建筑給水系統水泵節能優化與工程應用

魏天云

(福建船政交通職業學院道路工程系，福建福州350007)

隨著土地供應的緊張，高層建筑越來越多，建筑供水系統的能耗也隨之增多，在能源相對不足的情況下，考慮節能降耗措施顯得尤為重要，也促使供水新技術和新設備發展迅速[1-4]。目前建筑給水系統的節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節能、水泵節能、管理優化節能等。

1 供水系統水泵電動機以及輸配電系統節能

1.1 水泵電動機的節能

為了確保供水系統中的電動機節能，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，一般取1.05～1.2；N表示水泵工作范圍內最大軸功率，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最大軸功率對應的流量，單位是m3·h-1；H表示水泵工作范圍內最大軸功率對應的揚程，單位是m；η2表示水泵工作范圍內最大軸功率對應的效率。

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 水泵輸配電系統節能

1.2.1 確定供水系統變壓器臺數和容量

只有變壓器在高效率區間運行，消耗的能量才是最少的，從而確保電網的運行比較經濟節能。在低壓電網中，配電變壓器處于正常高效經濟運行條件下，才能做到有效的節能降耗。建筑供水系統中普遍應用站變合一的方式，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，則配電變壓器的負荷增加，超過了其承載能力，會加大對電網的損耗，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，不能完全發揮其效益，也會增大配電網的損耗。

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)，其經濟效益最佳。子母變供電一般適用于負荷出現較大波動的情況下。若負荷較小，依據負荷大小選擇小容量變壓器或者大容量的變壓器；負荷較大時，采用并聯運行的方式。其次，變壓器負載率(一般在0.45～0.5左右)可以根據實際負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的變壓器，損耗才能降低，有利于節能。

1.2.2 增加無功補償設備的數量，提高供水系統的功率因數

水泵、電動機、風機、空調以及照明等是建筑供水系統的主要設備，其中水泵與風機等是三相設備，單相設備(主要包括空調、照明、風扇等)在使用時，很難控制其三相平衡，此時不能用固定補償的方法，必須選擇無功分相自動補償的方法。為了降低建筑供水系統中的電能損耗，可以將電焊機以及異步電動機等設備分散補償，從而降低配電裝置以及變壓器上的無功消耗。

2 水泵節能

建筑供水系統中最主要的設備是水泵，因此，為了更好地控制運行費用，節能降耗，必須重視水泵的選型、水泵節能技術的開發以及變頻調速泵的合理利用，從而提高經濟效益[5-6]。

2.1 水泵選型上的節能

整個高層建筑給水系統的能耗直接受水泵的能耗影響。合理設計水泵的能耗需從以下三方面考慮：水泵要運行在高效區間；水泵設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備必須要匹配[7-8]。所以，為了降低供水系統中水泵的能耗，必須將以上三者有機聯系起來考慮。供水系統中的恒速泵一般是按最不利工況來設計的，這樣容易造成水量以及電能浪費問題，可以優先考慮采用高效節能的變速水泵，通過合理設定水泵參數優化調配來解決。

2.2 水泵更新上的節能

如果水泵的運行期間不能滿足設計點的要求，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或者建筑住宅用戶用水量狀態的改變有關。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，從而滿足用戶的用水需求。

2.3 水泵調速節能

供水系統中水泵的運行效率在大多數時間里都較低，這是由于供水流量與設計秒流量之間的偏差太大，一般技術人員根據住宅的設計秒流量選擇水泵的類型。現代發展的變頻調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，做到節能降耗。

3 水泵管理優化節能

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

應定期檢查水泵電動機的運行狀態，發現問題及時修理，電動機的啟動、運行、停機必須嚴格按照規范操作；同時定期檢查水泵的葉輪、填料、口環、軸承以及地腳螺栓等。有些水泵使用柴油機驅動，為確保水泵處于高效運行狀態，減少能耗，需盡量減少水泵內部零件的摩擦磨損，已經磨損的零件要及時更換。

3.2 注重水泵的維護與保養

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，使電動機運轉時，可以將熱量迅速地散發出去，保證水泵的正常運行。應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。在運行中應按柴油機最佳提前角供油，保證噴霧質量，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城市郊區的某住宅小區工程，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計兩年時間。

4.2 水泵改造前后節能效果分析

為保證數據的可對比性，兩棟建筑的施工技術、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的傳統水泵，未采取任何的節能改造措施；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備，造價約2.5 萬元，改進后的供水設施具有自動調節供水量的功能。為了方便兩臺水泵運行節能效率的計算，分別在兩棟樓水泵的線路上安裝電能表來記錄用電度數。

整個施工工期結束，根據電能表記錄的數據顯示，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。當年該地區工業用電的價格為 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，經過節能改造后的水泵，其運行費用兩年共節省5.49 萬元，節能效率達到 53.04%。若不考慮市場通貨膨脹等因素影響，前期節能改造投資費用回收周期為1年。

5 結論

從水泵節能改造前后的數據分析中可以看出，采用先進的變頻器和自動化控制設備，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間，節電節能效果顯著；同時，先進的管理模式有助于提高建筑企業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。