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，高層建筑越來越多，建筑供水系統(tǒng)的能耗也隨之增多，在能源相對不足的情況下，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角度考慮：如利用電動機以及輸變電系統(tǒng)節(jié)能、水泵節(jié)能、管理優(yōu)化節(jié)能等。

1 供水系統(tǒng)水泵電動機以及輸配電系統(tǒng)節(jié)能

1.1 水泵電動機的節(jié)能

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

電機和水泵配套時，其功率的計算公式如下：

(1)

其中，P表示電機的功率，單位是kW；k表示電機的備用系數(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)最大軸功率對應(yīng)的揚程，單位是m；η2表示水泵工作范圍內(nèi)最大軸功率對應(yīng)的效率。

由公式(1)可以看出，電動機和水泵的效率越低，電動機所需輸入功率越大，即電動機的能量損耗隨著水泵和電動機效率降低而增加，所以，水泵和電動機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)變壓器臺數(shù)和容量

只有變壓器在高效率區(qū)間運行，消耗的能量才是最少的，從而確保電網(wǎng)的運行比較經(jīng)濟節(jié)能。在低壓電網(wǎng)中，配電變壓器處于正常高效經(jīng)濟運行條件下，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，超過了其承載能力，會加大對電網(wǎng)的損耗，并且會使其絕緣壽命縮短；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，也會增大配電網(wǎng)的損耗。

處于額定容量的配電變壓器，其運行效率不一定最高，也不是最經(jīng)濟的運行方式。一般情況下，如果配電變壓器在0.5Se～0.75Se之間運行(Se為變壓器空載損耗)，其經(jīng)濟效益最佳。子母變供電一般適用于負(fù)荷出現(xiàn)較大波動的情況下。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，采用并聯(lián)運行的方式。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 增加無功補償設(shè)備的數(shù)量，提高供水系統(tǒng)的功率因數(shù)

水泵、電動機、風(fēng)機、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，很難控制其三相平衡，此時不能用固定補償?shù)姆椒ǎ仨氝x擇無功分相自動補償?shù)姆椒ā榱私档徒ㄖ┧到y(tǒng)中的電能損耗，可以將電焊機以及異步電動機等設(shè)備分散補償，從而降低配電裝置以及變壓器上的無功消耗。

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，為了更好地控制運行費用，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)濟效益[5-6]。

2.1 水泵選型上的節(jié)能

整個高層建筑給水系統(tǒng)的能耗直接受水泵的能耗影響。合理設(shè)計水泵的能耗需從以下三方面考慮：水泵要運行在高效區(qū)間；水泵設(shè)定的揚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聯(lián)系起來考慮。供水系統(tǒng)中的恒速泵一般是按最不利工況來設(shè)計的，這樣容易造成水量以及電能浪費問題，可以優(yōu)先考慮采用高效節(jié)能的變速水泵，通過合理設(shè)定水泵參數(shù)優(yōu)化調(diào)配來解決。

2.2 水泵更新上的節(jié)能

如果水泵的運行期間不能滿足設(shè)計點的要求，則會造成大量的能量白白浪費。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，要針對具體情況采取措施，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)中水泵的運行效率在大多數(shù)時間里都較低，這是由于供水流量與設(shè)計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)計秒流量選擇水泵的類型。現(xiàn)代發(fā)展的變頻調(diào)速泵可以滿足揚程與流量變化較大的場合，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行兩個方面的因素，水泵的優(yōu)化管理措施也不可忽略，具體可以從以下兩個方面著手。

3.1 對水泵進行定期檢查

應(yīng)定期檢查水泵電動機的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問題及時修理，電動機的啟動、運行、停機必須嚴(yán)格按照規(guī)范操作；同時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驅(qū)動，為確保水泵處于高效運行狀態(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)磨損的零件要及時更換。

3.2 注重水泵的維護與保養(yǎng)

因為水泵工作時的運行速度較高，在水泵電動機開始運行之前必須徹底對電動機進行清潔，包括水泵的配件，如軸承等，使電動機運轉(zhuǎn)時，可以將熱量迅速地散發(fā)出去，保證水泵的正常運行。應(yīng)采用防水耐高溫的潤滑油脂，并且定期更換潤滑脂，確保軸向位置不變。在運行中應(yīng)按柴油機最佳提前角供油，保證噴霧質(zhì)量，控制冷卻水溫等，以提高柴油機的燃油效率。

4 工程實例分析

4.1 工程概況

本文在我國東南沿海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棟進行水泵能耗對比分析。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)計兩年時間。

4.2 水泵改造前后節(jié)能效果分析

為保證數(shù)據(jù)的可對比性，兩棟建筑的施工技術(shù)、施工方法完全一樣，并進行同步施工。在住宅建筑施工過程中，供水方式采用臨時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棟的型號相同，但增加了變頻器和自動化控制設(shè)備，造價約2.5 萬元，改進后的供水設(shè)施具有自動調(diào)節(jié)供水量的功能。為了方便兩臺水泵運行節(jié)能效率的計算，分別在兩棟樓水泵的線路上安裝電能表來記錄用電度數(shù)。

整個施工工期結(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)用電的價格為 0.9 元/(kW·h)，通過計算，不考慮水泵運行過程的維修費用，A1棟水泵的運行費用為10.35 萬，A2棟水泵的運行費用為4.86 萬元。可以看出，經(jīng)過節(jié)能改造后的水泵，其運行費用兩年共節(jié)省5.49 萬元，節(jié)能效率達到 53.04%。若不考慮市場通貨膨脹等因素影響，前期節(jié)能改造投資費用回收周期為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，采用先進的變頻器和自動化控制設(shè)備，使水泵與電動機更加匹配，可延長水泵的使用壽命，保證水泵電動機運行在高效區(qū)間，節(jié)電節(jié)能效果顯著；同時，先進的管理模式有助于提高建筑企業(yè)的自動化和信息化水平，對降低施工過程的能耗和成本起到重要作用。