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4  不同水系統(tǒng)的節(jié)能分析

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

        (1)  供水系統(tǒng)的工作點

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

圖4  供水系統(tǒng)的工作點與調(diào)速節(jié)能

    供水系統(tǒng)中，揚程特性與管阻特性的交點，便是其工作點。

    如圖4(a)，曲線①是在額定轉速下的揚程特性；曲線②是在閥門全開狀態(tài)下的管阻特性。交點N便是工作點，這時，流量為Q_N，揚程為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)可以通過調(diào)節(jié)水泵的轉速來調(diào)節(jié)流量，如圖4(b)所示。當轉速下降為ｎ_X時，揚程特性下移為曲線③，系統(tǒng)的工作點移至X點。這時，流量為Q_X，揚程為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，在閥門全開的狀態(tài)下，供水系統(tǒng)的最大揚程是水泵的額定揚程H_N；最小揚程是實際揚程H_A。因此，供水系統(tǒng)的調(diào)速范圍，將取決于額定揚程和實際揚程的差值ΔH：

        ΔH=H_N-H_A                                  (12)

        需要說明的是：在分析變頻調(diào)速的節(jié)能效果時，通常是和調(diào)節(jié)閥門開度的方法相比較而言的。對此，在許多文章中，已有相當詳盡的論述，本文不再贅述。

        (3)  關于恒壓供水系統(tǒng)

        ①  變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是以管路中的閥門全開為前提的。迄今為止，這樣的系統(tǒng)并不少見，筆者曾參與過不少大樓和小區(qū)的恒壓供水工程，無一例外。各種雜志上介紹的許多關于恒壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)變頻調(diào)速的經(jīng)驗，也基本如此。

        ②  變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是通過PID調(diào)節(jié)功能來實現(xiàn)的。并且，由于受到實際揚程和管網(wǎng)中其他因素的限制，變頻器的下限頻率不可能很低，所以，轉速的允許調(diào)節(jié)范圍是不大的。如果在調(diào)速的同時，也調(diào)節(jié)閥門開度的話，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

       (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

    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)，它相當于一個聯(lián)通器，在靜止狀態(tài)下，兩側管路的水位永遠是相同的。在水泵運行時，所需的實際揚程HA=0。由此而引起的結果是：

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

    ②  因為H_A=0，故轉速的調(diào)節(jié)范圍將十分寬廣，根據(jù)實踐經(jīng)驗，最低工作頻率甚至可達15Hz以下。

    筆者在承接一個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，曾有人懷疑：頻率下降后，冷凍水會不會上不去？但后來的實踐證明，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。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人入住樓層的冷凍水閥門關閉，使水泵進水側和出水側之間的壓力差發(fā)生變化。對此，控制方法之一是通過變頻調(diào)速實現(xiàn)“恒壓差控制”。

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

圖6  恒壓差控制的循環(huán)水系統(tǒng)

    ②  入住率較高時的情形。入住率較高時，假設水泵運行在額定轉速下。揚程特性為曲線①，管阻特性為曲線②，系統(tǒng)的工作點為N點。這時：

    a  揚程為額定揚程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  入住率較低時的情形。當入住率較低時，將關閉一個樓層。管阻特性由圖6(b)中的曲線②變?yōu)閳D6(d)中的曲線③，工作點移至S點。這時：

    a  揚程將因管路“變窄”而升高至H_S；

    b  流量下降為Q_S，由于流速加快，故流量不會下降一半；

    c  由于水泵轉速仍為額定轉速，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  恒壓差控制的結果。變頻器在得到壓差偏大的信號后，將通過PID調(diào)節(jié)功能適當?shù)亟档洼敵鲱l率，使水泵的轉速下降，從而保持壓差的恒定。如圖6(d)所示，水泵的轉速下降后，揚程特性將下降為曲線④，工作點移至X點。這時：

    a  揚程將降低為H_X；

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

    c  壓差恢復到與圖6(a)時相等，即實現(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?？梢姡?jié)能效果是十分明顯的。事實上，筆者曾參與過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)回收設備投資的時間不足半年，深受好評。

5  結語

        (1)  水泵運行系統(tǒng)屬于電力拖動系統(tǒng)的一種，對其運行狀態(tài)的分析必須符合電力拖動的相關規(guī)律。

        (2)  水路中流體的流動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性關系；而水路服從于伯努利方程，且管阻特性是非線性的，故水路和電路不能簡單地類比。

        (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機構的摩擦損失等構成；而水路系統(tǒng)的空載功率則還和實際揚程的大小有關。