建筑給水系統(tǒng)水泵節(jié)能優(yōu)化與工程應(yīng)用

魏天云

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院道路工程系，福建福州350007)

隨著土地供應(yīng)的緊張，高層建筑越來(lái)越多，建筑供水系統(tǒng)的能耗也隨之增多，在能源相對(duì)不足的情況下，考慮節(jié)能降耗措施顯得尤為重要，也促使供水新技術(shù)和新設(shè)備發(fā)展迅速[1-4]。目前建筑給水系統(tǒng)的節(jié)能途徑可從以下幾個(gè)角度考慮：如利用電動(dòng)機(jī)以及輸變電系統(tǒng)節(jié)能、水泵節(jié)能、管理優(yōu)化節(jié)能等。

1 供水系統(tǒng)水泵電動(dòng)機(jī)以及輸配電系統(tǒng)節(jié)能

1.1 水泵電動(dòng)機(jī)的節(jié)能

為了確保供水系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)節(jié)能，首先要合理地確定電動(dòng)機(jī)型號(hào)，然后選擇合適的電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置以及電動(dòng)機(jī)繞組的接線法等。

電機(jī)和水泵配套時(shí)，其功率的計(jì)算公式如下：

(1)

其中，P表示電機(jī)的功率，單位是kW；k表示電機(jī)的備用系數(shù)，一般取1.05～1.2；N表示水泵工作范圍內(nèi)最大軸功率，單位是kW；η1表示電機(jī)效率，單位是%；γ表示水的容重，單位是N·m-3；Q表示水泵工作范圍內(nèi)最大軸功率對(duì)應(yīng)的流量，單位是m3·h-1；H表示水泵工作范圍內(nèi)最大軸功率對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程，單位是m；η2表示水泵工作范圍內(nèi)最大軸功率對(duì)應(yīng)的效率。

由公式(1)可以看出，電動(dòng)機(jī)和水泵的效率越低，電動(dòng)機(jī)所需輸入功率越大，即電動(dòng)機(jī)的能量損耗隨著水泵和電動(dòng)機(jī)效率降低而增加，所以，水泵和電動(dòng)機(jī)的效率要選擇較高的，并保證它們之間互相匹配。

1.2 水泵輸配電系統(tǒng)節(jié)能

1.2.1 確定供水系統(tǒng)變壓器臺(tái)數(shù)和容量

只有變壓器在高效率區(qū)間運(yùn)行，消耗的能量才是最少的，從而確保電網(wǎng)的運(yùn)行比較經(jīng)濟(jì)節(jié)能。在低壓電網(wǎng)中，配電變壓器處于正常高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件下，才能做到有效的節(jié)能降耗。建筑供水系統(tǒng)中普遍應(yīng)用站變合一的方式，這樣可以使低壓線路損耗降到最低。若選擇小容量的配電變壓器，則配電變壓器的負(fù)荷增加，超過(guò)了其承載能力，會(huì)加大對(duì)電網(wǎng)的損耗，并且會(huì)使其絕緣壽命縮短；如果采用的配電變壓器的容量較大，不能完全發(fā)揮其效益，也會(huì)增大配電網(wǎng)的損耗。

處于額定容量的配電變壓器，其運(yùn)行效率不一定最高，也不是最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。一般情況下，如果配電變壓器在0.5Se～0.75Se之間運(yùn)行(Se為變壓器空載損耗)，其經(jīng)濟(jì)效益最佳。子母變供電一般適用于負(fù)荷出現(xiàn)較大波動(dòng)的情況下。若負(fù)荷較小，依據(jù)負(fù)荷大小選擇小容量變壓器或者大容量的變壓器；負(fù)荷較大時(shí)，采用并聯(lián)運(yùn)行的方式。其次，變壓器負(fù)載率(一般在0.45～0.5左右)可以根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的需要以及變壓器效率曲線確定。只有處于高效運(yùn)行狀態(tài)的變壓器，損耗才能降低，有利于節(jié)能。

1.2.2 增加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的數(shù)量，提高供水系統(tǒng)的功率因數(shù)

水泵、電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、空調(diào)以及照明等是建筑供水系統(tǒng)的主要設(shè)備，其中水泵與風(fēng)機(jī)等是三相設(shè)備，單相設(shè)備(主要包括空調(diào)、照明、風(fēng)扇等)在使用時(shí)，很難控制其三相平衡，此時(shí)不能用固定補(bǔ)償?shù)姆椒?，必須選擇無(wú)功分相自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?。為了降低建筑供水系統(tǒng)中的電能損耗，可以將電焊機(jī)以及異步電動(dòng)機(jī)等設(shè)備分散補(bǔ)償，從而降低配電裝置以及變壓器上的無(wú)功消耗。

2 水泵節(jié)能

建筑供水系統(tǒng)中最主要的設(shè)備是水泵，因此，為了更好地控制運(yùn)行費(fèi)用，節(jié)能降耗，必須重視水泵的選型、水泵節(jié)能技術(shù)的開發(fā)以及變頻調(diào)速泵的合理利用，從而提高經(jīng)濟(jì)效益[5-6]。

2.1 水泵選型上的節(jié)能

整個(gè)高層建筑給水系統(tǒng)的能耗直接受水泵的能耗影響。合理設(shè)計(jì)水泵的能耗需從以下三方面考慮：水泵要運(yùn)行在高效區(qū)間；水泵設(shè)定的揚(yáng)程和流量必須滿足用戶用水的需求；水泵之間以及與其它設(shè)備必須要匹配[7-8]。所以，為了降低供水系統(tǒng)中水泵的能耗，必須將以上三者有機(jī)聯(lián)系起來(lái)考慮。供水系統(tǒng)中的恒速泵一般是按最不利工況來(lái)設(shè)計(jì)的，這樣容易造成水量以及電能浪費(fèi)問(wèn)題，可以優(yōu)先考慮采用高效節(jié)能的變速水泵，通過(guò)合理設(shè)定水泵參數(shù)優(yōu)化調(diào)配來(lái)解決。

2.2 水泵更新上的節(jié)能

如果水泵的運(yùn)行期間不能滿足設(shè)計(jì)點(diǎn)的要求，則會(huì)造成大量的能量白白浪費(fèi)。這可能與水泵本身的工作狀態(tài)或者建筑住宅用戶用水量狀態(tài)的改變有關(guān)。此時(shí)，要針對(duì)具體情況采取措施，如果是水泵本身的工作狀態(tài)改變引起的，可以采用更換、切削葉輪的措施；如果是建筑住宅用戶用水量狀態(tài)的改變引起的，可以考慮選擇新的水泵，確保水泵處于高效的運(yùn)行狀態(tài)，從而滿足用戶的用水需求。

2.3 水泵調(diào)速節(jié)能

供水系統(tǒng)中水泵的運(yùn)行效率在大多數(shù)時(shí)間里都較低，這是由于供水流量與設(shè)計(jì)秒流量之間的偏差太大，一般技術(shù)人員根據(jù)住宅的設(shè)計(jì)秒流量選擇水泵的類型?，F(xiàn)代發(fā)展的變頻調(diào)速泵可以滿足揚(yáng)程與流量變化較大的場(chǎng)合，改變了原先僅從葉輪考慮的措施，做到節(jié)能降耗。

3 水泵管理優(yōu)化節(jié)能

為了減少不必要的能量損耗，除了考慮選型以及運(yùn)行兩個(gè)方面的因素，水泵的優(yōu)化管理措施也不可忽略，具體可以從以下兩個(gè)方面著手。

3.1 對(duì)水泵進(jìn)行定期檢查

應(yīng)定期檢查水泵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修理，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)必須嚴(yán)格按照規(guī)范操作；同時(shí)定期檢查水泵的葉輪、填料、口環(huán)、軸承以及地腳螺栓等。有些水泵使用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，為確保水泵處于高效運(yùn)行狀態(tài)，減少能耗，需盡量減少水泵內(nèi)部零件的摩擦磨損，已經(jīng)磨損的零件要及時(shí)更換。

3.2 注重水泵的維護(hù)與保養(yǎng)

因?yàn)樗霉ぷ鲿r(shí)的運(yùn)行速度較高，在水泵電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行之前必須徹底對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行清潔，包括水泵的配件，如軸承等，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以將熱量迅速地散發(fā)出去，保證水泵的正常運(yùn)行。應(yīng)采用防水耐高溫的潤(rùn)滑油脂，并且定期更換潤(rùn)滑脂，確保軸向位置不變。在運(yùn)行中應(yīng)按柴油機(jī)最佳提前角供油，保證噴霧質(zhì)量，控制冷卻水溫等，以提高柴油機(jī)的燃油效率。

4 工程實(shí)例分析

4.1 工程概況

本文在我國(guó)東南沿海H城市郊區(qū)的某住宅小區(qū)工程，選取兩棟體型完全一致的住宅樓A1棟和A2棟進(jìn)行水泵能耗對(duì)比分析。其工程概況為地下3層、地上33層的高層住宅建筑，工程全部完工的工期預(yù)計(jì)兩年時(shí)間。

4.2 水泵改造前后節(jié)能效果分析

為保證數(shù)據(jù)的可對(duì)比性，兩棟建筑的施工技術(shù)、施工方法完全一樣，并進(jìn)行同步施工。在住宅建筑施工過(guò)程中，供水方式采用臨時(shí)消防用水和施工用水合二為一，其中A1棟采用額定功率為40 kW的傳統(tǒng)水泵，未采取任何的節(jié)能改造措施；A2棟選用的水泵與A1棟的型號(hào)相同，但增加了變頻器和自動(dòng)化控制設(shè)備，造價(jià)約2.5 萬(wàn)元，改進(jìn)后的供水設(shè)施具有自動(dòng)調(diào)節(jié)供水量的功能。為了方便兩臺(tái)水泵運(yùn)行節(jié)能效率的計(jì)算，分別在兩棟樓水泵的線路上安裝電能表來(lái)記錄用電度數(shù)。

整個(gè)施工工期結(jié)束，根據(jù)電能表記錄的數(shù)據(jù)顯示，A1棟水泵的耗電量為115 000 kW·h，A2棟水泵的耗電量為54 000 kW·h。當(dāng)年該地區(qū)工業(yè)用電的價(jià)格為 0.9 元/(kW·h)，通過(guò)計(jì)算，不考慮水泵運(yùn)行過(guò)程的維修費(fèi)用，A1棟水泵的運(yùn)行費(fèi)用為10.35 萬(wàn)，A2棟水泵的運(yùn)行費(fèi)用為4.86 萬(wàn)元。可以看出，經(jīng)過(guò)節(jié)能改造后的水泵，其運(yùn)行費(fèi)用兩年共節(jié)省5.49 萬(wàn)元，節(jié)能效率達(dá)到 53.04%。若不考慮市場(chǎng)通貨膨脹等因素影響，前期節(jié)能改造投資費(fèi)用回收周期為1年。

5 結(jié)論

從水泵節(jié)能改造前后的數(shù)據(jù)分析中可以看出，采用先進(jìn)的變頻器和自動(dòng)化控制設(shè)備，使水泵與電動(dòng)機(jī)更加匹配，可延長(zhǎng)水泵的使用壽命，保證水泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)間，節(jié)電節(jié)能效果顯著；同時(shí)，先進(jìn)的管理模式有助于提高建筑企業(yè)的自動(dòng)化和信息化水平，對(duì)降低施工過(guò)程的能耗和成本起到重要作用。