关键词 水泵 设计电功率 运行耗电量 大流量 变频调速 强化管理 节能运行
1 序言
根据全国第三次工业普查公布的统计数字，我国风机消耗压缩机类通用机械总装机容量为1.6亿kW，其中风机约为4900万kW，水泵约为1000万kW，年耗电3200亿kWh，占全国耗电总量约1/3，占工业用电量的40%，在国民经济中举足轻重，节能潜力很大。
北京合理用能评估中心在《北京地区公用建筑空调调查报告》中指出，1999年，北京市空调制冷的装机容量约为200×104Rt夏季空调及制冷用电量约占全市总用电量的15%～20%。其中冷冻水泵用电量约占电制冷机用电量的8%～12%，冷却水泵用电量约为12%～15%。预计北京市公用建筑每年增加空调制冷能力约50×104Rt，增加制冷空调电功率约40×104kW，其中泵电功率约5×104～6×104kW。上述数据表明水泵装机容量及年耗电量很大，与一些相关标准比较，差距较大，因此，节能潜力很大。
根据"三北"地区29个大、中城市锅炉供暖期实际能耗调查：单方实耗标准煤矿，最高64.9kg/m2，最低19 kg/m2;单方实耗电，最高5.6 kWh /m2，最低2.4 kWh /m2；单方实耗水最高0.34t/ m2,最低0.07 t/ m2。表1是北京市供热电耗指标。说明供热系统电耗较大，节电潜力很大。
电耗指标[kWh/( m2·a)] 表1
《民用建筑节能设计标准》规定，供热系统中循环水泵的电功耗一般应控制在单位建筑面积0.35～0.45W/m2的范围内，实际上约为0.5～0.6 W/m2,甚至高达0.6～0.9 W/m2。
以上数据表明，供热空调泵系统存在设计电功率容量偏大，运行耗电量较高的问题，而泵的电耗在空调供热系统能耗中占的比重也较大，设计泵电功率容量大要求增大发电容量，增大峰谷差；运行耗电量大意味着发电煤耗的增大和污染物排放量的增大；容量增大使初投资加大，运行电耗增大使耗电费增多，两者都提高了空调供热运行成本，加大了热（冷）费用和用户的负担。为此，必须了解空调供热泵容量和能耗增大的原因，探讨泵节能的方法，并从设计、运行和设备上提出改进的措施。
2 空调供热泵电耗在的原因分析
2．1 设计泵功率大的原因
从泵轴功率 
可知，影响泵功率的主要因素是流量V(m3/min)，扬程H（m）和泵效率η(%)。
（1）设计热（冷）负荷偏高，造成热（冷）水流量偏大。从 可知，设计热（冷）负荷Q和供回水温差Δt是计算流量的主要依据。
"三北"地区各城市，在以往的供热设计中，设计热指标值均较高。如沈阳市计热指标选用的平均值为88W/m2 [76kcal/(m2·h)]，而实测值约为52～58 W/m2 [45～50kcal/(m2·h)]；北京过去一般取70～81 W/m2 [60～70kcal/(m2·h)]，而实测值约为46～58 W/m2 [40～50kcal/(m2·h)]等。热负荷基数偏大，热水流量增大水泵选用偏大，增大了泵初投
资，降低了泵运行效率，加大了运行成本，浪费了电能。
北京市宾馆类建筑设计单位面积冷负荷指标为90～130 W/m2 ，而实测值约为50～80 W/m2，制冷机配置容量过大，不仅增加了冷却水泵和冷冻水泵的流量（见表2）和电气导设备安装容量和造价，而且也会造成泵电气设备的闲置和系统的低效运
行。
消耗设计流量与实际需要流量 表2
（万m2） 单位建筑面积设计冷冻水流量
[kg/(m2·h)] 单位建筑面积实际冷冻水流量
[kg/(m2·h)] 实际/设计
（%） 1 3.3 22 15 68 2 6.0 24 12 50 3 8.7 17 9 53 4 3.5 21 11 52
(2)扬程选择过高，造成选用泵偏大
供热系统设计时，二次网循环系统实际扬程一般约为150～300kPa，但水泵选型时，扬程值一般为400～600kPa，水泵电功率与扬程成正比关系，扬程偏高导致水泵电气容量增大。
空调系统的冷却泵和冷冻泵扬程选择过大也是一个非常普遍的问题。如果办公大楼，制冷量为355Rt，设计冷却水量为300t/h，扬程55m，但实测冷却水泵扬程约为20～25m，节流阀门消耗了34m，即冷却水泵的70%的能量消耗在阀门上。
（3）一些国产水泵属低效产品，新设计制造的泵或国外引进的泵，效率较高，一般效率提高10%～20%，电动机一般提高1%～5%。效率的提高往往是指其额定工作点的75%附近。但实际工况常常偏离高效率点，的以实际运行效率还是较低。
2．2 泵运行耗电量大的原因
从热（冷）水泵运行期耗电量 可知，水泵轴功率和运行期延时小时数是影响泵运行耗电量大的主要原因，而泵的流量、扬程和运行效率又直接影响轴功率。
（1）大流量运行方式增大了泵的运行功率
为了解决热网水平失调带来的用户冷热不均的问题，许多供热系统采用了"大流量、小温差"的运行方式。如住宅间接供暖的二次循环水泵或直接供暖的一次水循环水泵流量，单位建筑供暖面积约为2～3kg/h，实际运行达到3～5kg/h，流量大，加大了泵的设计电功率容量；流量大，增加了泵的运行功率，降低了供、回水温差，温差从25℃降至5～10℃。住宅间接供暖的一次水循环水泵流量，单位建筑供暖面积约为1.3kg/h，实际为2～3kg/h。流量大使供、回水温差从设计值45℃降至于15～20℃，增加了泵的运行功率。
由于热（冷）水流量与水泵轴功率成三次方关系，流量的增加，将带来耗电量的增大。例如，一般建筑面积3.0万m2供热系统循环水泵的电功率约为15～30kW之间，若系统循环水量提高1.4倍，则消耗电功率提高2.74倍，达41～82kW。
（2）水泵运行在低效率区，增大了无效能耗
泵的工作点指的是运行时水泵的流量和扬程，它是由泵的性能曲线和水系统管网特性曲线两方面因素确定的点。
目前，泵运行时的流量和扬程比要求的大得多，消耗的功率也比预想的大得多。如图1所示，水泵工作点（Q2、H2）大于设计水量Q1、设计扬程H1，图中（Q1、H1）点是"理想状态"，水泵处于低效运行区，增大了无效运行范围。
图1 现有设备的运行状态
（3）定流量运行方式增大了水泵运行电耗
一般供热系统平均负荷率约为0.6～0.7。空调系统平均负荷率一般约为0.3～0.35，北京地区98%的时间负荷率均在70%以下。但水泵为恒速泵。为了适应负荷的变化，流量的调节依靠阀门来实现，采用这种方法，如果要求把流量调至额定流量一半，Q1=（1/2）QH，系统的能耗大致与额定状况下的能耗（QH）相同。
图2表示通过调节供水侧阀门开度的方法调节水量。从图中可知，通过水量的调节减少了泵所耗功率，但，由于增加了泵的运行压力，又产生了新的无用运行范围。
图2 调节阀门改变流量
（4）并联运行方式增加了水泵运行电耗
"一机对一泵"的运行模式是供热空调水系统中一次泵普遍选用的运行模式。如图3所示，当相同特性的2台泵并联运行时，流量与扬程及耗电功率都增加了，变化的多少与管网的特性曲线有关，管网阻力越大时，流量、扬程增加的较少。
图3 相同特性泵的并联运行
（5）空调供热水系统一般采用一级泵系统，节电效果不明显。
空调供热水系统的冷（热）源要求定流量运行，末端设备要求变流量运行。一级泵系统的特点是利用一根旁通管来保持冷（热）源侧定流量，而让用户处于变流量运行，当用户负荷变化需水量减小时，部分冷冻水旁通，但这并不影响通过水泵的总水量，水泵扬程也保持不变，所以其水泵耗电功率不变。
二级泵系统由两个环路组成，一次环路定流量运行，二次环路变流量运行，节电效益非常明显。
国内电动机拖动系统运行效率低，先进技术推广应用面窗，远不如国外经济发达国家。特别是国内的泵类系统中老产品、低效产品尚占50%以上，系统的平均运行效率约为40%～50%。
3 空调供热泵的节能
使空调供热泵能耗偏大的原因有设计造成的、运行形成的和泵本身等。因此，应从设计、运行和提高泵的性能等方面进
行。
3．1 严格按照水输送系数的要求确定水泵的型号
建设部1986年批准颁布的《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》中规定的控制指标为：设计选用的水泵水输送系统WTF应大于、等于设计计算条件下（供、回水设计温度为95/70℃）的理论水输送系数（WTF）th的0.6倍，即WTF≥0.6(WTF)th。
水输送系数的定义是：循环水泵单位电耗（1kWh）所能输送出的热媒供热量。
设计水输送系数 ：全日设计供热量：Nq：全日水泵输送热媒的设计耗电量。
设计条件下的理论水输送系数（WTF）th见表3。
0.6(WTF)th 表3
按上述标准，一个约9.0万m2供热系统的循环水泵的轴功率不得超过32kW。
3．2 采用先进的泵的性能调节方法
（1）传统的泵性能调节方法
以往，采用改变叶轮外径或采用减速机改变转速等方法来改变泵的性能，表4为泵性能改变的情况。
泵性能的改变 表4
从表4可知，理论上泵的性能调节是非常简单的，但，实际上尚存在许多问题，例如，在改变叶轮外径时，可能出现的问题：
1）必须拆下叶轮，停泵时间较长；
2）叶轮可能出现重量不平衡，产生异常振动；
3）加工量大时，泵的效率下降，甚至产生噪声；
（2）当需要增加负荷时，则不能恢复到原来的性能。
设置减速机时，必须修改基础。
（3）变频器的应用
多年来已经研制出多种交流电动机调速装置，如定子调压调速、变极调速、滑差调速、电磁耦合器调速、串级调整、整流子电机调速和液力耦合器调速等。但上述调速方式仍存在调速范围窄等缺点。随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，作为交流调速中心的变频调速技术得到了显著的发展。这种调速方式具有节能，调速范围大（从1：00～1：1000），易于实现正、反转切换，起动电流小和结构简单、运行安全可靠的优点。
我国变频调速装置的市场售价是800～1500元/kW，大致是被控制调速的电动机自身价格的8～12倍，投资回收期短，一般为1～2年。
变频调速系统中交流电动机和变频调速装置的发展，随着技术水平的提高，当前国内外都在开展诸如变频调速专用异步电动机这类的高效运行电动机的研究，使电动机适应驱动装置的特点，因此电动机的功率密度可提高20%，功率因数可提高5个百分点，平均效率可提高3%。随着电力电子技术、计算机技术、控制技术的发展，变频器的功能、性能得到了很大的提高。根据其性能及控制方式可分为：通用型、多功能型、高性能型，其控制方式也依次为v/f控制、电压型PWM控制、矢量控制等。
图4表示的是泵的运行时间较长、出力较大的循环泵的性能，泵出口口径100mm，4极单吸离心泵，轴功率15kW，运行时间24h×355日，配管阻力约为扬程的50%。采用变频调速运行方式后，计算节电量约为47%。实际运行时的节电量也能达到35%。见表5。
图4 节能效果
节电量计算值 表5
表示设计流量的百分比 转速比 轴功率
（kW） 耗电量
（kWh/年） 节约电量
(kWh/年） 现状流量 现状阀门开度（全开） 1850(1.23) 1.0 13.5 115000 0 设计流量运行点 1500(1.00) 0.81 7.2 61300 53700 改变流量时 -10% 1350(0.9) 0.73 5.2 44300 70700 -20% 1200(0.8) 0.65 3.7 31500 83500 -30% 1050(0.7) 0.57 2.5 21300 93700
3.3 强化管理，实施泵系统的经济运行和节能运行
（1）管理标准：中华人民共和国国家标准《泵类系统电能平衡的测试与计算法》（GB/T 13468）。《工业用离心泵、混流泵、轴流泵与旋涡泵系统经济运行》（GB/T 13469-92）。
（2） 测试系统图（5）
（3）测试项目与内容：包括泵系统输入电能和有功功率；电动机输出能量、功率和运行效率；机械传动机械和调速装置的能量损耗和传动效率；泵输入能量和功率；泵输出的能量、有效功率和运行功率；机组运行效率、电能利用率；系统管网的能量损耗和效率；泵系统运行效率、电能利用率。
（4）系统经济运行和节能运行的技术要求：包括系统的机组设备必须达到选型优化、匹配合理；交流电动机的选型必须符合GB 12497的要求；泵的选型要求；管网设置要求和系统运行要求等。
（5）系统经济运行的判别与评价（见表6）
图5 测试系统图
系统经济运行判别与评价① 表6
的判别指标 对现有机组设备
的差别指标 对管网的判别指标 对系统运行
的判别指标
现有机组额定效率÷节能型产品机组额定效率×100
现有机组实测电有利用率÷现有机组额定电能利用率×100
管网电能利用率÷管网额定电能利用率×100
实际单位电耗÷电耗定额×100
优良
>90
>85
>80
>100
合格
≥80～90
≥70～85
≥70～80
=100
不合格
<80
<70
<70
>100
① 摘自《供热节能国家标准行业标准汇编》
（6）系统经济运行的管理。包括掌握与运行有关的工况因素，了解系统中机组管网是否经常处于经济运行状态；在泵机组和管网的有关部位安装流量、压力流量仪表，监视系统运行情况；建立运行日志和设备技术档案；建立系统运行操作规程、事故处理规程、用电考核制度、检测维修制度。
（7）系统经济运行、节能运行的技术措施
3．4 选用高效、可靠、耐用、维修量少的水泵
有许多资料表明：水泵投资占公用建筑空调系统总投资的0.5%～1%，水泵电功率约为空调总电功率的15%～20%（约为5～6W/m2）而冷冻水泵的耗电量为空调系统总能耗的8%～12%，冷却水泵的耗电量约为12～15%。投资少、能耗大是水泵输送系统的特点，因此，即使稍微增加一些水泵投资，也应通过选用高效、可靠、耐用的泵，降低运行电耗，提高运行效率。
同样，也有许多资料表明：水泵投资约占锅炉房供热系统总投资的4%，但在运行成本中，电费约为10%～15%。高效泵虽然价格稍贵些，但为了可靠、安全供热，为了降低运行成本，从投入产出比上看，也是非常合理的。
4 小结
本文介绍了供热空调系统运行中存在水泵耗能量较大，运行效率较低的问题：初步分析了能耗较大的原因；提出了要从设计、先进调速方法、管理、设备等各方面采取相应措施、降低能耗、提高效率。由于水泵节能牵涉到设计、施工、运行和生产厂家等各个方面只有大家都重视，才能达到预计的节能目标。虽然，作者了解的情况不多，分析问题也不够，但写这篇文章的目的，主要是引起大家的重视。
参考文献
1 北京合理用能评估中心，北京地区公用建筑空调调查报告，2001
2 中国建筑学会暖通空调专业委员会，全国暖通空调制冷2000年学术年会论文集
3 建筑节能专业委员会，建筑节能技术，1996
4 石兆玉，供热系统运行调节与控制，1992
5 建设部城市建设研究院，城市供热节能国家标准行业标准汇编，1999
6 日本省ユネㄦギ，1999（临时增刊），水泵的节能
7 国家经贸委节能信息传播中心，交流电动机变频调速节能技术指南，2001
