变频恒压供水的理论研究及其适用范围

【摘要】结合变频恒压供水的工作原理和工作过程，总结出其正确的使用条件和正确的应用场合。变频恒压供水一定在非相似工况下工作，不能用相似三定律计算水泵的工作参数的结论，并纠正了目前变频恒压供水设备使用的几个常见误区。
【关键词】变频节能使用条件相似理论误区
变频恒压供水方式（简称变频供水）在一定的使用条件下具有节能效果，但实际乱用变频供水，盲目宣传节能效果，致使其非但不节能反而出现浪费能量的情况屡见不鲜。如何正确理解变频供水的运行机理，掌握变频供水的使用范围，避免能源浪费，是当今建设节约型社会亟待解决的问题之一。结合多年从事变频供水的设计与实践，提出了正确使用的范围，并就目前变频恒压供水理论和使用上存在的的问题做了纠正。
一、变频恒压供水节能的原理

1．变频恒压供水工作过程

至此完成变频恒压自动供水工作的全过程。
2．节能的理论分析
（1）无塔供水设备的供水流量应具有相同的概率分布满足用户正常用水需求的用水规律是独立存在的，即该规律不因采用什么样的供水方式而改变。例如：正常的生活小区用水规律独立于供水设备之外；满足正常的生活用水量不因采用的是变频供水还是工频泵供水而改变等等。由于无塔供水不经过水塔而直接与用户管道对接，因此供水水量的概率分布与用水水量的概率分布应为同一分布（因为只有这样才能满足用户用水的要求）。由于比较的前提是对同一个用户而言的，故可以认为所有无塔供水设备的供水流量应具有同样的概率分布，也就是供水流量Q相同。
（2）变频供水通过降低压力输出值达到节能的目的工频泵无塔供水的工作轨迹线即为水泵的外特性曲线；变频恒压供水的工作轨迹线为一条直线即恒压线。由于无塔供水的流量具有相同的概率分布，即流量Q具有相同的变化规律，因此可以将该两种无塔供水设备的工作轨迹线绘制在同一个H—Q的坐标系中。
由图2可见：①在正常的流量范围内，变频恒压供水的工作压力低于工频泵的工作压力。因此相对工频泵无塔供水而言，变频恒压供水具有节能的效果。②不同的用水量节能的程度不同。例如，当流量处在1—1直线上时，工频供水工作压力与变频供水工作压力的差值大，而当流量处在2—2直线上时，二者工作压力的差值小，因此变频供水的节能值依流量的不同而变化。这也表明，即使两个用户的日用水量相同，但各自的用水规律不同，变频供水的节能值也会不同。

（3）综上可得变频恒压供水节能的两个特点：消除工频泵的剩余压力是变频供水节能的根源。适时跟踪，即时消除波动变化的剩余压力是变频供水节能的手段。
二、变频恒压供水的几点说明
1．变频恒压供水节能的前提条件
由上述变频供水的工作过程可知，所谓变频供水节能是对比工频泵无塔供水而言的，而不是针对工频泵有塔供水而言的。在谈论变频供水节能时不能离开这个前提条件，否则就会出错。
2．变频恒压供水无法代替工频泵有塔供水
工频泵无塔供水与工频泵有塔供水虽然都是工频运转，但却有着本质的不同。前者供水工作的轨迹线为工频泵的外特性曲线，而后者为一点。围绕这个点可以使水泵工作在zui佳点（效率zui高即额定工况）上，因此有塔供水方式能使水泵的效率zui高，仍然是目前的供水方式。在有条件使用水塔或是已经有水塔的地方，一般不要使用变频供水。
3．剩余压力为恒定值时，不易使用变频恒压供水
这是因为虽然使用的工频泵产生了剩余压力，但由于剩余压力是恒定不变的，可以另选适合的规格型号的水泵以避免产生剩余压力。现在的水泵品种繁多，规格齐全，这一点不难办到。若确有困难，也宜采用切削水泵叶轮的办法达到目的。用变频供水虽然也能达到目的，但因变频器本身的效率会增加能耗，加上费用剧增而得不偿失。
4．变频恒压供水工作在非相似工况上，水泵的功率不与转速的立方成正比
（1）在相似工况下水泵以任意转速n运转时，其参数间符合下列关系：

三、变频恒压供水的使用条件与应用场合
1．变频供水的使用条件
变频供水应用的条件是：若工频泵供水时，水泵出口会产生波动变化的，具有一定的剩余压力时，则应用变频供水取代工频泵供水可以达到节能效果。
2．应用场合
变频供水以下的应用场合：
（1）在水量随机变化的用户中使用，例如居民小区等节能原理：由工频泵输出特性曲线可知，变化的用水量会导致工频泵产生变化的剩余压力。
（2）将变频泵直接串接在压力变化的自来水管道上使用节能原理：由于离心泵能借用进水口的压力，自来水压力的变化（自来水压力一般都是忽高忽低的、变化的）导致水泵出水口压力的变化而产生变化的剩余压力，这里要注意两点：①即使供水流量无变化（例如工频泵有塔供水、用户用水量恒定等），仍然可以使用变频供水。②水泵直接串接在自来水管道上，有时会对自来水管道产生吸力，应采取措施加以避免。
（3）在从水井取水的潜水泵上使用变频供水节能原理：水井水面距潜水泵进水口有一定的高度，潜水泵能借用该高度产生的压力，又由于水井的水面高度一般是变化的（当用水量大于水井的渗水量时，水面下降，反之水面增高，即通常所说的水位在静水位和动水位之间进行变化）。因此会导致工频泵产生变化的剩余压力。

基于与上述同样的理由：即使供水流量无变化，仍然可以使用变频恒压供水。
四、变频供水使用的误区
以下讨论的都是水泵未与自来水管道对接的情况。
（1）在水塔供水方式下使用变频供水如前所述，水塔供水方式下的工频泵的出口压力恒定，用变频供水只会造成能耗增加，设备成本提高。类似的情况有：在高层建筑中，建筑物的顶层都设有消防生活专用水箱（储存消防用10min水量，并附带生活用水箱）。但许多的建筑物却仍然使用了变频供水设备。
（2）由于变频供水节能，将原有的水塔取消，改造成变频恒压无塔供水有塔供水方式由于能使水泵始终运行在点上，因此是能量利用的zui佳方式，是现今变频供水等无塔供水方式所不能取代的。
（3）在使用变频器带动水泵后，看到了水泵以低于工频50Hz的方式恒定运转，就得出变频供水节能的结论。
变频供水使用的条件可归结为两点：①工频泵供水时有一定的剩余压力。②该剩余压力为波动变化的而非恒定值。变频泵以低于工频的方式恒速运转，说明工频泵确实产生了剩余压力，但该剩余压力的值不变，因此不适宜用变频供水。可以采用更换水泵规格型号或切削水泵叶轮等方法即可消除水泵的剩余压力，达到节省能量的目的。
（4）变频供水时，功率消耗与转速n的立方成正比变频恒压供水时，变频泵工作在非相似工况上，不能用公式计算变频泵能量消耗。
（5）将变频恒压供水应用在管道特性不变的场合由于管道特性不变，即便有剩余压力，剩余压力也不会变化，因此不应使用变频恒压供水。例如在供暖管道中使用的热循环水泵以及用于补充管道水量泄漏用的补水泵等，其管道特性不变或基本不变，不宜采用变频恒压方式（变流量热水循环除外，我国大部分地区现今采用的是恒流量热水循环）。
五、结束语
如何合理、有效地利用能源，准确理解变频供水的节能原理，选择正确的供水方式，对于降低单位供水量的耗电度数，缓解国家能源紧张，提高能源利用率具有十分重大的意义。