供熱系統(tǒng)中水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)及節(jié)能效果

朱長(zhǎng)青

摘 要：通過優(yōu)化水泵在供熱系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)，探討其調(diào)節(jié)方案及節(jié)能效果。通過在供熱系統(tǒng)中采取優(yōu)化設(shè)置水泵參數(shù)和調(diào)節(jié)運(yùn)行手段，達(dá)到降低系統(tǒng)總電耗的目的，使供熱系統(tǒng)耗電輸熱比在滿足規(guī)范要求的前提下進(jìn)一步降低，開發(fā)供熱系統(tǒng)節(jié)能潛力。

關(guān)鍵詞：供熱系統(tǒng)；水泵；優(yōu)化設(shè)計(jì)；節(jié)能效果

1 前言

堅(jiān)持環(huán)保節(jié)能原則，強(qiáng)化節(jié)約意識(shí)，大力推廣建筑節(jié)能和系統(tǒng)節(jié)能，降低能源消耗是發(fā)展供熱的一個(gè)基本原則，為集中供熱工程的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、改造指明了方向。中國集中供熱發(fā)展迅速，但生產(chǎn)和輸送的能耗仍比較高。在供熱系統(tǒng)輸送方面，大流量、小溫差、高能耗的運(yùn)行方式普遍存在。對(duì)于熱水供熱系統(tǒng)來說，成本組成主要包括燃料費(fèi)、水費(fèi)、電費(fèi)、管理費(fèi)，其中水泵的電耗開支占有重要份額，降低水泵電耗是系統(tǒng)節(jié)能的重要途徑。

2 工程實(shí)例

由于受到傳統(tǒng)的循環(huán)水泵選型條件限制，一直以來對(duì)于供熱系統(tǒng)的循環(huán)水泵選型都是宜大不宜小的原則，因此造成了設(shè)備投入成本的和運(yùn)行成本增加。為了解決這類問題，我們通過對(duì)曙光公寓這一供暖小區(qū)進(jìn)行了調(diào)整實(shí)驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)來確定如何降低成本的方案。該小區(qū)具備的條件較為適合這個(gè)實(shí)驗(yàn)的完成，因?yàn)樵撔^(qū)為一棟樓，采用分戶計(jì)量用暖，室內(nèi)為散熱器用暖，建筑為98年后的無外墻保溫結(jié)構(gòu)，在地區(qū)上來說具有一定的代表性。該小區(qū)建筑面積為7199㎡，一體兩戶，六層，共計(jì)5個(gè)單元。測(cè)試采用原設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)與調(diào)整后的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比說明問題。

2.1 原循環(huán)水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)

循環(huán)水泵參數(shù)為：功率3kw、流量27.3m3/h、揚(yáng)程24m，工頻運(yùn)行。水泵出口壓力0.5mpa、回水壓力0.22mpa。測(cè)試一小時(shí)，水泵電流為3.7A，耗電量為：0.655kwh，通過平衡調(diào)整后庭院供水壓力0.494mpa、庭院回水壓力0.22mpa。

其中一、二、三、四、五單元的總流量分別為3.769m3/h、9戶、2.583m3/h、9戶、3.086m3/h、9戶、0.874m3/h、5戶、1.028m3/h、9戶；平均每戶分別為0.419m3/h、0.287m3/h、0.343m3/h、0.175m3/h、0.514m3/h。

2.2 更換新循環(huán)水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)

循環(huán)水泵參數(shù)為：功率1.5kw、流量25m3/h、揚(yáng)程12.5m，工頻運(yùn)行。水泵出口壓力0.372mpa、回水壓力0.228mpa。測(cè)試一小時(shí)，水泵電流為2.7A，耗電量為：0.313kwh

測(cè)試時(shí)小區(qū)入網(wǎng)50戶，參與測(cè)試37戶，通過平衡調(diào)整，各戶流量數(shù)據(jù)如下：

一、二、三、四、五單元的總流量分別為2.628m3/h、8戶、3.095m3/h、10戶、3.025m3/h、9戶、0.808m3/h、7戶、0.598m3/h、2戶；平均每戶分別為0.329m3/h、0.31m3/h、0.336m3/h、0.115m3/h、0.299m3/h。

通過對(duì)比試驗(yàn)，說明了在目前的系統(tǒng)狀態(tài)下，供熱半徑不超過800米的情況下，循環(huán)水泵的揚(yáng)程不易過高，在系統(tǒng)水質(zhì)保持合格的狀態(tài)下，一般采用16米以下就能滿足使用，這樣就能節(jié)省水泵的采購價(jià)格，同時(shí)在運(yùn)行時(shí)又能夠起到節(jié)電的作用。

3 供熱系統(tǒng)水泵設(shè)計(jì)的優(yōu)化

供熱系統(tǒng)配置有循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵等，其中循環(huán)水泵作為整個(gè)供暖系統(tǒng)熱水循環(huán)的動(dòng)力源，功率消耗和供熱系統(tǒng)的整體能耗密切相關(guān)。從室外氣溫分布情況和年采暖熱負(fù)荷延續(xù)曲線分析，整個(gè)供暖期可按小流量運(yùn)行的時(shí)間占到50%以上，這勢(shì)必造成管網(wǎng)長(zhǎng)期處于低負(fù)荷工況運(yùn)行，由于循環(huán)水量居高不下，即大流量小溫差運(yùn)行，使得供熱系統(tǒng)能耗很高，經(jīng)濟(jì)性較差，不符合節(jié)能減排的供熱原則。在集中熱水供暖系統(tǒng)中采用質(zhì)調(diào)節(jié)和分階段改變流量調(diào)節(jié)相結(jié)合的運(yùn)行調(diào)節(jié)方法是一種保證供暖期不同階段供熱效果的方法。循環(huán)水泵參數(shù)的選擇是設(shè)計(jì)分階段改變流量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)相結(jié)合供熱系統(tǒng)的關(guān)鍵。供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算流量合理配置循環(huán)水泵，運(yùn)行電耗量可減少20%～30%。

4 供水系統(tǒng)中的水泵節(jié)能技術(shù)

4.1 水泵噴涂技術(shù)

水泵噴涂技術(shù)即利用表面光滑、抗磨、粗糙度小的涂層材料在流體設(shè)備內(nèi)部形成光滑的表面，降低渦流產(chǎn)生的可能性，提高流體設(shè)備的工作效率。水泵能量損失主要有水力損失、容積損失、機(jī)械損失3種，只要減少這3種損失，就可以提高水泵的效率。在表面粗糙度等指標(biāo)上有明顯優(yōu)勢(shì)的材料對(duì)水泵有兩個(gè)方面的影響：一是減少水泵的水力損失。對(duì)水泵進(jìn)行噴涂后，能夠提高葉輪過流部分和泵體內(nèi)壁的光滑度，減少液體流過泵體時(shí)的沿程摩擦，同時(shí)可以降低流道產(chǎn)生渦流的幾率，有效減少?zèng)_擊損失；二是減少水泵的機(jī)械損失。因?yàn)椴牧系谋砻鏄O為光滑，噴涂以后能夠增加葉輪表面的光滑程度，有效減少液體與葉輪兩個(gè)蓋板表面的摩擦損失。

4.2 高效泵技術(shù)

高效泵技術(shù)即通過擴(kuò)大泵的高效區(qū)來提高泵效率，其主要依據(jù)的原理是“三元流動(dòng)理論”。根據(jù)該理論設(shè)計(jì)的葉片呈不規(guī)則的曲面形狀，這樣的葉輪葉片結(jié)構(gòu)能夠更好地適應(yīng)流體的真實(shí)流態(tài)，并且可以控制葉輪內(nèi)部流體質(zhì)點(diǎn)的速度分布。采用三元流動(dòng)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以大大提高水泵運(yùn)行的效率。利用高效泵技術(shù)對(duì)水泵進(jìn)行改造，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)設(shè)備改型的過程，其需要對(duì)原來的系統(tǒng)進(jìn)行全面診斷，確保改型后的設(shè)備能夠滿足用戶需要。

4.3 變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)

根據(jù)水泵比例定律，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，揚(yáng)程H、流量Q、軸功率P與轉(zhuǎn)速n之間存在以下關(guān)系：

Q1/Q2=n1/n2

H1/H2=（n1/n2）2

P1/P2=（n1/n2）3

由上述公式可知，轉(zhuǎn)速和流量之間成正比，轉(zhuǎn)速的平方和揚(yáng)程之間成正比，轉(zhuǎn)速的立方和軸功率之間成正比，由此可以得出，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，功率增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流量增加量，所以，只要降低水泵的轉(zhuǎn)速，就能減少單位供水量電耗。

又知，電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入頻率之間的關(guān)系式為：n=60f（1-s）/p；其中f代表電源頻率，S代表滑差率，P代表極對(duì)數(shù)。由以上公式可知，只要均勻改變電源頻率f，就能平滑改變電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，軸功率也會(huì)變小，電動(dòng)機(jī)輸入功率就會(huì)變小，由此實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速節(jié)能作用。在水泵實(shí)際工作中，用水量不斷變化，為有效控制水量變化，一般通過調(diào)節(jié)泵出口閥門的方式將出口壓力控制在某一規(guī)定值上，因此會(huì)導(dǎo)致供水時(shí)出現(xiàn)欠壓、超壓等情況，而在水泵機(jī)組中引入變頻調(diào)速技術(shù)，就可以通過改變水泵轉(zhuǎn)速的方式，使其揚(yáng)程與流量更好地適應(yīng)管網(wǎng)用水量變化。

4.4 葉輪改造節(jié)能技術(shù)

傳統(tǒng)的臥式離心泵大多使用鑄鐵葉輪，因鑄造工藝有限，葉輪的表面非常粗糙，阻力很大；同時(shí)在使用過程中，鑄鐵器件容易受到銹蝕和氣蝕影響，會(huì)對(duì)水泵的性能造成很大影響。而不銹鋼葉輪的表面非常光滑，同時(shí)水阻較小，耐沖刷，質(zhì)量分布均勻，與Belzonal341材料非常相似，能夠有效減小水泵的機(jī)械損失和水力損失，并且不銹鋼材料具有較強(qiáng)的防銹、防腐性能，使用不銹鋼葉輪可有效提升水泵效率，減小振動(dòng)，使水泵的性能更加可靠穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

供熱系統(tǒng)節(jié)能是多方面的，水泵設(shè)置和運(yùn)行的節(jié)能只是一方面。采用先進(jìn)的供熱系統(tǒng)模式、加強(qiáng)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，減少管路系統(tǒng)的熱損失、控制室內(nèi)溫度過熱等都是供熱系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵。在能源日益緊張、環(huán)境保護(hù)形式嚴(yán)峻的今天，采用先進(jìn)節(jié)能技術(shù)，降低供熱系統(tǒng)能耗指標(biāo)和熱成本，從而降低居民采暖收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，使供熱單位與居民共享節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賀平，孫鋼，王飛等.供熱工程[M].第四版北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.