建筑给水系统水泵节能优化与工程应用

2019-03-22魏天云

长春师范大学学报 2019年8期

魏天云

(福建船政交通职业学院道路工程系，福建福州350007)

随着土地供应的紧张，高层建筑越来越多，建筑供水系统的能耗也随之增多，在能源相对不足的情况下，考虑节能降耗措施显得尤为重要，也促使供水新技术和新设备发展迅速[1-4]。目前建筑给水系统的节能途径可从以下几个角度考虑：如利用电动机以及输变电系统节能、水泵节能、管理优化节能等。

1 供水系统水泵电动机以及输配电系统节能

1.1 水泵电动机的节能

为了确保供水系统中的电动机节能，首先要合理地确定电动机型号，然后选择合适的电动机调速装置以及电动机绕组的接线法等。

电机和水泵配套时，其功率的计算公式如下：

(1)

其中，P表示电机的功率，单位是kW；k表示电机的备用系数，一般取1.05～1.2；N表示水泵工作范围内最大轴功率，单位是kW；η1表示电机效率，单位是%；γ表示水的容重，单位是N·m-3；Q表示水泵工作范围内最大轴功率对应的流量，单位是m3·h-1；H表示水泵工作范围内最大轴功率对应的扬程，单位是m；η2表示水泵工作范围内最大轴功率对应的效率。

由公式(1)可以看出，电动机和水泵的效率越低，电动机所需输入功率越大，即电动机的能量损耗随着水泵和电动机效率降低而增加，所以，水泵和电动机的效率要选择较高的，并保证它们之间互相匹配。

1.2 水泵输配电系统节能

1.2.1 确定供水系统变压器台数和容量

只有变压器在高效率区间运行，消耗的能量才是最少的，从而确保电网的运行比较经济节能。在低压电网中，配电变压器处于正常高效经济运行条件下，才能做到有效的节能降耗。建筑供水系统中普遍应用站变合一的方式，这样可以使低压线路损耗降到最低。若选择小容量的配电变压器，则配电变压器的负荷增加，超过了其承载能力，会加大对电网的损耗，并且会使其绝缘寿命缩短；如果采用的配电变压器的容量较大，不能完全发挥其效益，也会增大配电网的损耗。

处于额定容量的配电变压器，其运行效率不一定最高，也不是最经济的运行方式。一般情况下，如果配电变压器在0.5Se～0.75Se之间运行(Se为变压器空载损耗)，其经济效益最佳。子母变供电一般适用于负荷出现较大波动的情况下。若负荷较小，依据负荷大小选择小容量变压器或者大容量的变压器；负荷较大时，采用并联运行的方式。其次，变压器负载率(一般在0.45～0.5左右)可以根据实际负荷的需要以及变压器效率曲线确定。只有处于高效运行状态的变压器，损耗才能降低，有利于节能。

1.2.2 增加无功补偿设备的数量，提高供水系统的功率因数

水泵、电动机、风机、空调以及照明等是建筑供水系统的主要设备，其中水泵与风机等是三相设备，单相设备(主要包括空调、照明、风扇等)在使用时，很难控制其三相平衡，此时不能用固定补偿的方法，必须选择无功分相自动补偿的方法。为了降低建筑供水系统中的电能损耗，可以将电焊机以及异步电动机等设备分散补偿，从而降低配电装置以及变压器上的无功消耗。

2 水泵节能

建筑供水系统中最主要的设备是水泵，因此，为了更好地控制运行费用，节能降耗，必须重视水泵的选型、水泵节能技术的开发以及变频调速泵的合理利用，从而提高经济效益[5-6]。

2.1 水泵选型上的节能

整个高层建筑给水系统的能耗直接受水泵的能耗影响。合理设计水泵的能耗需从以下三方面考虑：水泵要运行在高效区间；水泵设定的扬程和流量必须满足用户用水的需求；水泵之间以及与其它设备必须要匹配[7-8]。所以，为了降低供水系统中水泵的能耗，必须将以上三者有机联系起来考虑。供水系统中的恒速泵一般是按最不利工况来设计的，这样容易造成水量以及电能浪费问题，可以优先考虑采用高效节能的变速水泵，通过合理设定水泵参数优化调配来解决。

2.2 水泵更新上的节能

如果水泵的运行期间不能满足设计点的要求，则会造成大量的能量白白浪费。这可能与水泵本身的工作状态或者建筑住宅用户用水量状态的改变有关。此时，要针对具体情况采取措施，如果是水泵本身的工作状态改变引起的，可以采用更换、切削叶轮的措施；如果是建筑住宅用户用水量状态的改变引起的，可以考虑选择新的水泵，确保水泵处于高效的运行状态，从而满足用户的用水需求。

2.3 水泵调速节能

供水系统中水泵的运行效率在大多数时间里都较低，这是由于供水流量与设计秒流量之间的偏差太大，一般技术人员根据住宅的设计秒流量选择水泵的类型。现代发展的变频调速泵可以满足扬程与流量变化较大的场合，改变了原先仅从叶轮考虑的措施，做到节能降耗。

3 水泵管理优化节能

为了减少不必要的能量损耗，除了考虑选型以及运行两个方面的因素，水泵的优化管理措施也不可忽略，具体可以从以下两个方面着手。

3.1 对水泵进行定期检查

应定期检查水泵电动机的运行状态，发现问题及时修理，电动机的启动、运行、停机必须严格按照规范操作；同时定期检查水泵的叶轮、填料、口环、轴承以及地脚螺栓等。有些水泵使用柴油机驱动，为确保水泵处于高效运行状态，减少能耗，需尽量减少水泵内部零件的摩擦磨损，已经磨损的零件要及时更换。

3.2 注重水泵的维护与保养

因为水泵工作时的运行速度较高，在水泵电动机开始运行之前必须彻底对电动机进行清洁，包括水泵的配件，如轴承等，使电动机运转时，可以将热量迅速地散发出去，保证水泵的正常运行。应采用防水耐高温的润滑油脂，并且定期更换润滑脂，确保轴向位置不变。在运行中应按柴油机最佳提前角供油，保证喷雾质量，控制冷却水温等，以提高柴油机的燃油效率。

4 工程实例分析

4.1 工程概况

本文在我国东南沿海H城市郊区的某住宅小区工程，选取两栋体型完全一致的住宅楼A1栋和A2栋进行水泵能耗对比分析。其工程概况为地下3层、地上33层的高层住宅建筑，工程全部完工的工期预计两年时间。

4.2 水泵改造前后节能效果分析

为保证数据的可对比性，两栋建筑的施工技术、施工方法完全一样，并进行同步施工。在住宅建筑施工过程中，供水方式采用临时消防用水和施工用水合二为一，其中A1栋采用额定功率为40 kW的传统水泵，未采取任何的节能改造措施；A2栋选用的水泵与A1栋的型号相同，但增加了变频器和自动化控制设备，造价约2.5 万元，改进后的供水设施具有自动调节供水量的功能。为了方便两台水泵运行节能效率的计算，分别在两栋楼水泵的线路上安装电能表来记录用电度数。

整个施工工期结束，根据电能表记录的数据显示，A1栋水泵的耗电量为115 000 kW·h，A2栋水泵的耗电量为54 000 kW·h。当年该地区工业用电的价格为 0.9 元/(kW·h)，通过计算，不考虑水泵运行过程的维修费用，A1栋水泵的运行费用为10.35 万，A2栋水泵的运行费用为4.86 万元。可以看出，经过节能改造后的水泵，其运行费用两年共节省5.49 万元，节能效率达到 53.04%。若不考虑市场通货膨胀等因素影响，前期节能改造投资费用回收周期为1年。