变频供水设备在现代建筑生活给水中应用

　　摘要:对建筑生活给水系统中水泵变频调速运行的节能原理和变频调速的基本原理分析,讨论了变频调速供水设备在现代建筑生活给水系统应用的优点与可行性,分析结果表明变频供水设备是高效节能的，在现代建筑生活给水系统值得大力推广。
　　关键词:变频调速；变量供水；给水流量；给水扬程；节流损耗。
　　随着我国房地产和建筑业的迅速发展，建筑生活用水大量增加，非变频水泵能源的浪费却是相当惊人的。据有关资料报导，我国水泵系统实际运行效率仅为30～40%，其损耗电能占总发电量的38%以上。这是由于许多水泵的拖动电机处于恒速运转状态，而生产中的水流量要求处于变工况运行；还有许多企业在进行系统设计时，容量选择得较大，系统匹配不合理，造成大量的能源浪费。而变频调速恒压供水控制装置能够极大地改善建筑生活给水系统的供水环境，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节水泵电机的转速和多台水泵电机的投入及退出，使个供水系统主干出口端保持在恒定的设定压力值，整个供水系统始终保持高效节能和运行在最佳状态。
　　1.水泵变频调速运行的节能原理
　　变频调速供水设备是一种节能型加压设备，它是利用电动机在电源频率不同情况下转速不同这一规律，由变频器改变其电源频率而改变电机转速，最终达到水泵的转速改变，实现变量供水。
　　图1为水泵用阀门控制时，当流量要求从Q1减小到Q2，必须关小阀门。这时阀门的磨擦阻力变大，管路曲线从R移到R′，扬程则从Ha上升到Hb，运行工况点从a点移到b点。
　　图2为调速控制时，当流量要求从Q1减小到Q2，由于阻力曲线R不变，泵的特性取决于转速。如果把速度从n降到n′，性能曲线由（Q-H）变为（Q-H）′,运行工况点则从a点移到c点，扬程从Ha下降到Hc。
　　
　　根据离心泵的特性曲线公式：
　　N＝RQH／102η
　　式中：N——水泵使用工况轴功率（kw）；Q——使用工况点的流量（ｍ3／ｓ）；H——使用工况点的扬程（ｍ）；R——输出介质单位体积重量（kg／ｍ3）；η——使用工况点的泵效率（%）。
　　可求出运行在b点泵的轴功率和c点泵的轴功率分别为：
　　Nb＝RＱ2Ｈb／102η
　　Nc＝RＱ2Ｈc／102η
　　两者之差为：ΔN＝Nc—Nb=R×Ｑ2×（Ｈb－Ｈc）／102η
　　也就是说，用阀门控制流量时，有ΔN功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。而用转速控制时，由于流量Ｑ与转速n的一次方成正比；扬程Ｈ与转速n的平方成正比；轴功率Ｐ与转速n的立方成正比，即功率与转速n成3次方的关系下降。如果不是用关小阀门的方法，而是把电机转速降下来，那么在转运同样流量的情况下，原来消耗在阀门的功率就可以全避免，取得良好的节能效果，这就是水泵调速节能原理。
　　2.变频调速的基本原理
　　变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系：
　　n＝60ｆ（１－ｓ）／ｐ
　　式中：ｆ——水泵电机的电源频率（Ｈｚ）；ｐ——电机的极对数；
　　由上式可知，均匀改变电动机定子绕组的电源频率ｆ，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少。这就是水泵变频调速的节能作用。
　　3.变频调速在现代建筑生活给水系统应用的优点
　　在现代建筑生活给水系统中，采用变频调速泵一台或多台给水的突出优点是：
　　3.1.采用变频调速给水可以大幅度降低节流能量损耗，具有优异的节能效果。采用变压变量给水可以做到使节流损耗降低到零，具有最佳的节能效果，但是这种变压变量给水系统只适用于特点是给水管路系统，没有通用性。国内外一种宵用的具有一定能用性的变压变量给水系统是准变压奕量给水系统；这种给水系统的给水压力随给水流量的增大而跃阶上升；对于多泵联的供水设备，当多投入一名泵工频，给水恒压值上升一个台阶；台阶值可以按需设定。这种准变压变量给水系统(设备)可以适用于没给水管路，具有一定的通用性。
　　3.2.变频恒压变量给水系统(设备)的给水压力可调，在设计上允许降低给水压力的计算精度，在使用上可以适应不同的给水压力要求。
　　建筑给水节能的基本原理如下：
　　设要求的给水流量为Q＝O-Qmax；
　　要求的给水扬程为H＝Hmax-Hmin。
　　给水流量取决于使用，夜间不用水时Q＝O，白天用水高峰时Q＝Qmax。最小给水扬程Hmin应保证能把水供向一定高度；最大给水扬程，Hmin=Hmin=Q2max(管路流阻损失)。建筑给水系统能常按Qmax及Hmax值来确定给水泵的台数及大小。应当指出，建筑给水系统通常多采用多泵并联的给水系统。
　　要求建筑给水节能，首先要求给水泵处于高效率区工作。众所周知，高佳心泵的高效率区处决于泵的工况(n、Q、H值决定是泵的工况点)。当采用变频调速(n值可变)，则泵的高效率区扩大，因此采用变频调速可以节能。其次是防止给不泵出现"大马拉小车"的工况。因为给水系统要满足Qmax及Hmax的工况，如果彩1台泵，当小流量用水时必然出现"大马拉小车"的工况，此时水泵的效率低，功率浪费大。为了防止;“大马拉小车”，通常的做法是采用多台水泵并联给水的方式，多用水多开泵，少用水少开泵，可以显著减轻“大马拉小车”弊端的出现，改善节能的效果。理论分析及实际使用证明，多泵并联变频调速给水可以显著提高节能效果。所以现代建筑生活给水系统大多采用多泵并联恒压变量(或准度变压变量)给水方式。
　　3.3管理方便，操作简单，安装灵活，占地面积小，噪声小，无水源二次污染。
　　采用多泵并联给水，按变频调速恒压给水原理，在多泵并联的给水系统中，只要其中有一台是变频调速泵，就可以达到恒压给水的目的；为了达到恒压给水，变频泵必须是并联泵中的最大者；最经济的配泵方集是各并联泵的大小相同。从节能考虑，并联水泵的台数愈多愈好；但是如数太多，设备的机械结构及电气控制系统的复杂程度也随之上升，系统(设备)的整体经济、合理性下降。所以合理的应采用并联水泵不多也不少的最经济方案。
　　4水泵变频调速应用的注意事项
　　水泵调速一般是减速问题。当采用变频调速时，原来按工频状态设计的泵与电机的运行参数均发生了较大的变化，另外如管路特性曲线、与调速泵并列运行的定速泵等因素，都会对调速的范围产生一定影响。超范围调速则难以实现节能的目的。因此，变频调速不可能无限制调速。一般认为，变频调速不宜低于额定转速50％，最好处于75％～100％，并应结合实际经计算确定。
　　4.1水泵工艺特点对调速范围的影响
　　理论上，水泵调速高效区为通过工频高效区左右端点的两条相似工况抛物线的中间区域。实际上，当水泵转速过小时，泵的效率将急剧下降，受此影响，水泵调速高效区萎缩,若运行工况点已超出该区域，则不宜采用调速来节能了。
　　4.2定速泵对调速范围的影响
　　实践中，供水系统往往是多台水泵并联供水。由于投资昂贵，不可能将所有水泵全部调速，所以一般采用调速泵、定速泵混合供水。在这样的系统中，应注意确保调速泵与定速泵都能在高效段运行，并实现系统最优。此时，定速泵就对与之并列运行的调速泵的调速范围产生了较大的影响。主要分以下两种情况：
　　4.2.1同型号水泵一调一定并列运行时，虽然调度灵活，但由于无法兼顾调速泵与定速泵的高效工作段，因此，此种情况下调速运行的范围是很小的。
　　4.2.2不同型号水泵一调一定并列运行时，若能达到调速泵在额定转速时高效段右端点扬程与定速泵高效段左端点扬程相等。则可实现最大范围的调速运行。但此时调速泵与定速泵绝对不允许互换后并列运行。
　　4.3电机效率对调速范围的影响
　　在工况相似的情况下，一般有N∝n3，因此随着转速的下降，轴功率会急剧下降，但若电机输出功率过度偏移额定功率或者工作频率过度偏移工频，都会使电机效率下降过快，最终都影响到整个水泵机组的效率。而且自冷电机连续低速运转时，也会因风量不足影响散热，威胁电机安全运行。
　　综上所述，通过变频调速供水与非变频调速供水相比，采用变频调速供水有很多优点，比如：高效节能、管理方便、五水源二次污染等等，在现代建筑生活给水系统中应用具有很大的推广意义和应用价值。

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