4  不同水系統(tǒng)的節(jié)能分析

4.1  供水系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速后的節(jié)能效果

        (1)  供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)

(a)  供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)           (b)  調(diào)速的節(jié)能效果

圖4  供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)與調(diào)速節(jié)能

    供水系統(tǒng)中，揚(yáng)程特性與管阻特性的交點(diǎn)，便是其工作點(diǎn)。

    如圖4(a)，曲線(xiàn)①是在額定轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程特性；曲線(xiàn)②是在閥門(mén)全開(kāi)狀態(tài)下的管阻特性。交點(diǎn)N便是工作點(diǎn)，這時(shí)，流量為Q_N，揚(yáng)程為H_N。供水功率P_N與面積OANB成正比。

        (2)  調(diào)速與節(jié)能

        供水系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，如圖4(b)所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降為ｎ_X時(shí)，揚(yáng)程特性下移為曲線(xiàn)③，系統(tǒng)的工作點(diǎn)移至X點(diǎn)。這時(shí)，流量為Q_X，揚(yáng)程為H_X。供水功率P_N與面積OCXD成正比。與圖4(a)相比，面積DXCANB便是節(jié)約的供水功率ΔP。

        圖4(b)還表明，在閥門(mén)全開(kāi)的狀態(tài)下，供水系統(tǒng)的最大揚(yáng)程是水泵的額定揚(yáng)程H_N；最小揚(yáng)程是實(shí)際揚(yáng)程H_A。因此，供水系統(tǒng)的調(diào)速范圍，將取決于額定揚(yáng)程和實(shí)際揚(yáng)程的差值ΔH：

        ΔH=H_N-H_A                                  (12)

        需要說(shuō)明的是：在分析變頻調(diào)速的節(jié)能效果時(shí)，通常是和調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度的方法相比較而言的。對(duì)此，在許多文章中，已有相當(dāng)詳盡的論述，本文不再贅述。

        (3)  關(guān)于恒壓供水系統(tǒng)

        ①  變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是以管路中的閥門(mén)全開(kāi)為前提的。迄今為止，這樣的系統(tǒng)并不少見(jiàn)，筆者曾參與過(guò)不少大樓和小區(qū)的恒壓供水工程，無(wú)一例外。各種雜志上介紹的許多關(guān)于恒壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的經(jīng)驗(yàn)，也基本如此。

        ②  變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是通過(guò)PID調(diào)節(jié)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。并且，由于受到實(shí)際揚(yáng)程和管網(wǎng)中其他因素的限制，變頻器的下限頻率不可能很低，所以，轉(zhuǎn)速的允許調(diào)節(jié)范圍是不大的。如果在調(diào)速的同時(shí)，也調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度的話(huà)，就節(jié)能效果而言，意義似乎不大。

4.2  循環(huán)水系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速后的節(jié)能效果

(1)   循環(huán)水系統(tǒng)的特點(diǎn)

       (a)  循環(huán)水系統(tǒng)                 (b)  等效管路

圖5  循環(huán)水系統(tǒng)的特點(diǎn)

    循環(huán)水系統(tǒng)的典型例子是中央空調(diào)的冷凍水系統(tǒng)，如圖5(a)所示。其等效管路如圖5(b)，它相當(dāng)于一個(gè)聯(lián)通器，在靜止?fàn)顟B(tài)下，兩側(cè)管路的水位永遠(yuǎn)是相同的。在水泵運(yùn)行時(shí)，所需的實(shí)際揚(yáng)程HA=0。由此而引起的結(jié)果是：

    ①  式(11)中的空載功率PA所占的比例將很小，故平均轉(zhuǎn)速下降后的節(jié)能效果將十分顯著。

    ②  因?yàn)?/SPAN>H_A=0，故轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍將十分寬廣，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，最低工作頻率甚至可達(dá)15Hz以下。

    筆者在承接一個(gè)二十層高樓的中央空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水和冷卻水的變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，曾有人懷疑：頻率下降后，冷凍水會(huì)不會(huì)上不去？但后來(lái)的實(shí)踐證明，上述疑慮是完全多余的。

    (2)  冷凍水的恒壓差控制

    ①  恒壓差控制要點(diǎn)。某些賓館的冷凍水系統(tǒng)常常根據(jù)旅客的入住率而將部分無(wú)人入住樓層的冷凍水閥門(mén)關(guān)閉，使水泵進(jìn)水側(cè)和出水側(cè)之間的壓力差發(fā)生變化。對(duì)此，控制方法之一是通過(guò)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)“恒壓差控制”。

    如圖6(a)和6(c)所示，壓力傳感器SP1和SP2分別測(cè)定水泵的進(jìn)水壓力和出水壓力，測(cè)得的信號(hào)接至壓差控制器，將兩者的壓力之差轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)X_F，作為反饋信號(hào)接至變頻器。使變頻器的輸出頻率（從而水泵的轉(zhuǎn)速）得到調(diào)整。

圖6  恒壓差控制的循環(huán)水系統(tǒng)

    ②  入住率較高時(shí)的情形。入住率較高時(shí)，假設(shè)水泵運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速下。揚(yáng)程特性為曲線(xiàn)①，管阻特性為曲線(xiàn)②，系統(tǒng)的工作點(diǎn)為N點(diǎn)。這時(shí)：

    a  揚(yáng)程為額定揚(yáng)程H_N；

    b  流量也是額定流量Q_N；

    c  水泵的輸出功率與面積OANB成正比。

    ③  入住率較低時(shí)的情形。當(dāng)入住率較低時(shí)，將關(guān)閉一個(gè)樓層。管阻特性由圖6(b)中的曲線(xiàn)②變?yōu)閳D6(d)中的曲線(xiàn)③，工作點(diǎn)移至S點(diǎn)。這時(shí)：

    a  揚(yáng)程將因管路“變窄”而升高至H_S；

    b  流量下降為Q_S，由于流速加快，故流量不會(huì)下降一半；

    c  由于水泵轉(zhuǎn)速仍為額定轉(zhuǎn)速，水泵的供水能力大于管路流量，故出口壓力上升，壓差升高。

    ④  恒壓差控制的結(jié)果。變頻器在得到壓差偏大的信號(hào)后，將通過(guò)PID調(diào)節(jié)功能適當(dāng)?shù)亟档洼敵鲱l率，使水泵的轉(zhuǎn)速下降，從而保持壓差的恒定。如圖6(d)所示，水泵的轉(zhuǎn)速下降后，揚(yáng)程特性將下降為曲線(xiàn)④，工作點(diǎn)移至X點(diǎn)。這時(shí)：

    a  揚(yáng)程將降低為H_X；

    b  流量減小為Q_X，由于用水管路減少了一半，故Q_X也應(yīng)等于額定流量的一半；

    c  壓差恢復(fù)到與圖6(a)時(shí)相等，即實(shí)現(xiàn)了恒壓差控制；

    d  水泵的輸出功率與面積OCXD成正比，與圖6(c)相比，節(jié)約功率與面積BNACXD成正比。可見(jiàn)，節(jié)能效果是十分明顯的。事實(shí)上，筆者曾參與過(guò)5家高樓中央空調(diào)冷凍水與冷卻水系統(tǒng)的變頻調(diào)速改造，多數(shù)回收設(shè)備投資的時(shí)間不足半年，深受好評(píng)。

5  結(jié)語(yǔ)

        (1)  水泵運(yùn)行系統(tǒng)屬于電力拖動(dòng)系統(tǒng)的一種，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的分析必須符合電力拖動(dòng)的相關(guān)規(guī)律。

        (2)  水路中流體的流動(dòng)和電路中的電流確有相似之處。但是電路服從于歐姆定律，由于電阻通常是常數(shù)，故電流與電壓之間呈線(xiàn)性關(guān)系；而水路服從于伯努利方程，且管阻特性是非線(xiàn)性的，故水路和電路不能簡(jiǎn)單地類(lèi)比。

        (3)  必須注意水泵的空載功率與水路系統(tǒng)空載功率的概念：

        ①  兩者都是輸出流量等于0時(shí)的功率損耗，這是它們的相同之處。

        ②  水泵的空載功率主要由水泵和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦損失等構(gòu)成；而水路系統(tǒng)的空載功率則還和實(shí)際揚(yáng)程的大小有關(guān)。