4  不同水系統的節能分析

4.1  供水系統在實現變頻調速后的節能效果

        (1)  供水系統的工作點

(a)  供水系統的工作點           (b)  調速的節能效果

圖4  供水系統的工作點與調速節能

    供水系統中，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)  調速與節能

        供水系統可以通過調節水泵的轉速來調節流量，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便是節約的供水功率ΔP。

        圖4(b)還表明，在閥門全開的狀態下，供水系統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，供水系統的調速范圍，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：在分析變頻調速的節能效果時，通常是和調節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

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

        ②  變頻調速恒壓供水系統是通過PID調節功能來實現的。并且，由于受到實際揚程和管網中其他因素的限制，變頻器的下限頻率不可能很低，所以，轉速的允許調節范圍是不大的。如果在調速的同時，也調節閥門開度的話，就節能效果而言，意義似乎不大。

4.2  循環水系統在實現變頻調速后的節能效果

(1)   循環水系統的特點

       (a)  循環水系統                 (b)  等效管路

圖5  循環水系統的特點

    循環水系統的典型例子是中央空調的冷凍水系統，如圖5(a)所示。其等效管路如圖5(b)，它相當于一個聯通器，在靜止狀態下，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能效果將十分顯著。

    ②  因為H_A=0，故轉速的調節范圍將十分寬廣，根據實踐經驗，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系統的冷凍水和冷卻水的變頻調速系統時，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常常根據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生變化。對此，控制方法之一是通過變頻調速實現“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）得到調整。

圖6  恒壓差控制的循環水系統

    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變為圖6(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調節功能適當地降低輸出頻率，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，節約功率與面積BNACXD成正比。可見，節能效果是十分明顯的。事實上，筆者曾參與過5家高樓中央空調冷凍水與冷卻水系統的變頻調速改造，多數回收設備投資的時間不足半年，深受好評。

5  結語

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

        (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，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；而水路系統的空載功率則還和實際揚程的大小有關。