1 引言
水泵風(fēng)機(jī)的功耗占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的30%~60%，隨著空調(diào)節(jié)能形勢的叫緊，水泵風(fēng)機(jī)的變頻節(jié)能問題成了大家注目的焦點(diǎn)。然而對(duì)于在系統(tǒng)中運(yùn)行的水泵、風(fēng)機(jī)水泵變頻的性能多有不清，本文以“系統(tǒng)思考”的理念，分析了這個(gè)問題。
2 泵與風(fēng)機(jī)全相似運(yùn)行的涵義
在泵與風(fēng)機(jī)的教科書中提出，如果泵或風(fēng)機(jī)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似三個(gè)相似條件，泵或風(fēng)機(jī)就在全相似工況運(yùn)行。在全相似工況運(yùn)行的泵或風(fēng)機(jī)其流量、揚(yáng)程、功率與轉(zhuǎn)速之間符合下面三個(gè)著名的相似定理的公式:
(1)
(2)
(3)
式中:l —泵或風(fēng)機(jī)的流量，m3/s;
n —泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min;
δp—泵或風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程，pa;
ws—泵或風(fēng)機(jī)的軸功率，w;
下標(biāo)為“0”的參數(shù)，是泵或風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速n0時(shí)的參數(shù);
下標(biāo)為“1”的參數(shù)，是泵或風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速n1時(shí)全相似工況的參數(shù)。
從理論上嚴(yán)格地講，公式(3)中的泵或風(fēng)機(jī)的軸功率項(xiàng)ws應(yīng)當(dāng)是泵或風(fēng)機(jī)的有效功率項(xiàng):
we =δp×l (4)
只是在全相似工況運(yùn)行的泵或風(fēng)機(jī)的軸效率ηs是不變的，從ηs=we/ws的關(guān)系可以推導(dǎo)出公式(3)來。文獻(xiàn)[1]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了這個(gè)結(jié)論。
圖1是變頻水泵或風(fēng)機(jī)的性能曲線。其中工況點(diǎn)a0是額定轉(zhuǎn)速n0下的變頻水泵或風(fēng)機(jī)的性能曲線n0與管路阻力特性曲線r1的交點(diǎn)。工況點(diǎn)a1是轉(zhuǎn)速n1下的變頻水泵或風(fēng)機(jī)的性能曲線n1與管路阻力特性曲線r1的交點(diǎn)。可以嚴(yán)格的從理論上證明，只有工況點(diǎn)a1是和額定工況點(diǎn)a0完全相似的，也只有工況點(diǎn)a1才和工況點(diǎn)a0之間有式(1)~(3)的關(guān)系。其他任何點(diǎn)，比如特性曲線n1與等壓線p0的交點(diǎn)c就沒有式(1)~(3)的關(guān)系。
式(1)~(3)是用相似理論是從孤立的水泵或風(fēng)機(jī)的理論中推導(dǎo)出來的，然而，水泵或風(fēng)機(jī)使用是容入水泵或風(fēng)機(jī)與管道、閥門、盤管及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成的系統(tǒng)中的，容入系統(tǒng)中的水泵或風(fēng)機(jī)的性能要受管路系統(tǒng)阻力特性及相應(yīng)的控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)、制約和影響。從大系統(tǒng)論可知，系統(tǒng)整體中的水泵或風(fēng)機(jī)的性能和孤立的水泵或風(fēng)機(jī)的性能有著本質(zhì)的不同。分析系統(tǒng)中的水泵或風(fēng)機(jī)的性能，要用大系統(tǒng)的理論，用“系統(tǒng)思考”的理念。按照“系統(tǒng)思考”的理念可以嚴(yán)格地從理論上證明，在最節(jié)能的全相似變壓變流量系統(tǒng)中，對(duì)水泵或風(fēng)機(jī)的三個(gè)全相似條件的要求，不僅是對(duì)水泵或風(fēng)機(jī)的，也是對(duì)管道阻力元件的要求。這就是式(1)~(3)揭示的深刻內(nèi)涵，這種內(nèi)涵只有用系統(tǒng)思考的理念才能深刻的理解。這種觀點(diǎn)得到了文獻(xiàn)[1]中的“管路不變，手動(dòng)變頻”一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的證實(shí)，如圖2~5所示。文獻(xiàn)[1]所說的“管路不變”的含義就是在實(shí)驗(yàn)中，管路中沒有一個(gè)改變幾何參數(shù)的元件，即便是有可以改變幾何參數(shù)的調(diào)節(jié)閥，也是放在固定的開度上，保持不變。
只是文獻(xiàn)[1]的作者其他許多變頻水泵、變頻風(fēng)機(jī)和變頻器的專著的作者一樣，沒有領(lǐng)會(huì)式(1)~(3)深刻的涵義，不分場合和管路阻力特性并且沒有相應(yīng)的全相似變壓變流量的控制系統(tǒng)與之匹配(如文獻(xiàn)[1]圖1所示的控制系統(tǒng))，一律套用式(1)~(3)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)然這種理念很容易被實(shí)驗(yàn)證偽。其實(shí)文獻(xiàn)[1]中不同定壓差下變頻水泵系統(tǒng)的定壓變流量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)證明，在定壓變流量系統(tǒng)中是沒有式(1)~(3)的關(guān)系的。這個(gè)例子再一次證明了著名的數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家哥德爾所說:數(shù)學(xué)公式給人們的內(nèi)容，比人們對(duì)它理解的內(nèi)容要多的多！
圖1 變頻泵或風(fēng)機(jī)性能曲線
圖2 相對(duì)頻率與相對(duì)轉(zhuǎn)速關(guān)系圖f1/f0~n1/n0
圖3 相對(duì)流量與相對(duì)轉(zhuǎn)速關(guān)系圖l1/ l0~ n1/ n0
圖4 相對(duì)揚(yáng)程與相對(duì)轉(zhuǎn)速平方關(guān)系圖 δp1/δp 0 ~( n1/ n0 )2
圖5a 相對(duì)總功率與相對(duì)轉(zhuǎn)速立方關(guān)系圖 wt1/ wt0~( n1/ n0 )3
圖5b 相對(duì)電機(jī)功率與相對(duì)轉(zhuǎn)速立方關(guān)系圖 wm1/ wm0~( n1/ n0 )3
圖5c 相對(duì)軸功率與相對(duì)轉(zhuǎn)速立方關(guān)系圖 ws1/ ws0~( n1/ n0 )3
3 認(rèn)清水泵或風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程內(nèi)涵
泵或風(fēng)機(jī)的有效功可以用式(5)計(jì)算:
(5)
(6)
式中:we—泵或風(fēng)機(jī)的有效功，w;
δp—泵或風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程，pa;
l—泵或風(fēng)機(jī)的流量，m3/s 。
從式(5)可以清楚看出，泵或風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程δp的物理涵義是:將單位流量的流體提高揚(yáng)程δp，水泵或風(fēng)機(jī)做的有效功！知道了揚(yáng)程δp的物理涵義，我們就能清楚地解釋，為什么在定壓變流量變頻泵或風(fēng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)中，變頻泵或變頻風(fēng)機(jī)的功耗只和流量l的一次方成正比(當(dāng)然和轉(zhuǎn)速n有隱函關(guān)系)，在能耗的關(guān)系上絕對(duì)沒有如式(3)的三次方的關(guān)系！
4 變頻泵或風(fēng)機(jī)節(jié)能控制的實(shí)質(zhì)是控制一個(gè)能量傳遞鏈
變頻水泵或風(fēng)機(jī)的總輸入功率可用式(7)計(jì)算:
(7)
式中:wt—變頻水泵或風(fēng)機(jī)的總輸入功率，w;
ηs—變頻泵或風(fēng)機(jī)的軸效率，無因次;
ηtr—變頻泵或風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)效率，無因次，直接傳動(dòng)ηtr=1.0，聯(lián)軸器傳動(dòng)ηtr=0.98，v型皮帶傳動(dòng)ηtr=0.95，齒輪傳動(dòng)ηtr=0.97~0.98;
ηm—變頻水泵或風(fēng)機(jī)的電機(jī)效率，無因次;
ηin—變頻水泵或風(fēng)機(jī)的變頻器效率,無因次。
從公式(7)可以看出泵或風(fēng)機(jī)的能耗是通過變頻器、電機(jī)、傳動(dòng)環(huán)節(jié)、水泵或風(fēng)機(jī)等能量傳遞鏈將電能最終轉(zhuǎn)換為流體的壓力能的。這個(gè)能量傳遞鏈中每一個(gè)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換效率均影響到變頻水泵或風(fēng)機(jī)的總輸入功率wt。變頻節(jié)能的工作應(yīng)當(dāng)在整個(gè)能量傳遞鏈中的每一個(gè)環(huán)節(jié)中展開，而不能僅僅考慮一個(gè)方案、一個(gè)環(huán)節(jié)。這是一個(gè)系統(tǒng)整體，應(yīng)當(dāng)用“系統(tǒng)思考”的理念處理變頻水泵或風(fēng)機(jī)的節(jié)能問題。比如，當(dāng)空調(diào)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，改變泵或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使泵或風(fēng)機(jī)輸送的流量就是空調(diào)負(fù)荷需要的流量，如果泵或風(fēng)機(jī)在全相似工況運(yùn)行，就有公式(3)的節(jié)能關(guān)系，全相似變壓變流量節(jié)能控制方案有其他任何變流量系統(tǒng)所沒有的最節(jié)能的控制效果！
然而即便是在最節(jié)能的全相似的變壓變流量系統(tǒng)，通常的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)往往忘記了一件非常重要的事:水泵、風(fēng)機(jī)額定工況點(diǎn)a0的確定。現(xiàn)在的空調(diào)設(shè)計(jì)中水泵或風(fēng)機(jī)額定工況點(diǎn)a0的確定是模糊的，甚至是排腦袋的，如果水泵或風(fēng)機(jī)特性不和管路系統(tǒng)是阻力特性相匹配，額定工況點(diǎn)a0不在水泵或風(fēng)機(jī)的高效工作區(qū)，從泵或風(fēng)機(jī)樣本上的特性曲線可以看出，水泵或風(fēng)機(jī)的不同工況點(diǎn)，效率最大相差可有20%。而變頻水泵或風(fēng)機(jī)在整個(gè)生命周期都是按照選定的效率運(yùn)行的，如果選定的額定工況點(diǎn)的效率非常低，它就要在低效率狀態(tài)工作整個(gè)生命周期的20~25年！這樣就是效率再高的水泵或風(fēng)機(jī)在不協(xié)調(diào)、不和諧、不匹配的水路或風(fēng)路系統(tǒng)中也發(fā)揮不出效能來。按照“系統(tǒng)思考”的理念，作者的研發(fā)小組開發(fā)出了水泵、風(fēng)機(jī)選型軟件。該軟件能夠精確地計(jì)算出在系統(tǒng)中運(yùn)行的泵、風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，并保證選取的水泵、風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)在高效區(qū)段。這說明，泵或風(fēng)機(jī)的變頻節(jié)能不僅僅是安裝一個(gè)變頻器的事情，它是一個(gè)系統(tǒng)工程，也包括泵或風(fēng)機(jī)的選型計(jì)算設(shè)計(jì)、匹配的管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。
另如，從電機(jī)和變頻器的特性可看出，當(dāng)它們的負(fù)荷率低于30%時(shí)，電機(jī)的效率ηm、變頻器的效率ηin 迅速下降，從公式(6)可以看出，這時(shí)即便是最節(jié)能的全相似的變壓變流量系統(tǒng)，系統(tǒng)整體也是不節(jié)能。經(jīng)換算，就是在100%~66%流量的范圍變頻水泵或風(fēng)機(jī)才是節(jié)能的，同時(shí)這對(duì)冷機(jī)的工作也是安全的。流量如果低于66%，變頻水泵或風(fēng)機(jī)就不節(jié)能了，這時(shí)控制系統(tǒng)的特性必須轉(zhuǎn)變，特別是在多泵并聯(lián)運(yùn)行的變頻系統(tǒng)，更要注意在不同臺(tái)數(shù)的水泵或風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須保證管路阻力特性也要和不同臺(tái)數(shù)的水泵或風(fēng)機(jī)的特性相匹配，使水泵或風(fēng)機(jī)的實(shí)際工況點(diǎn)仍在高效工作區(qū)。在設(shè)計(jì)水泵或風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)時(shí)，一定要注意這個(gè)問題。
再如，現(xiàn)有市場上泵或風(fēng)機(jī)專用變頻器只是考慮泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比的問題及泵或風(fēng)機(jī)適應(yīng)負(fù)荷變化的變頻問題，并沒有考慮部分負(fù)荷時(shí)電機(jī)效率低下的問題，因此這類變頻器還不能算泵或風(fēng)機(jī)專用，因?yàn)樗鼪]有考慮電機(jī)、泵或風(fēng)機(jī)是在系統(tǒng)中工作的，在系統(tǒng)中泵或風(fēng)機(jī)受到管道阻力特性、控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)、制約和影響，它們的性能要發(fā)生本質(zhì)的變化。以上這些例子說明，泵或風(fēng)機(jī)的變頻節(jié)能不僅僅是安裝一個(gè)變頻器的問題，它是一個(gè)系統(tǒng)工程，包括水泵或風(fēng)機(jī)和管路阻力特性匹配選型計(jì)算設(shè)計(jì)、管路系統(tǒng)阻力特性及其構(gòu)成，相匹配的自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)成、控制策略等子系統(tǒng)構(gòu)建，這些子系統(tǒng)有機(jī)地組成了一個(gè)不可分割大系統(tǒng)整體及構(gòu)成了決定系統(tǒng)特定特性和功能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)制，缺一個(gè)子系統(tǒng)或子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)就不具備系統(tǒng)特定特性和功能的整體結(jié)構(gòu)機(jī)制，在變頻水泵或風(fēng)機(jī)系統(tǒng)整體層次上就不可能涌現(xiàn)出健康系統(tǒng)才能涌現(xiàn)(emergent)的特性—節(jié)能。功能是系統(tǒng)整體性質(zhì)的外在表現(xiàn)，結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)整體性質(zhì)的內(nèi)部基礎(chǔ)。變頻水泵或風(fēng)機(jī)系統(tǒng)集成的過程，實(shí)質(zhì)就是要做1+1＞2的工作，節(jié)能就是系統(tǒng)集成具有大系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)機(jī)制后才涌現(xiàn)的“2”里的一個(gè)內(nèi)容。大系統(tǒng)整體層次上具有的節(jié)能特性，是子系統(tǒng)所沒有的，當(dāng)然大系統(tǒng)整體層面上特有的節(jié)能屬性也要以子系統(tǒng)的高效率為基礎(chǔ)，這實(shí)質(zhì)是既見樹木又見森林的系統(tǒng)集成方法，這完全符合節(jié)能工程設(shè)計(jì)原則—節(jié)能首先是設(shè)備和工藝流程是節(jié)能的。
5 結(jié)束語
(1) 變頻水泵或風(fēng)機(jī)節(jié)能控制，是一個(gè)系統(tǒng)工程，要用“系統(tǒng)思考”的理念，才能深刻理解水泵或風(fēng)機(jī)相似原理的內(nèi)涵。
(2) 水泵或風(fēng)機(jī)在全相似工況，它的功耗才有和轉(zhuǎn)速的三次方成正比的關(guān)系，這是水泵或風(fēng)機(jī)最節(jié)能的運(yùn)行工況。
(3) 泵或風(fēng)機(jī)容入系統(tǒng)后，它的性能受到水路或風(fēng)路、控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)、制約和影響要發(fā)生本質(zhì)的變化;對(duì)泵或風(fēng)機(jī)全相似的要求，也是對(duì)水路或風(fēng)路的要求。
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