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　　用變頻器帶動水泵（指離心式泵，下同）供水，其最基本的目的是節能。然而由于變速節能機理的復雜性，一部分人對該技術的認識還不全面，因錯誤理解和變速泵生產廠家的片面宣傳，導致亂改（將水塔供水改為無塔變速泵直接供水）、亂上變速供水設備的現象屢見不鮮。本文的目的是要重新探討變速泵的節能機理，同時指出當前對變速泵節能理論存在的幾個誤區，為今后正確選用變速供水設備，提供正確的理論依據。

1  供水系統的基本理論

1.1  基本概念

　　(1)  水泵輸出特性：當水泵轉速一定時，水泵輸出流量與輸出壓力之間的關系，即水泵的H-Q曲線。水泵不同的轉速對應不同的H-Q曲線，因此變水泵輸出特性曲線為一曲線簇。水泵在額定轉速下的H-Q輸出特性曲線（稱之為外特性曲線，并設其所對應的方程為H=f0(Q)）由水泵生產廠家給出，水泵在任意轉速n時的輸出特性曲線可由水泵相似定律公式，并利用水泵的外特性曲線參數繪出。相似定律公式為：
        ；
　　上式中n0為水泵的額定轉速，Q0、H0分別為在額定轉速下，輸出特性曲線上任意一點所對應的水泵流量和壓力。顯然Q0、H0應滿足方程H0=f0(Q0)。

　　需要特別強調的是，水泵的相似定律是描述水泵自身性質相似關系的表達式，通過它可以求得水泵在不同轉速下的H-Q輸出特性曲線，但不能用相似定律來確定水泵的輸出流量、壓力和功率，水泵輸出流量、壓力和功率的多少，取決于供水系統的工作點的具體位置。

　　(2)  管道輸入特性：當管道參數（管道直徑、長度、形狀、材質、閥門開度等）一定時，流經管道的流量與管道輸入口所加的壓力之間的關系。

　　管道輸入特性可由下式給出：H=H靜＋K Q2

　　式中：H靜―管道入口處的靜壓值，對供水而言，為管道入水口到用水最高點的高度所產生的靜壓值；K―管道阻力系數。

　　顯然，管道輸入特性曲線為二次拋物線，若改變閥門開度，則K值即變。閥門開度越小，K值越大，二次拋物線越靠近Y軸方向。當閥門開度為零時，K→∞，此時拋物線與Y軸重合，供水系統表現的特征為無流量輸出。K值越小，二次拋物線越靠近X軸方向。當閥門全開時，K達到最小值Kmin（只要有管路存在，Kmin≠0），所以變閥門開度的管道輸入特性曲線也為一拋物線簇。該曲線簇的左端交匯坐標為（0，H靜）的點。

　　(3)  供水系統的工作點

　　所謂供水系統就是將水泵與供水管道連接起來，組成具有供水功能的系統，如圖1所示（雙點劃線的左端為水泵，右端為供水管道）。所謂供水系統的工作點是指供水系統在工作中，水泵的實際輸出流量和輸出壓力的具體數值。確定供水系統工作點的方法是將水泵輸出特性曲線H=f(Q)與管道輸入特性曲線H=H靜＋KQ2，繪制在同一個H-Q的坐標系中，二曲線的交點即為供水系統的工作點。該點所對應的流量值與壓力值，即為水泵出水流量Q和水泵出壓力H的數值。

圖3  水泵水塔式供水工作軌跡線    

 圖4  恒速泵供水系統工作軌跡線

1.2  供水系統工作過程的描述
如上所述，供水系統的工作過程可用連續的工作點來描述，也就是用工作點的軌跡線（以下簡稱工作軌跡線）來描述，用工作軌跡線描述的好處是可以直觀方便的了解供水系統的全過程。
(1)  水泵―高位水塔（箱）供水系統
該種供水俗稱有塔供水，是目前最為典型的供水形式。其特點是水泵恒速運轉，管道阻力系數不變。水塔內水面上升到上限則停機，水面下降到下限則開機，水泵間歇工作。工作點的確定如圖3所示。由圖3可見，工作過程始終為一個點，故其工作軌跡線也為一個點。因此只要設計合理，工作點匹配正確，可始終保持水泵在最高效率狀態。因此這是目前最合理、工作性能最可靠的供水方式，是變頻恒壓、變頻變壓供水在節能、可靠性等方面與之無法相比的。
(2)  無塔供水系統
目前主要有以下幾種：
?  采用閥門調節水量的恒速泵供水系統（簡稱恒速泵供水系統）
工作點的確定如圖4所示。因不同的閥門開度對應不同的管道阻力系數（K值），也即對應不同的管道輸入特性曲線。閥門開度變小（K值增加），管道輸入特性曲線變得陡峭，其與水泵的外特性曲線的交點（工作點）向左上方移動，因此流量減少。反之，閥門開度變大（K值減少），管道輸入特性曲線變得平緩，與水泵外特性曲線的交點（工作點）向右下方移動，流量增加。
由圖4可見，無論閥門的開度怎樣變化，工作點始終在水泵的外特性曲線上移動，故該工作軌跡線即為水泵的外特性曲線。

　　?  采用管道性質不變的變速泵調節水量的供水系統（簡稱變頻變壓供水系統）

　　因管道的性質不變，故只有一條管道輸入特性曲線。因水泵變速調節，所以水泵的特性曲線為一曲線簇，工作點的確定如圖5所示。由圖5可見，不同的水泵轉速對應不同的輸出特性曲線，系統的工作點也隨之變動。轉速降低時，工作點往左下方移動，流量降低；反之，轉速增高時，工作點往右上方移動，流量增大。所以用改變水泵轉速的方法可以起到調節流量的作用。

　　由圖5可見，無論供水量怎樣變化，工作點始終在管道的輸入特性曲線上移動，因此該工作軌跡線即為管道的輸入特性曲線。

　　?  采用變速泵與變閥門開度的恒壓供水系統（簡稱變頻恒壓供水系統）

　　采取的方法是在水泵的出水口或是在用戶的最不利點處裝一壓力傳感器，用微機自動控制變頻泵的轉速，使水泵的出水口或是最不利點處的壓力恒定，現行生活小區使用的變頻供水設備均屬于這一種。

　　由于最不利點處往往遠離供水設備，在該點處安裝壓力傳感器實施的難度很大，實際中絕大多數變頻恒壓供水設備采用前者，因此以下只將前者作為討論的對象。

　　顯然，在Q-H坐標系中，設定的恒壓值，其圖像為一水平直線，如圖6所示。

　　設此時用戶所對應的管道阻力系數為KX，該管道特性曲線與設定的恒壓線的交點為M，由于變速水泵輸出特性曲線為一曲線簇，因此總有某一曲線經過M點，設該曲線對應的水泵轉速為nX，故水泵就以nX轉速運轉。由工作點的定義，M點即為此時的工作點。由圖6可見，供水量加大（K減小），工作點沿恒壓線右移，水泵轉速增高；反之，當供水量減小（K增大）時，工作點沿恒壓線左移，水泵轉速降低。因此變頻恒壓供水工作點的軌跡線為一直線，該直線即為恒壓線。

2  變速泵的分析

2.1  水泵輸出特性曲線簇的數學表達式

　　設水泵的外特性曲線（即額定轉速時的輸出特性曲線）為P，用擬合的方法將該曲線表示為H=aQ2+bQ+C方程式的形式，則水泵在任意轉速n時的輸出特性曲線P1的方程式，可由水泵相似定律求出，水泵轉速為n時的曲線P1的方程式為：                                                                   
            
2.2  變頻變壓供水系統的分析
由變頻變壓供水系統工作點的確定過程可得結論：
　　(1)  當用水量Q→0時，變頻變壓供水泵的轉速         ，即在用水量接近于零時，水泵的轉速并非接近于零，而仍要以相當高的轉速運轉。這表明此時單位出水量的能耗劇增，供水系統的效率極低。

　　(2)  當靜壓高度為零（H靜=0）時，水泵出口流量Q與轉速n成正比，水泵出口壓力H與轉速n的平方成正比。這表明，許多文章利用水泵相似理論得出的水泵出口的流量Q與轉速n成正比以及水泵出口壓力H與轉速n的平方成正比的結論，只有當無靜水壓時才成立，在H靜≠0時則為錯誤結論。

　　在實際中，水泵工作時總是將水量由低水位到高水位，而變速送風時，風機的進風口與出風口在同一個平面上（即H靜=0），因此可用水泵（風機）相似定律計算變速風機的節能效果，而用其計算水泵的能耗則顯然出錯。

2.3  變頻恒壓供水系統的分析

　　(1)  水泵轉速n是設定的恒壓值H恒的遞增函數，H恒越高，水泵轉速越快，反之H恒越低，水泵轉速n越慢。顯然這一結論與事實相吻合。

　　(2)  水泵轉速與輸出流量并非成正比，只有當恒壓值H恒=0時，水泵轉速與輸出流量成正比的結論才成立，但實際問題中H恒不可能為零（對小區和高樓供水而言，H恒數值很大）。
　　(3)  當流量Q=0時，           ，變速泵并非零值而仍要以相當高的轉速運轉。對于小區生活供水而言，零流量或接近零流量的情況占有相當大的比率，這是導致變頻恒壓供水設備耗能劇增的主要原因之一。

3  無塔供水與有塔供水之間的能耗比較

　　由于三種無塔供水之間的能耗比較已為人熟悉，這里僅對無塔與有塔供水之間的能耗做以比較。

　　水泵軸功率消耗的能量表達式為         。式中，H為水泵出口壓力，η為水泵效率，v、ω分別為水泵打出的水量及其能耗。
就同一用戶而言，可以認為無塔供水與有塔供水的水泵出口壓力相同，對無塔供水而言，水泵的機械效率隨用戶用水量的大小而變化，因此η無為一變量，顯然η無取值范圍為：η無∈[0，ηmax]。

　　有塔供水因水塔的存在，水泵的工作軌跡為一個點，水泵可完全按照自身的特點工作，而始終保持在最高效率ηmax上，因此有塔供水的水泵機械效率η有=ηmax。

　　則根據積分理論，

　　ω無為無塔供水設備的水泵能量消耗，ω有為有塔供水設備的水泵能量消耗，ω無>ω有。

　　這表明，無塔供水（無論是變頻變壓還是恒壓）的功耗一定比有塔供水的功耗大。根據筆者從事多年的供水經驗和現場實測，居民小區采用的無塔變頻恒壓供水比采用有塔供水消耗的能量多35%左右，采用變頻變壓的生產用水比采用有塔供水多耗能25%左右（因篇幅所限此處不作詳述）。除此之外，有塔供水還具有水泵間歇工作，單位供水量的水泵轉速少，構造簡單、造價低、工作可靠等特點，因此在條件許可的前提下，應優先選用。

4  變速泵節能理論的誤區

　　目前，對變速泵節能理論的認識存在許多誤區，導致這類誤區的原因有人們對變速泵節能理論理解的問題，也有某些變速泵生產廠家夸大其詞進行宣傳的結果。歸類起來，當前對變速泵節能理論的誤區主要表現在以下幾個方面：

　　(1)  變頻泵無塔供水具有顯著的節能效果，因此現有的水塔供水應被變頻泵無塔供水所取代[1][2][3][4]。

　　產生上述誤區的原因，是人們在討論變速泵節能機理時容易忽略了一個重要條件，即變速泵比恒速泵節能是在恒速泵為無塔供水工況下而言的這個大前提。人們容易錯誤的認為：由于水泵變速后比水泵恒速運轉節能，水塔式供水中的水泵為恒度運轉，因此變速泵無塔供水比水塔供水節能，所以得出用無塔變頻供水取消水塔供水的錯誤結論。
由于無塔變頻供水比有塔供水多耗能約25～35%，在價格、壽命等諸多方面也產生不利后果，若該觀點流行開來，會給國家帶來巨大的能量浪費和嚴重的經濟損失。

　　(2)  由水泵相似定律：Q=kn，H=kn2，N=kn3（k為常數），得水泵實際消耗的流量、壓力、功率分別與水泵轉速的一次方、平方、立方成正比的結論[1][2][3][4][5]。

　　前已述及，水泵相似定律是表述水泵自身相似關系的表達式，水泵實際消耗功率的多少完全取決于供水系統工作點的具體位置。本文上述推導的過程表明，只有當供水高度H靜=0時，變速泵的流量、壓力、功率之間才符合相似三定律，才可以利用公式N=kn3計算變速泵供水的功耗。若H靜≠0，套用該公式必定出錯，當然計算出的所謂節能效果便不可信。

　　(3)  在恒壓供水系統中，變速泵的功耗與流量的一次方成正比[7][8]。
如前所述，變頻恒壓中，當流量Q=0時，變速泵的轉速n≠0，這表明變速泵的功率N≠0，因此，變速泵的功耗與流量的一次方并非成正比（若成正比，則Q=0時，N=0）。

參考文獻

　　[1] 沈祖翼. 節能的全自動變頻恒壓供水系統[J]. 節能與環保,2001(6).

　　[2] 沈祥華. 變頻恒壓供水系統節能分析[J]. 機電設備,2003(6).

　　[3] 陳宏志. 變頻恒壓供水應用效果分析[J]. 中國農村水利水電,2003(12).

　　[4] 張萍. 變頻器恒壓供水的應用[J]. 應用能源技術,2003(4).

　　[5] 楊君敏. 全自動變頻無塔恒壓供水系統[J]. 儀器儀表用戶,2004(3).

　　[6] 許振茂. 森蘭變頻調速器在風機水泵中的節能應用[J]. 水泵技術,2003(2).

　　[7] 曹琦. 空調供水系統變頻控制的節能應用[J]. 自動化博覽,2001(5).

　　[8] 曹琦. 系統思考變頻泵的應用[J]. 自動化博覽,2004(2).

　　[9] 張燕賓. 二次方律負載的節能問題綜述[J]. 電氣時代,2004(1).