4  不同水系统的节能分析

4.1  供水系统在实现变频调速后的节能效果

        (1)  供水系统的工作点

(a)  供水系统的工作点           (b)  调速的节能效果

图4  供水系统的工作点与调速节能

    供水系统中，扬程特性与管阻特性的交点，便是其工作点。

    如图4(a)，曲线①是在额定转速下的扬程特性；曲线②是在阀门全开状态下的管阻特性。交点N便是工作点，这时，流量为Q_N，扬程为H_N。供水功率P_N与面积OANB成正比。

        (2)  调速与节能

        供水系统可以通过调节水泵的转速来调节流量，如图4(b)所示。当转速下降为ｎ_X时，扬程特性下移为曲线③，系统的工作点移至X点。这时，流量为Q_X，扬程为H_X。供水功率P_N与面积OCXD成正比。与图4(a)相比，面积DXCANB便是节约的供水功率ΔP。

        图4(b)还表明，在阀门全开的状态下，供水系统的最大扬程是水泵的额定扬程H_N；最小扬程是实际扬程H_A。因此，供水系统的调速范围，将取决于额定扬程和实际扬程的差值ΔH：

        ΔH=H_N-H_A                                  (12)

        需要说明的是：在分析变频调速的节能效果时，通常是和调节阀门开度的方法相比较而言的。对此，在许多文章中，已有相当详尽的论述，本文不再赘述。

        (3)  关于恒压供水系统

        ①  变频调速恒压供水系统是以管路中的阀门全开为前提的。迄今为止，这样的系统并不少见，笔者曾参与过不少大楼和小区的恒压供水工程，无一例外。各种杂志上介绍的许多关于恒压供水系统实现变频调速的经验，也基本如此。

        ②  变频调速恒压供水系统是通过PID调节功能来实现的。并且，由于受到实际扬程和管网中其他因素的限制，变频器的下限频率不可能很低，所以，转速的允许调节范围是不大的。如果在调速的同时，也调节阀门开度的话，就节能效果而言，意义似乎不大。

4.2  循环水系统在实现变频调速后的节能效果

(1)   循环水系统的特点

       (a)  循环水系统                 (b)  等效管路

图5  循环水系统的特点

    循环水系统的典型例子是中央空调的冷冻水系统，如图5(a)所示。其等效管路如图5(b)，它相当于一个联通器，在静止状态下，两侧管路的水位永远是相同的。在水泵运行时，所需的实际扬程HA=0。由此而引起的结果是：

    ①  式(11)中的空载功率PA所占的比例将很小，故平均转速下降后的节能效果将十分显著。

    ②  因为H_A=0，故转速的调节范围将十分宽广，根据实践经验，最低工作频率甚至可达15Hz以下。

    笔者在承接一个二十层高楼的中央空调系统的冷冻水和冷却水的变频调速系统时，曾有人怀疑：频率下降后，冷冻水会不会上不去？但后来的实践证明，上述疑虑是完全多余的。

    (2)  冷冻水的恒压差控制

    ①  恒压差控制要点。某些宾馆的冷冻水系统常常根据旅客的入住率而将部分无人入住楼层的冷冻水阀门关闭，使水泵进水侧和出水侧之间的压力差发生变化。对此，控制方法之一是通过变频调速实现“恒压差控制”。

    如图6(a)和6(c)所示，压力传感器SP1和SP2分别测定水泵的进水压力和出水压力，测得的信号接至压差控制器，将两者的压力之差转换成电流信号X_F，作为反馈信号接至变频器。使变频器的输出频率（从而水泵的转速）得到调整。

图6  恒压差控制的循环水系统

    ②  入住率较高时的情形。入住率较高时，假设水泵运行在额定转速下。扬程特性为曲线①，管阻特性为曲线②，系统的工作点为N点。这时：

    a  扬程为额定扬程H_N；

    b  流量也是额定流量Q_N；

    c  水泵的输出功率与面积OANB成正比。

    ③  入住率较低时的情形。当入住率较低时，将关闭一个楼层。管阻特性由图6(b)中的曲线②变为图6(d)中的曲线③，工作点移至S点。这时：

    a  扬程将因管路“变窄”而升高至H_S；

    b  流量下降为Q_S，由于流速加快，故流量不会下降一半；

    c  由于水泵转速仍为额定转速，水泵的供水能力大于管路流量，故出口压力上升，压差升高。

    ④  恒压差控制的结果。变频器在得到压差偏大的信号后，将通过PID调节功能适当地降低输出频率，使水泵的转速下降，从而保持压差的恒定。如图6(d)所示，水泵的转速下降后，扬程特性将下降为曲线④，工作点移至X点。这时：

    a  扬程将降低为H_X；

    b  流量减小为Q_X，由于用水管路减少了一半，故Q_X也应等于额定流量的一半；

    c  压差恢复到与图6(a)时相等，即实现了恒压差控制；

    d  水泵的输出功率与面积OCXD成正比，与图6(c)相比，节约功率与面积BNACXD成正比。可见，节能效果是十分明显的。事实上，笔者曾参与过5家高楼中央空调冷冻水与冷却水系统的变频调速改造，多数回收设备投资的时间不足半年，深受好评。

5  结语

        (1)  水泵运行系统属于电力拖动系统的一种，对其运行状态的分析必须符合电力拖动的相关规律。

        (2)  水路中流体的流动和电路中的电流确有相似之处。但是电路服从于欧姆定律，由于电阻通常是常数，故电流与电压之间呈线性关系；而水路服从于伯努利方程，且管阻特性是非线性的，故水路和电路不能简单地类比。

        (3)  必须注意水泵的空载功率与水路系统空载功率的概念：

        ①  两者都是输出流量等于0时的功率损耗，这是它们的相同之处。

        ②  水泵的空载功率主要由水泵和传动机构的摩擦损失等构成；而水路系统的空载功率则还和实际扬程的大小有关。