给水系统变频泵有效节能率分析_陈亮.pdf

书书书2023 年第 1 期给水系统变频泵有效节能率分析陈亮1，2（1 北京清源华建环境科技有限公司，北京100081；2 清华大学深圳国际研究生院，广东深圳518071）摘要：为了准确评估水泵的有效节能率，分析了是否存在静压的变频泵节能差异，并提出变频有效节能率，该参数清晰地表明水泵有效节能效果。以建筑给水系统为例，分析表明不同楼高给水系统的变频有效节能率相等。以典型的住宅工程设计为例，给出了变频泵有效节能率和变频设备投资回收期，结果显示高区、中区、低区的变频设备静态回收期分别为10.1 年、10.3 年和 11.1 年，楼层越高，变频设备的投资回收期越短。关键词：给水系统静压变频泵有效节能率中图分类号：921.51文献标识码：在给水系统中，变频泵给水系统可以避免泵的频繁开关启停，可以达到一定的节能效果。但是，变频泵的节能效果目前仍存有一定争议。系统采用阀门调节时，由于管网阻力特性的变化，水泵也可以达到节能效果，目前变频节能率的概念并没有准确区分阀门调节的节能效果和变频调节的节能效果，造成对变频节能效果认识的误区。刘仁猛1、马良俊等2 通过理论分析，认为对于开式系统而言，由于存在静扬程，管路损失占总扬程的损失较少，水泵转速下降程度有限，从而节能有限，而楼层越高，水泵静扬程越大，则变频泵的有效变频程度越低，节能潜力越小，从而质疑在高层建筑中应用变频泵的节能效果。针对上述问题，本文以建筑给水系统为例，通过详细的理论分析，结合典型案例计算论证，有助于准确理解静压对变频节能效果的影响、阀门调节的节能效果与变频泵调节的节能效果以及楼层高度对变频节能效果的影响，分析结果为工程中正确选用变频泵提供借鉴。1理论分析1.1基本方程根据水泵的相似定律：21212()1122()113（1）式中，为转速（）；为流量（3）；为压力（）；为功率（）。可得如下关系式：121222（2）式中，为常数。故泵的相似工况曲线为：2（3）另由水泵的轴功率公式，可得如下关系：21221112（4）对于无静压系统，管路总压力损失 满足式（5）：2（5）式中，为管路阻力特性系数（3）2）。对于有静压系统，管路总压力损失 满足式（6）：0 2（6）式中，0为静压值（）。1.2理论分析1.2.1无静压系统 不变、可变的节能分析对比式（3）和式（5），可以发现非常相似。式（3）表明对于同一泵而言，和 满足式（3）即为相似工况，满足水泵相似性定律。结合式（5），当 值不变时，在改变水泵频率时，由于水泵的工作点与管路特性曲线相交，必然满足式（5），也满足式（3）。因此，对于无静压系统，水泵运行工况满足相似定律，将以 3关系变化。如果以式（4）来看，即 以 的 1 次方关系变化，以 的 2 次方关系变化，水泵效率 不变，也可得 将以 的 3442023 年第 1 期次方关系变化（不考虑变频器等引起的损失）。闭式系统在 值不变时，水泵的变频运行具有巨大的节能潜力。建筑给水系统中极少存在这类情况。1.2.2无静压系统 变化、不变的节能分析这是给水系统不存在静压的一种特例。此时水泵的工作点仍然与管路特性曲线相交，从而满足式（5）；但因为式（5）的 值不断变化，所以水泵运行状态点并不满足式（3），不能直接利用相似性定律。此时水泵运行工况只能依据式（4）分析。先不考虑 的影响。参照图 1，图中 1为初始 值，2为仅通过阀门调节水泵不变频的流量为 的 值，2为阀门调节同时水泵变频的流量为 的 值。因此，当需要的系统流量为 时，若水泵不变频，扬程为，故功率为 ；若水泵变频并控制 不变，则流量仍为，扬程为，故功率为 。设计工况点的功率为 。因此，常规计算的变频节能率为 1 （）（）1 ，记为。但是在这种常规计算变频节能率的方法中，没有去除 变化本身引起的水泵功率的下降，如果理解为节能率，其数值为1 （）（）。只有去除这部分节能率，才可以认为是变频有效节能率。为了衡量变频的有效节能，定义参数变频有效节能率。变频有效节能率 代表去除其余因素引起的节能效果后，相对设计工况的能耗由变频实际得到的节能效果。表征变频真正起作用的节能率，利用 乘水泵功率可直接得到变频的节能量，与初投资对比后可判断变频技术的经济性。相对，在很多情况下高估了变频的节能效果。对于 变化、不变的无静压系统，为：1()1()（7）图 1无静压系统 变化、不变的节能分析对于特定的系统，为定值，大小只取决于。后者实际上是图 1 中阴影部分的面积。随着 点从 移动到，阴影部分的面积从0 到达最大，又重新变为 0。由此可知，不考虑 时，水泵的有效节能只在一定的流量变化范围内才能起到较佳效果。1.2.3有静压系统 变化、不变的节能分析这是给水系统中最常见的情况。有静压系统管路总压力损失 满足式（6），如图 2 所示。图中 0为静压，1为初始 值，2为仅通过阀门调节水泵不变频的流量为 的 值，2为阀门调节同时水泵变频的流量为 的 值。参照与1.2.2 部分类似的分析可知，此时有效节能率的算式与式（7）完全相同。这说明，给水系统是否存在静压、静压的大小，并不影响水泵的有效节能率，水泵的有效节能率只取决于水泵的特性曲线。那么，楼层越高，是否会影响水泵的特性曲线，从而间接影响水泵有效节能率？由式（7）可知，对于某一特定流量，也为定值，只取决于 。水泵的特性曲线与水泵比转速有关，低比转速泵的流量小、压头大，出口安放角较大，水泵特性曲线较平坦，压头的变化较缓慢3，从而变频的有效节能率较低。但是，楼层越高的泵却不一定选择低比转速的水泵。给水系统往往流量小而扬程大，为了提高水泵效率，往往采用多级离心泵，每级离心泵仍为比转速较高的水泵，相当于多台较高比转速的水泵串联而成。由串联的原理可知，某流量下，单台水泵和多台水泵的 是完全相同的。因此，不考虑水泵不同流量的效率不同时，给水系统中水泵有效节能率与楼层高度无关，为一定值；而水泵的有效节能率，则随楼层高度增大而增大。由于变频器的价格增长比水泵功率的增长要慢，因此，楼层越高水泵变频节能的经济效益越佳。图 2有静压系统 变化、不变的节能分析542023 年第 1 期2实例计算以典型住宅的实例计算，验证该结论，同时给出给水系统采用变频泵的经济性。某 26 层住宅，每层 5 个单元、26 户，层高 2.85 米。其中首二层由市政直供，3 层以上由加压供水。其中 3 10 层为加压供水低区，11 18 层为加压供水中区，19 26 层为加压供水高区，每个分区均 8 层共 208 户。设计流量为 8 ，每分区最高层用户的入户供水压力均设计为 10。列出系统压力如表 1 所示。根据前文的计算公式，以某厂家的多级离心泵为样本计算变频有效节能率，其中变频流量假定为设计流量的 50，变频器整体效率为 96。计算得到水泵有效节能率值。由表 2 可知，常规理解的不考虑效率的变频节能率 为 50，与考虑泵效率的 43.5 变频节能率有所不同，其原因在于 没有考虑水泵效率。而考虑泵效率的由管路 值调整引起的不变频的节能率也有 33 左右，这个数字往往在计算中被忽略。实际计算得到的不考虑水泵效率的 值为9左右，远低于。考虑水泵效率的 值为10左右，比不考虑效率的 值略有提高。考察不同静压下的水泵有效节能率与流量的关系（考虑水泵效率），如图 3 所示。由图 3 可知，在不同静压下，水泵的有效节能率在同一流量比时大致相同。水泵有效节能率在流量比小于60 时，大致在10 12 之间；在流量比大于 60 后，有效节能率迅速降低。前文已表 1各区水泵的扬程构成静压 出口 0 沿程 高区78.510.088.58.797.1中区55.710.065.77.573.1低区32.910.042.96.349.2表 2各区变频有效节能率（不考虑效率）（不考虑效率）不变频节能率（考虑泵效率）变频节能率（考虑泵效率）（考虑泵效率）2 1高区508.833.543.39.80.93中区508.434.043.29.30.93低区509.932.343.511.20.92经分析，流量比在极小和极大时，不考虑水泵效率的有效节能率均接近 0，但实际结果却表明在流量比极小时，有效节能率仍达到 10 以上。这是因为水泵流量比极小时，水泵流量减小，水泵效率迅速下降4。根据前文分析可知，变频泵使水泵等效率点右移，而在水泵选型时，水泵的工作点宜在高效区段右侧的末端5，在流量比小于水泵效率最高点时，变频的右移效果是有利的，反之，变频的右移效果则是不利的。从图 4 可以清楚地看出这一点，在流量比极小时，因水泵效率下降明显，变频的主要节能效果是水泵效率的提高，而非扬程的节省。需要指出，在流量比小于 50 时，虽然变频的节能效果也较好，但变频后的大泵效率仍低于采用小泵时的小泵效率，因此，推荐的做法是在小流量时采用小泵运行，而非大泵变频运行，小泵的流量一般设定为单台大泵的 13 12。下面进一步计算变频设备的投资经济性。选择两台大泵，流量为 4 ，选择一台变频；选择一台小泵，流量为 2 ，考察单台大泵的变频设备经济性。首先确定变频设备的年运行小时数，一般情况夜间采用稳压罐或小泵供水，不会运行该变频图 3变频泵有效节能率与流量比的关系图 4是否考虑水泵效率修正的水泵有效节能率与流量比的关系（下转第 52 页）642023 年第 1 期4滑动环的加工工艺流程及精加工后的检测滑动环整体加工工艺流程图如图 5 所示。滑动环精加工后，0.0063及各形位公差用三坐标检测，其余尺寸则是检查员手工检测。三坐标检测结果：三坐标检测小斜面的尺寸为 0.0061，图纸要求为0.0063 10，在图纸要求的公差范围之内，所以小斜面的加工是合格的。而其他形位公差与尺寸公差的检测也在图纸要求的范围之内。通过上述加工方法，下部滑动环加工合格。图 5工艺流程图5结论综上，在普通卧车上将工件的偏心小角度换算成打表数，利用专用工装，成功完成了工件偏心小角度的加工。其试制加工成功有如下意义：（1）滑动环 0.0063偏心小斜面专用工装的设计降低了劳动强度，提高了生产效率，可以成为同行的借鉴点。（2）目前 0.0063偏心小角度的加工可推广其在泵类产品中的应用，为以后精度要求更高的类似零件加工提供了技术储备。（3）打破传统的加工方法，通过设计新方法、新工艺，保证工件的找正及加工精度，从而提高产品质量。参考文献 1 谢玉林一种偏心工件车加工方法 机械工程师，2011（10）：107 108 2 陈梓文普通车床加工偏心工件的实用夹具 中国机械，2014（12）：28（本文编辑胡玉靓）（收稿日期2022 11 03）（上接第 46 页）设备，假设白天变频设备的启用时间为 50（其余时间为全负荷运行或小泵运行），则年变频小时数为 2920。计算得到变频设备的投资经济性如表 3所示，其中变频设备价格采用某进口厂家变频器，已包含控制系统。由表 3 可知，高区、中区、低区的变频设备静态回收期分别为10.1 年、10.3 年和11.1 年。可见变频泵的整体投资效益一般，低区的效益更差些。需要指出的是，相对单纯管路 调整引起的流量及扬程变化，水泵变频控制可降低用户出口水头，而用户在出口水头降低时，客观上起到节水的效果。上述分析均假定用户的耗水量变化与扬程无关，并未考虑这部分节水效果。3结论（1）在考虑变频的节能率时应采用变频有效表 3各区变频设备投资经济性分析变频设备价格 元水泵设计功率 年变频小时数 年节约费用 元静态投资回收期 高区110007.62920108910.1中区80005.7292077910.3低区70003.9292063011.1节能率，以排除因管路 值变化等因素引起的节能效果。在典型住宅给水系统中，在流量比为50时，考虑水泵效率的 约为 10，明显低于常规理解的变频节能率 50。有效节能率是正确评估变频泵节能效果的基础，计算变频泵经济性应采用有效节能率。（2）理论分析和案例计算表明，住宅给水系统的变频有效节能率与静压无关，从而与楼高也无关，变频有效节能率则随楼高增加而增大。参考文献 1 刘仁猛高层建筑供水