）系統(tǒng)經(jīng)濟運行的管理。包括掌握與運行有關(guān)的工況因素，了解系統(tǒng)中機組管網(wǎng)是否經(jīng)常處于經(jīng)濟運行狀態(tài)；在泵機組和管網(wǎng)的有關(guān)部位安裝流量、壓力流量儀表，嗍酉低吃誦星榭觶喚?⒃誦腥罩競蛻璞訃際醯蛋福喚?⑾低吃誦脅僮鞴娉獺⑹鹿蝕?砉娉獺⒂玫緲己酥貧取⒓觳馕?拗貧取?BR>　　（7）系統(tǒng)經(jīng)濟運行、節(jié)能運行的技術(shù)措施

　　3．4 選用高效、可靠、耐用、維修量少的水泵
　　有許多資料表明：水泵投資占公用建筑空調(diào)系統(tǒng)總投資的0.5%～1%，水泵電功率約為空調(diào)總電功率的15%～20%（約為5～6W/m²）而冷凍水泵的耗電量為空調(diào)系統(tǒng)總能耗的8%～12%，冷卻水泵的耗電量約為12～15%。投資少、能耗大是水泵輸送系統(tǒng)的特點，因此，即使稍微增加一些水泵投資，也應(yīng)通過選用高效、可靠、耐用的泵，降低運行電耗，提高運行效率。
　　同樣，也有許多資料表明：水泵投資約占鍋爐房供熱系統(tǒng)總投資的4%，但在運行成本中，電費約為10%～15%。高效泵雖然價格稍貴些，但為了可靠、安全供熱，為了降低運行成本，從投入產(chǎn)出比上看，也是非常合理的。
　　
4 小結(jié)
　　
　　本文介紹了供熱空調(diào)系統(tǒng)運行中存在水泵耗能量較大，運行效率較低的問題：初步分析了能耗較大的原因；提出了要從設(shè)計、先進調(diào)速方法、管理、設(shè)備等各方面采取相應(yīng)措施、降低能耗、提高效率。由于水泵節(jié)能牽涉到設(shè)計、施工、運行和生產(chǎn)廠家等各個方面只有大家都重視，才能達到預(yù)計的節(jié)能目標(biāo)。雖然，作者了解的情況不多，分析問題也不夠，但寫這篇文章的目的，主要是引起大家的重視。
　　
　　
參考文獻
　　
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　　7 國家經(jīng)貿(mào)委節(jié)能信息傳播中心，交流電動機變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)指南，2001