摘要 本文敘述了供熱空調系統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，提出了應從設計、設備、調速方法和管理等諸多方面采取相應措施。降低能耗提高效率。
　　
關鍵詞 水泵 設計電功率 運行耗電量 大流量 變頻調速 強化管理 節能運行

1 序言
　　
　　根據全國第三次工業普查公布的統計數字，我國風機消耗壓縮機類通用機械總裝機容量為1.6億kW，其中風機約為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，占工業用電量的40%，在國民經濟中舉足輕重，節能潛力很大。
　　北京合理用能評估中心在《北京地區公用建筑空調調查報告》中指出，1999年，北京市空調制冷的裝機容量約為200×10⁴Rt夏季空調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%。預計北京市公用建筑每年增加空調制冷能力約50×10⁴Rt，增加制冷空調電功率約40×10⁴kW，其中泵電功率約5×10⁴～6×10⁴kW。上述數據表明水泵裝機容量及年耗電量很大，與一些相關標準比較，差距較大，因此，節能潛力很大。
　　根據"三北"地區29個大、中城市鍋爐供暖期實際能耗調查：單方實耗標準煤礦，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。說明供熱系統電耗較大，節電潛力很大。
　　
　　　　　　　　　電耗指標[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

　　《民用建筑節能設計標準》規定，供熱系統中循環水泵的電功耗一般應控制在單位建筑面積0.35～0.45W/m²的范圍內，實際上約為0.5～0.6 W/m²,甚至高達0.6～0.9 W/m²。
　　以上數據表明，供熱空調泵系統存在設計電功率容量偏大，運行耗電量較高的問題，而泵的電耗在空調供熱系統能耗中占的比重也較大，設計泵電功率容量大要求增大發電容量，增大峰谷差；運行耗電量大意味著發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，兩者都提高了空調供熱運行成本，加大了熱（冷）費用和用戶的負擔。為此，必須了解空調供熱泵容量和能耗增大的原因，探討泵節能的方法，并從設計、運行和設備上提出改進的措施。
　　
2 空調供熱泵電耗在的原因分析
　　
　　2．1 設計泵功率大的原因
　　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）設計熱（冷）負荷偏高，造成熱（冷）水流量偏大。從 可知，設計熱（冷）負荷Q和供回水溫差Δt是計算流量的主要依據。
　　"三北"地區各城市，在以往的供熱設計中，設計熱指標值均較高。如沈陽市計熱指標選用的平均值為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計單位面積冷負荷指標為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）和電氣導設備安裝容量和造價，而且也會造成泵電氣設備的閑置和系統的低效運
行。
　　
　　消耗設計流量與實際需要流量 表2

賓館 空調面積
（萬m²） 單位建筑面積設計冷凍水流量
[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
　　供熱系統設計時，二次網循環系統實際揚程一般約為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系，揚程偏高導致水泵電氣容量增大。
　　空調系統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）一些國產水泵屬低效產品，新設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
　　為了解決熱網水平失調帶來的用戶冷熱不均的問題，許多供熱系統采用了"大流量、小溫差"的運行方式。如住宅間接供暖的二次循環水泵或直接供暖的一次水循環水泵流量，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供熱系統循環水泵的電功率約為15～30kW之間，若系統循環水量提高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，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管網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，消耗的功率也比預想的大得多。如圖1所示，水泵工作點（Q₂、H₂）大于設計水量Q₁、設計揚程H₁，圖中（Q₁、H₁）點是"理想狀態"，水泵處于低效運行區，增大了無效運行范圍。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 現有設備的運行狀態
　　
　　（3）定流量運行方式增大了水泵運行電耗
　　一般供熱系統平均負荷率約為0.6～0.7。空調系統平均負荷率一般約為0.3～0.35，北京地區98%的時間負荷率均在70%以下。但水泵為恒速泵。為了適應負荷的變化，流量的調節依靠閥門來實現，采用這種方法，如果要求把流量調至額定流量一半，Q₁=（1/2）Q_H，系統的能耗大致與額定狀況下的能耗（Q_H）相同。
　　圖2表示通過調節供水側閥門開度的方法調節水量。從圖中可知，通過水量的調節減少了泵所耗功率，但，由于增加了泵的運行壓力，又產生了新的無用運行范圍。
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 調節閥門改變流量
　　
　　（4）并聯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水系統中一次泵普遍選用的運行模式。如圖3所示，當相同特性的2臺泵并聯運行時，流量與揚程及耗電功率都增加了，變化的多少與管網的特性曲線有關，管網阻力越大時，流量、揚程增加的較少。
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 相同特性泵的并聯運行
　　
　　（5）空調供熱水系統一般采用一級泵系統，節電效果不明顯。
　　空調供熱水系統的冷（熱）源要求定流量運行，末端設備要求變流量運行。一級泵系統的特點是利用一根旁通管來保持冷（熱）源側定流量，而讓用戶處于變流量運行，當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。
　　二級泵系統由兩個環路組成，一次環路定流量運行，二次環路變流量運行，節電效益非常明顯。
　　國內電動機拖動系統運行效率低，先進技術推廣應用面窗，遠不如國外經濟發達國家。特別是國內的泵類系統中老產品、低效產品尚占50%以上，系統的平均運行效率約為40%～50%。
　　
3 空調供熱泵的節能
　　
　　使空調供熱泵能耗偏大的原因有設計造成的、運行形成的和泵本身等。因此，應從設計、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的要求確定水泵的型號
　　建設部1986年批準頒布的《民用建筑節能設計標準（采暖居住建筑部分）》中規定的控制指標為：設計選用的水泵水輸送系統WTF應大于、等于設計計算條件下（供、回水設計溫度為95/70℃）的理論水輸送系數（WTF）th的0.6倍，即WTF≥0.6(WTF)th。
　　水輸送系數的定義是：循環水泵單位電耗（1kWh）所能輸送出的熱媒供熱量。
　　設計水輸送系數 ：全日設計供熱量：Nq：全日水泵輸送熱媒的設計耗電量。
　　設計條件下的理論水輸送系數（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 　

　　按上述標準，一個約9.0萬m²供熱系統的循環水泵的軸功率不得超過32kW。

　　3．2 采用先進的泵的性能調節方法
　　（1）傳統的泵性能調節方法
　　以往，采用改變葉輪外徑或采用減速機改變轉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 調節轉速 D N′ Q×(N′/N)² H×(N′/N)² P×(N′/N)³

　　從表4可知，理論上泵的性能調節是非常簡單的，但，實際上尚存在許多問題，例如，在改變葉輪外徑時，可能出現的問題：
　　1）必須拆下葉輪，停泵時間較長；
　　2）葉輪可能出現重量不平衡，產生異常振動；
　　3）加工量大時，泵的效率下降，甚至產生噪聲；
　　（2）當需要增加負荷時，則不能恢復到原來的性能。
　　設置減速機時，必須修改基礎。
　　（3）變頻器的應用
　　多年來已經研制出多種交流電動機調速裝置，如定子調壓調速、變極調速、滑差調速、電磁耦合器調速、串級調整、整流子電機調速和液力耦合器調速等。但上述調速方式仍存在調速范圍窄等缺點。隨著電力電子技術、微電子技術及控制理論的發展，作為交流調速中心的變頻調速技術得到了顯著的發展。這種調速方式具有節能，調速范圍大（從1：00～1：1000），易于實現正、反轉切換，起動電流小和結構簡單、運行安全可靠的優點。
　　我國變頻調速裝置的市場售價是800～1500元/kW，大致是被控制調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。
　　變頻調速系統中交流電動機和變頻調速裝置的發展，隨著技術水平的提高，當前國內外都在開展諸如變頻調速專用異步電動機這類的高效運行電動機的研究，使電動機適應驅動裝置的特點，因此電動機的功率密度可提高20%，功率因數可提高5個百分點，平均效率可提高3%。隨著電力電子技術、計算機技術、控制技術的發展，變頻器的功能、性能得到了很大的提高。根據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%。采用變頻調速運行方式后，計算節電量約為47%。實際運行時的節電量也能達到35%。見表5。
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 節能效果
　　
　　　　　　　　　　　節電量計算值　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表5

流量（L/min）
表示設計流量的百分比 轉速比 軸功率
（kW） 耗電量
（kWh/年） 節約電量
(kWh/年） 現狀流量 現狀閥門開度（全開） 1850(1.23) 1.0 13.5 115000 0 設計流量運行點 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，實施泵系統的經濟運行和節能運行
　　（1）管理標準：中華人民共和國國家標準《泵類系統電能平衡的測試與計算法》（GB/T 13468）。《工業用離心泵、混流泵、軸流泵與旋渦泵系統經濟運行》（GB/T 13469-92）。
　　（2） 測試系統圖（5）
　　（3）測試項目與內容：包括泵系統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；系統管網的能量損耗和效率；泵系統運行效率、電能利用率。
　　（4）系統經濟運行和節能運行的技術要求：包括系統的機組設備必須達到選型優化、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；管網設置要求和系統運行要求等。
　　（5）系統經濟運行的判別與評價（見表6）
　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 測試系統圖
　　
　　　　　　　　　　　系統經濟運行判別與評價^①　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表6

比較內容 對現有機組設備
的判別指標 對現有機組設備
的差別指標 對管網的判別指標 對系統運行
的判別指標 現有機組額定效率÷節能型產品機組額定效率×100 現有機組實測電有利用率÷現有機組額定電能利用率×100 管網電能利用率÷管網額定電能利用率×100 實際單位電耗÷電耗定額×100 優良 >90 >85 >80 >100 合格 ≥80～90 ≥70～85 ≥70～80 =100 不合格 <80 <70 <70 >100

　　　　① 摘自《供熱節能國家標準行業標準匯編》
　　
　　（6）系統經濟運行的管理。包括掌握與運行有關的工況因素，了解系統中機組管網是否經常處于經濟運行狀態；在泵機組和管網的有關部位安裝流量、壓力流量儀表，監視系統運行情況；建立運行日志和設備技術檔案；建立系統運行操作規程、事故處理規程、用電考核制度、檢測維修制度。
　　（7）系統經濟運行、節能運行的技術措施

　　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系統總投資的0.5%～1%，水泵電功率約為空調總電功率的15%～20%（約為5～6W/m²）而冷凍水泵的耗電量為空調系統總能耗的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的特點，因此，即使稍微增加一些水泵投資，也應通過選用高效、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，從投入產出比上看，也是非常合理的。
　　
4 小結
　　
　　本文介紹了供熱空調系統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；提出了要從設計、先進調速方法、管理、設備等各方面采取相應措施、降低能耗、提高效率。由于水泵節能牽涉到設計、施工、運行和生產廠家等各個方面只有大家都重視，才能達到預計的節能目標。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
　　
　　1 北京合理用能評估中心，北京地區公用建筑空調調查報告，2001
　　2 中國建筑學會暖通空調專業委員會，全國暖通空調制冷2000年學術年會論文集
　　3 建筑節能專業委員會，建筑節能技術，1996
　　4 石兆玉，供熱系統運行調節與控制，1992
　　5 建設部城市建設研究院，城市供熱節能國家標準行業標準匯編，1999
　　6 日本省ユネㄦギ，1999（臨時增刊），水泵的節能
　　7 國家經貿委節能信息傳播中心，交流電動機變頻調速節能技術指南，2001