變頻調(diào)速水泵在暖通空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用推廣

2012-08-02

水泵，眾所周知，它是用來(lái)輸送液體的動(dòng)力元件，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多部門(mén)要用到它。其品種規(guī)格繁多。對(duì)它的分類(lèi)方法也各不相同，按其工作原理可以分為三大類(lèi)：葉片式水泵，容積式水泵，其他類(lèi)型水泵。離心泵是葉片泵的一種，亦為應(yīng)用為廣泛的泵型。此種泵的工作原理是靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片撥動(dòng)液體旋轉(zhuǎn)，使液體獲得離心力而完成水泵的輸水過(guò)程，所以這種泵稱為離心泵。其應(yīng)用領(lǐng)域涉及生活熱水供水、污水排水、工業(yè)應(yīng)用、商業(yè)建筑暖通空調(diào)循環(huán)、冷卻水輸送等各個(gè)方面。由于離心泵是一種重要的設(shè)備，它的運(yùn)轉(zhuǎn)需要消耗大量的動(dòng)力！據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界20%的電能是消耗在水泵系統(tǒng)上。而事實(shí)上，通過(guò)采取必要的技術(shù)措施及控制手段，其中的30%-50%的能耗是可以節(jié)省下來(lái)的。

一、定速泵與變速泵：

傳統(tǒng)的供熱、空調(diào)系統(tǒng)，是按單獨(dú)質(zhì)調(diào)節(jié)的運(yùn)行方式選擇循環(huán)水泵，選泵的原則是泵的流量不能小于外網(wǎng)的所需流量，一般按照外網(wǎng)理論流量的1.1～1.2倍，揚(yáng)程按管路及用戶總阻力的1.05～1.10倍進(jìn)行選擇，這時(shí)對(duì)應(yīng)的軸功率已大于100%。可見(jiàn)按定流量的運(yùn)行方式，水泵運(yùn)行電耗是很大的。而且?guī)?lái)的調(diào)節(jié)效果也不十分理想。

水泵按定流量的運(yùn)行方式，如圖1：當(dāng)部分負(fù)荷狀態(tài)下，系統(tǒng)所需流量降低，為適應(yīng)其流量變化，需通過(guò)減小閥門(mén)開(kāi)度的調(diào)節(jié)以改變系統(tǒng)特性曲線，即消耗多余的壓頭，浪費(fèi)了大量電能！

除了通過(guò)改變閥門(mén)開(kāi)度完成對(duì)水泵運(yùn)行點(diǎn)的調(diào)節(jié)，我們還可以采用改變泵轉(zhuǎn)速的方法：

由可以看出：當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速改變后泵的性能曲線將同時(shí)改變，而轉(zhuǎn)速將隨頻率[Hz]改變而改變。對(duì)循環(huán)水泵性能分析可知：水泵的流量、揚(yáng)程和軸功率均與水泵的葉輪轉(zhuǎn)速之間存在著一定的比例關(guān)系：

如由此可以看出，水泵的揚(yáng)程與電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比，水泵的軸功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比。即當(dāng)水泵的流量降低20%的時(shí)候，電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)降低20%，水泵的電耗將降低50%；當(dāng)水泵的流量降低50%的時(shí)候，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就降低50%，水泵的電耗降低87.5%。當(dāng)系統(tǒng)需要的流量降低時(shí)，通過(guò)降低轉(zhuǎn)速，相應(yīng)地水泵的流量降低，水泵的軸功率降低，節(jié)約電能效果顯著。并且，由于采用變速調(diào)節(jié)，也避免了采用閥門(mén)調(diào)節(jié)時(shí)不必要的閥門(mén)壓頭損耗。

二、速度控制的原理：

當(dāng)流量降低時(shí)，控制器將檢測(cè)壓力信號(hào)（通過(guò)傳感器或者電機(jī)電流或轉(zhuǎn)速的狀態(tài)）。此時(shí)，控制器將向變頻器發(fā)出一個(gè)信號(hào)，使其降低輸出（較低頻率）直至壓力回到要求的水平（設(shè)定點(diǎn)）。反之，當(dāng)流量再次升高時(shí)，控制器將檢測(cè)到壓力在降低。控制器將向變頻器發(fā)出一個(gè)信號(hào)，使其提高輸出（較高頻率）直至壓力回到要求的水平（設(shè)定點(diǎn)）。

三、變速泵的總體效率

通常人們所指的泵的效率，僅為水泵效率[hp],而嚴(yán)格意義上說(shuō)，我們應(yīng)該衡量的是其總效率：

總體效率[ht]的評(píng)估要同時(shí)考慮電機(jī)效率[hm]、水泵效率[hp]和轉(zhuǎn)化效率[hd]。總體效率是指P1到P4的變化。電機(jī)效率根據(jù)電機(jī)效率等級(jí)（EFF1或EFF2）和電機(jī)負(fù)荷的不同而不同。

何為電機(jī)效率等級(jí)？

美國(guó)國(guó)會(huì)在1997年10月制定和實(shí)施了“能源政策法案”（EPACT），該法案對(duì)高效電機(jī)進(jìn)行了定義。同樣歐盟也有類(lèi)似的定義，歐洲電機(jī)和電力電子制作商協(xié)會(huì)（CEMEP）也對(duì)1.1-90KW，2極和4極范圍內(nèi)的高效電機(jī)制定了低要求的定義。現(xiàn)在CEMEP和EPACT分別是50Hz和60HZ世界上公認(rèn)的高效電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)CEMEP標(biāo)準(zhǔn)，電機(jī)的效率被分為三個(gè)等級(jí)：EFF1-效率等級(jí)；EFF2-中等效率等級(jí)；EFF3-低效率等級(jí)。

Eff1電機(jī)有何優(yōu)點(diǎn)呢？

效率更高

相對(duì)于普通電機(jī)來(lái)說(shuō)，高校意味著對(duì)于相同的能量數(shù)如而言，電機(jī)自身能量損失更少，而輸出更多。同樣，因?yàn)殡姍C(jī)自身能量損失少，在相同工作量所需的能量條件下，電機(jī)輸入的能量就會(huì)減少，從而節(jié)省了能耗和運(yùn)行成本。如圖7，當(dāng)負(fù)荷很低時(shí)（小于25%），意味著效率會(huì)急劇降低。但此時(shí)Eff1電機(jī)效率明顯高于Eff2電機(jī)。

部分負(fù)載時(shí)效率更高

大多數(shù)電機(jī)都很少在100%的滿負(fù)載狀況下工作。因而在非滿負(fù)載的情況下，電機(jī)的標(biāo)稱效率是多少，這一點(diǎn)是很重要的。對(duì)于普通電機(jī)而言，則一般不提供此數(shù)據(jù)，但是EFF1電機(jī)的效率必須是在75%負(fù)載和100%負(fù)載時(shí)的效率。對(duì)于EFF1電機(jī)來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)效率值通常是相同的。

電機(jī)工作溫度低

因?yàn)镋FF1電機(jī)的效率高，有能量損失所產(chǎn)生的熱量非常少，所以工作時(shí)電機(jī)的溫度要比普通電機(jī)的工作溫度低。由此，高效電機(jī)就能夠在更高的環(huán)境溫度下工作，所需的環(huán)境冷卻要求也要比通常使用的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)低。

同樣，受溫度影響的電機(jī)定子繞組的電阻也能保持在正常的范圍內(nèi)，EFF1電機(jī)很少會(huì)出現(xiàn)電機(jī)定子繞組過(guò)熱的現(xiàn)象。這樣，電機(jī)定子繞組絕緣和電機(jī)軸承的使用壽命都會(huì)增加。

噪音低

通常情況下，電機(jī)的噪音主要是由冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的。對(duì)于EFF1電機(jī)，因?yàn)樾矢撸赡芰繐p失所產(chǎn)生的熱量較少，用于降低電機(jī)溫升所需的冷卻空氣也較少。所以大多數(shù)額EFF1電機(jī)的冷卻風(fēng)扇都較小，從而產(chǎn)生的噪音也會(huì)降低。

運(yùn)行成本降低

EFF1電機(jī)能夠節(jié)省能量、減少維修成本和其它的相關(guān)運(yùn)行成本，大大減少了業(yè)主成本。就此而言，EFF1電機(jī)的價(jià)格非常有競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)際上，在正常工作的情況下，增加的采購(gòu)成本在可以不到3年的時(shí)間內(nèi)完全收回。

轉(zhuǎn)化效率

計(jì)算轉(zhuǎn)化效率時(shí)要考慮電機(jī)負(fù)荷和頻率輸出的因素。但當(dāng)負(fù)荷降低至30%時(shí)，效率變化將很大。

水泵效率

泵的效率根據(jù)流量不同而不同。

同時(shí)泵的效率根據(jù)泵的大小而不同，通常來(lái)講大泵會(huì)比小泵效率更高。當(dāng)泵的速度改變時(shí)，泵的效率將同時(shí)改變。如果速度降低小于20％，效率的改變很小。
雖然總效率對(duì)能耗來(lái)講是很重要的，但控制模式卻對(duì)能耗有著更大的影響。下圖展示了不同控制模式下的節(jié)能效果：

四、結(jié)論：

隨著技術(shù)的進(jìn)步，變頻技術(shù)將越來(lái)越多的被人們認(rèn)可和應(yīng)用，配合正確的系統(tǒng)設(shè)計(jì)（如三次泵系統(tǒng)）以及科學(xué)的選泵配泵，在使用戶感受到更高舒適性的同時(shí)，得到更加明顯的節(jié)能效果。

上海帕特泵業(yè)制造有限公司

2012年08月02日星期四

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