數字集成全變（biàn）頻（pín）控製恒壓（yā）供水設備 為什麽更加節能（上）？
來源：上海天天日天天日天天日製泵有限公司 瀏（liú）覽：3728 發（fā）布日期（qī）：2019-05-29 06:06:02
變（biàn）頻調速增壓供水從（cóng）二十世紀九十年代開始（shǐ）在我（wǒ）國推（tuī）廣使用，是我國近二十幾年來應用廣泛的（de）二次增壓（yā）供水係統。但圍繞采用變頻調速供（gòng）水設備（bèi）的用（yòng）戶是否（fǒu）普遍都有較好的節能效果，業內卻（què）又（yòu）一直存有較大爭議。
采用數字集成全變（biàn）頻控製技術研發成功的水泵專用數字集成變頻控製器並（bìng）將其（qí）成功應用於建築二次供水領域，是變頻調速供水設備控製技術研發（fā）進（jìn）程中（zhōng）的關鍵突破和重大創舉（jǔ）。數字集成全變頻控製恒壓供水設備與傳統單變頻、多變頻恒（héng）壓供（gòng）水設備（bèi）相比的顯（xiǎn）著特點是高效和（hé）節能（néng），它的推廣應（yīng）用將引領（lǐng）未來建築二次供水設備發展的主導潮流。
變頻調速增壓供水從二十世紀（jì）九十（shí）年代開始在我國推廣使用，是建築二次供水技術的裏程碑跨越。所以，變頻（pín）調速供水係（xì）統也是我國近二（èr）十年來應用廣泛的二次增壓（yā）供水係統。變頻調速供水設備（bèi）之所以受到如此青睞，除其具有係統（tǒng）供水壓力穩定、采用（yòng）密閉係統使水質避免受到二次汙染（rǎn）、確保飲水衛生和（hé）可實現全自動控製、運行安全可靠等諸多特點以外，更重要的一點就是（shì）大家普遍認為該係統具有（yǒu）很好（hǎo）的節能效果（guǒ）。
但是，通過對相（xiàng）當一部分用戶（hù）變（biàn）頻調速供水設備運（yùn）行狀況的長期觀察和現場測試，圍繞變頻調速供水設備是否真正節能（néng）或采用變頻（pín）調速供水係（xì）統的用戶是否普遍都有較好的（de）節能效果這一話題？業內卻又一直存有較大爭（zhēng）議。
我們知道，影響變頻調速（sù）供水係統節能效果的關鍵因素取決於係統中所選（xuǎn）用的變頻（pín）調速供水設備是否能長期工作在水泵高效區。而要做到這（zhè）一點，又主要取決於以下二個方麵：
一、設計人員根據工程項目供水係（xì）統實際情況選（xuǎn）用合（hé）適、匹配、理想的（de）水泵和水（shuǐ）泵機（jī）組
根據水泵相（xiàng）似定律，對同一台水泵（bèng）的輸出功率與轉速、揚（yáng）程及流（liú）量（liàng）有如下關係式：
從以上公式（shì）可以看出：當楊程不變時，水泵出水量減小，轉速可同比例下降，其所需軸功率也會快速下降，能耗大幅降低。
在恒壓變流量供水係統設計過程中，設計人員通常都是按係統設計流量選擇水泵。變頻調速供水設備實現節能的（de）原理就是（shì）：當工作泵出水小於其額定流量時，水泵電機以低於工頻50Hz的頻率運行，水泵轉速降低（dī），所消耗的功率也相應降低，從而達到（dào）節能的目的。
但是，從泵組實（shí）際運行情況來看，隨著電機轉速的變化，水泵和（hé）電機的（de）效率（lǜ）也在變（biàn）化。通（tōng）常（cháng），在水泵轉速100％～60%變化範圍內（即水泵出水量在100％～60%變化（huà）範圍內），水泵和電機的效率變化幅度不是很大，節能效果（guǒ）相對明顯（xiǎn）；當水泵轉速低於60%時，水泵和電機的效率將顯著（zhe）降低，不節能或節能有限（xiàn）；當（dāng）頻率降至25Hz以（yǐ）下時，水泵（bèng）不（bú）出水、電機不做功。
而（ér）設備實際運行時係統供水流量是一（yī）個動態變化的過程。以城鎮居住小區（qū）為例，其用水高峰據統計（jì）一般隻占全天用水時間的20％左右，即一天中大（dà）多數（shù）時（shí）段（duàn）用水需求均處於（yú）低峰、低穀狀態，此時設備水泵如處於低（dī）效率區運行，勢必（bì）造成電能的（de）長時間浪費。
所以，現行《建築給水排水設計（jì）規範》、《全國民用建築工程（chéng）設計技術措施·給水排水》及各大（dà）版本《建築給水排水設計（jì）手冊》都要求工程設計人員在變頻調速供水係統（tǒng）設計中應選擇Q――H特性曲線隨流量增加揚程逐漸下降、高效區段流量範圍寬、無駝峰的水泵，即泵組高效區流量範圍與係統日常運行過程中的流量變化範圍之比例相（xiàng）協調。從而使泵組工作穩定（dìng），在多台水泵並聯運（yùn）行時安全可靠，並達到較（jiào）好的節能效（xiào）果。
不過，令廣大建築給排水設計人員深感為難的是，設計采用（yòng）變頻調速供水係統的工程項目很多，地域分布範圍又廣，項目和項目之間的係統設計參數千（qiān）差萬（wàn）別，每個項目供水係統每年、每季、每月、每天的用水工況都在變化，要選擇到泵組高效區流量範圍與係統（tǒng）日常使用過（guò）程中的流量變化範圍基本吻合（hé）的變頻調速泵（bèng）組並非易事，實際上難以做到。
二、研（yán）發高效區範圍更寬、效率更高、更加節能的（de）變頻調速供水設備
自二十世紀末開始（shǐ），國內外知名度較高的多家變頻調速（sù）供水設備生產企業針對用戶實際運行中（zhōng）存在的不節能或節能有限的實際情況，都投入了大量的人力、物力和財力，潛（qián）心研發高效區範圍（wéi）更寬、效率更高、更加節能的變頻調速恒壓（yā）供水設備。而且取得了（le）長足的進步（bù）和驕人的業績。
1、進一步提高水泵效率是一條捷徑，但（dàn）很可惜基（jī）本已（yǐ）無（wú）潛（qián）力可挖
從1875年至今的130多年時間裏（lǐ），為了不斷提高（gāo）離心泵的效率，世界水泵研發製造行業的精英們（men）做出了艱苦的努力（lì）。時至今日，想要再從整體上提高離心泵（bèng）效率的空間已很微小，哪怕（pà）是僅（jǐn）僅提高1％，也似空中樓閣，難以如願。
2、千方百（bǎi）計提高泵組（zǔ）電機效率
當變頻調速泵組電機長時間（jiān）處在低於50Hz 較多的頻率下運行時，泵組運行工況實際上已（yǐ）偏（piān）離泵組高效（xiào）區段，在非相似工況下的低效率區範圍工作，其功率消耗也不再遵從與（yǔ）電（diàn）機（jī）轉速的（de）三次方成正比的計算公式，泵組效率大大降低，且此（cǐ）時電機容（róng）易發熱（rè），引起軸承潤滑油（yóu）脂熔化流失，導致噪音（yīn）增（zēng）大、電機使用壽命（mìng）降低。
鑒於上述（shù）原因，業類很多廠家紛紛采用更加先進（jìn）的電機材料和高效的電機形式，減少電機（jī）發熱能（néng）耗損失，從而達到提高整（zhěng）機（jī）效率的目的。
3、改變傳統變頻調速控製方式，采用數字集成全變頻控製技術，使變頻調速恒壓供水設備（bèi）在係統任何流量工況都同樣具有明顯的節能效（xiào）果。
變頻調速供（gòng）水（shuǐ）設（shè）備主要是由泵組、管路（lù）係統和電氣控（kòng）製（zhì）係統三大部分組成的。回顧變頻調速供水設備的發展曆（lì）程，在著眼提高泵組效率的同時，還得益於（yú）近三十年來電氣控製元器件的多次更新換代（dài），其泵組電（diàn）氣控製技術也先後經曆（lì）了三個主要發展階（jiē）段。
（1）早期（qī）采用由通用變頻器、PLC控製器和繼電器控製電路組成的變頻調速控製技術（即早期（qī）單變（biàn）頻（pín）控製技術）
早期（第一階段）變頻調速供水設備采用的電氣（qì）控製（zhì）技術是在傳統工頻運行水泵繼電器控製電路的基礎上增加了一個變頻器和一個PLC可編程控（kòng）製器，即由通用變頻器、PLC可編程控製器和大量的開（kāi）關、繼電器（qì）、交流接觸器、各類連接導線等觸點開關類電氣元器件和體（tǐ）積龐大的（de）控製櫃組成（見圖1）。
這種控製係統中的PLC可（kě）編程控製器、通（tōng）用變頻器雖然能使泵組根（gēn）據係統流量變化變頻調（diào）速運行，但因（yīn）受（shòu）水泵自身高效區範圍較窄製約，使變頻泵隻在出水量100％～60% 變化區段有較明顯節能效果（guǒ）；水泵的啟動（dòng）和停止依然要完（wán）全依靠繼電器電路來控製，水泵的運行也隻能實現自（zì）動啟停和手動應（yīng）急啟停；且其控製電路自身控製（zhì）元器（qì）件多、觸點切換容易產生故障、電路元器件發熱產（chǎn）生較大能耗（約為水泵電機額定（dìng）功率的3％～5％），控製（zhì）櫃體積大；設備調試操作技術要求高、需專業人員根（gēn）據係統工況的（de）不同現場獨立編程（chéng）、整機標準化程度較低、不利於售後的維護和維修；設備運行過程中隨著（zhe）係統用水量的增加，水泵在（zài）變頻——工頻轉換（即加泵）時，新投入運（yùn）行（háng）的水泵從零（líng）流（liú）量至（zhì）變頻軟啟動（dòng）正常供水（shuǐ）通常會存在一個時間差（chà）（36s～180s），引起係（xì）統流量和水壓的波動，給用戶正常（cháng）使（shǐ）用帶來（lái）影響。
由於存在上述不足，加上（shàng）變頻器當時國（guó）內不能（néng）生產（chǎn），進口價格昂貴，導致（zhì）這種繼電器電路單變頻控製技術為新的數字（zì）化電路水泵變（biàn）頻控製技術所（suǒ）取代而逐漸退出曆史舞台，目前已極少在變頻（pín）調速供水（shuǐ）設備中應用了。
（2）局部（bù）數字化電氣（qì）電（diàn）路變頻調速控製技術（shù）（即中期單變頻、多變頻控製技術）
中期（第二階（jiē）段（duàn））采用的由一台或多台通用變頻器、內置PID技術的水泵專用半導體數字集成控製器（見圖2）組成的泵組電氣控製（zhì）電路替代早期由通用變頻器、PLC可編程控製器、觸摸屏、PLC功能擴展模塊、繼電器元件、連接導線（xiàn）組成的繼（jì）電器控製電路。即由半導體數字集成控（kòng）製電路取代繼電器（qì）控製電路。
圖2 半導體數字集成控製器
與早期采用由一台通用變頻器、PLC控（kòng）製器和繼電器控製電路組成的單變頻電氣控製技術相比，這一技術的顯著進步是（shì）：
它通過內（nèi）置PID數字集成控製技術把水泵變頻與控製有可（kě）能用到的所有功能集成在一個標準化的數字集成控製器內，從而減少了繼電（diàn）器等電氣元器件，觸（chù）點少，故障率大為降低，提高（gāo）了整機運行安全性、可靠性（xìng）；
它采用菜單式液晶顯示和內置程序方式，產品標準化（huà）程度得到提高，設備維護管理更加便捷、更加人性化，無需現場調試人員現場編程,大大減少設備調試工作中人為因素的影響。
這一技（jì）術（shù）尚存在的不足（zú）和缺點是：同第一階段的（de）變（biàn）頻調速供水設備的控製原理一樣是通過一個變頻器（單變頻）及相關的電氣元（yuán）器件組成的控製回路，根據係統流量變化實現加泵或減泵，再通過工頻、變頻切換的方式達到控製一套泵（bèng）組的目的。即使是為設備的每（měi）台工作水泵分別配置有變頻器（多變頻），它的（de）運行模式還是這種方式，隻是解決了在每台水泵啟動、停止時（shí）實現軟啟動，有利於消除水錘現（xiàn）象。但（dàn）整套（tào）設備還是隻有一個控製係統（如圖3）。泵組中的變頻泵有不在水泵（bèng）效率區（qū）的運行工況存在，需要用低運行頻率（25Hz）去越過此工況點（diǎn），使水（shuǐ）泵在效率（lǜ）區段運行，能耗浪費仍然存在。更多產品信息請點擊瀏覽供水設備係列
采用數字集成全變（biàn）頻控製技術研發成功的水泵專用數字集成變頻控製器並（bìng）將其（qí）成功應用於建築二次供水領域，是變頻調速供水設備控製技術研發（fā）進（jìn）程中（zhōng）的關鍵突破和重大創舉（jǔ）。數字集成全變頻控製恒壓供水設備與傳統單變頻、多變頻恒（héng）壓供（gòng）水設備（bèi）相比的顯（xiǎn）著特點是高效和（hé）節能（néng），它的推廣應（yīng）用將引領（lǐng）未來建築二次供水設備發展的主導潮流。
變頻調速增壓供水從二十世紀（jì）九十（shí）年代開始在我國推廣使用，是建築二次供水技術的裏程碑跨越。所以，變頻（pín）調速供水係（xì）統也是我國近二（èr）十年來應用廣泛的二次增壓（yā）供水係統。變頻調速供水設備（bèi）之所以受到如此青睞，除其具有係統（tǒng）供水壓力穩定、采用（yòng）密閉係統使水質避免受到二次汙染（rǎn）、確保飲水衛生和（hé）可實現全自動控製、運行安全可靠等諸多特點以外，更重要的一點就是（shì）大家普遍認為該係統具有（yǒu）很好（hǎo）的節能效果（guǒ）。
但是，通過對相（xiàng）當一部分用戶（hù）變（biàn）頻調速供水設備運（yùn）行狀況的長期觀察和現場測試，圍繞變頻調速供水設備是否真正節能（néng）或采用變頻（pín）調速供水係（xì）統的用戶是否普遍都有較好的（de）節能效果這一話題？業內卻又一直存有較大爭（zhēng）議。
我們知道，影響變頻調速（sù）供水係統節能效果的關鍵因素取決於係統中所選（xuǎn）用的變頻（pín）調速供水設備是否能長期工作在水泵高效區。而要做到這（zhè）一點，又主要取決於以下二個方麵：
一、設計人員根據工程項目供水係（xì）統實際情況選（xuǎn）用合（hé）適、匹配、理想的（de）水泵和水（shuǐ）泵機（jī）組
根據水泵相（xiàng）似定律，對同一台水泵（bèng）的輸出功率與轉速、揚（yáng）程及流（liú）量（liàng）有如下關係式：
從以上公式（shì）可以看出：當楊程不變時，水泵出水量減小，轉速可同比例下降，其所需軸功率也會快速下降，能耗大幅降低。
在恒壓變流量供水係統設計過程中，設計人員通常都是按係統設計流量選擇水泵。變頻調速供水設備實現節能的（de）原理就是（shì）：當工作泵出水小於其額定流量時，水泵電機以低於工頻50Hz的頻率運行，水泵轉速降低（dī），所消耗的功率也相應降低，從而達到（dào）節能的目的。
但是，從泵組實（shí）際運行情況來看，隨著電機轉速的變化，水泵和（hé）電機的（de）效率（lǜ）也在變（biàn）化。通（tōng）常（cháng），在水泵轉速100％～60%變化範圍內（即水泵出水量在100％～60%變化（huà）範圍內），水泵和電機的效率變化幅度不是很大，節能效果（guǒ）相對明顯（xiǎn）；當水泵轉速低於60%時，水泵和電機的效率將顯著（zhe）降低，不節能或節能有限（xiàn）；當（dāng）頻率降至25Hz以（yǐ）下時，水泵（bèng）不（bú）出水、電機不做功。
而（ér）設備實際運行時係統供水流量是一（yī）個動態變化的過程。以城鎮居住小區（qū）為例，其用水高峰據統計（jì）一般隻占全天用水時間的20％左右，即一天中大（dà）多數（shù）時（shí）段（duàn）用水需求均處於（yú）低峰、低穀狀態，此時設備水泵如處於低（dī）效率區運行，勢必（bì）造成電能的（de）長時間浪費。
所以，現行《建築給水排水設計（jì）規範》、《全國民用建築工程（chéng）設計技術措施·給水排水》及各大（dà）版本《建築給水排水設計（jì）手冊》都要求工程設計人員在變頻調速供水係統（tǒng）設計中應選擇Q――H特性曲線隨流量增加揚程逐漸下降、高效區段流量範圍寬、無駝峰的水泵，即泵組高效區流量範圍與係統日常運行過程中的流量變化範圍之比例相（xiàng）協調。從而使泵組工作穩定（dìng），在多台水泵並聯運（yùn）行時安全可靠，並達到較（jiào）好的節能效（xiào）果。
不過，令廣大建築給排水設計人員深感為難的是，設計采用（yòng）變頻調速供水係統的工程項目很多，地域分布範圍又廣，項目和項目之間的係統設計參數千（qiān）差萬（wàn）別，每個項目供水係統每年、每季、每月、每天的用水工況都在變化，要選擇到泵組高效區流量範圍與係統（tǒng）日常使用過（guò）程中的流量變化範圍基本吻合（hé）的變頻調速泵（bèng）組並非易事，實際上難以做到。
二、研（yán）發高效區範圍更寬、效率更高、更加節能的（de）變頻調速供水設備
自二十世紀末開始（shǐ），國內外知名度較高的多家變頻調速（sù）供水設備生產企業針對用戶實際運行中（zhōng）存在的不節能或節能有限的實際情況，都投入了大量的人力、物力和財力，潛（qián）心研發高效區範圍（wéi）更寬、效率更高、更加節能的變頻調速恒壓（yā）供水設備。而且取得了（le）長足的進步（bù）和驕人的業績。
1、進一步提高水泵效率是一條捷徑，但（dàn）很可惜基（jī）本已（yǐ）無（wú）潛（qián）力可挖
從1875年至今的130多年時間裏（lǐ），為了不斷提高（gāo）離心泵的效率，世界水泵研發製造行業的精英們（men）做出了艱苦的努力（lì）。時至今日，想要再從整體上提高離心泵（bèng）效率的空間已很微小，哪怕（pà）是僅（jǐn）僅提高1％，也似空中樓閣，難以如願。
2、千方百（bǎi）計提高泵組（zǔ）電機效率
當變頻調速泵組電機長時間（jiān）處在低於50Hz 較多的頻率下運行時，泵組運行工況實際上已（yǐ）偏（piān）離泵組高效（xiào）區段，在非相似工況下的低效率區範圍工作，其功率消耗也不再遵從與（yǔ）電（diàn）機（jī）轉速的（de）三次方成正比的計算公式，泵組效率大大降低，且此（cǐ）時電機容（róng）易發熱（rè），引起軸承潤滑油（yóu）脂熔化流失，導致噪音（yīn）增（zēng）大、電機使用壽命（mìng）降低。
鑒於上述（shù）原因，業類很多廠家紛紛采用更加先進（jìn）的電機材料和高效的電機形式，減少電機（jī）發熱能（néng）耗損失，從而達到提高整（zhěng）機（jī）效率的目的。
3、改變傳統變頻調速控製方式，采用數字集成全變頻控製技術，使變頻調速恒壓供水設備（bèi）在係統任何流量工況都同樣具有明顯的節能效（xiào）果。
變頻調速供（gòng）水（shuǐ）設（shè）備主要是由泵組、管路（lù）係統和電氣控（kòng）製（zhì）係統三大部分組成的。回顧變頻調速供水設備的發展曆（lì）程，在著眼提高泵組效率的同時，還得益於（yú）近三十年來電氣控製元器件的多次更新換代（dài），其泵組電（diàn）氣控製技術也先後經曆（lì）了三個主要發展階（jiē）段。
（1）早期（qī）采用由通用變頻器、PLC控製器和繼電器控製電路組成的變頻調速控製技術（即早期（qī）單變（biàn）頻（pín）控製技術）
早期（第一階段）變頻調速供水設備采用的電氣（qì）控製（zhì）技術是在傳統工頻運行水泵繼電器控製電路的基礎上增加了一個變頻器和一個PLC可編程控（kòng）製器，即由通用變頻器、PLC可編程控製器和大量的開（kāi）關、繼電器（qì）、交流接觸器、各類連接導線等觸點開關類電氣元器件和體（tǐ）積龐大的（de）控製櫃組成（見圖1）。
這種控製係統中的PLC可（kě）編程控製器、通（tōng）用變頻器雖然能使泵組根（gēn）據係統流量變化變頻調（diào）速運行，但因（yīn）受（shòu）水泵自身高效區範圍較窄製約，使變頻泵隻在出水量100％～60% 變化區段有較明顯節能效果（guǒ）；水泵的啟動（dòng）和停止依然要完（wán）全依靠繼電器電路來控製，水泵的運行也隻能實現自（zì）動啟停和手動應（yīng）急啟停；且其控製電路自身控製（zhì）元器（qì）件多、觸點切換容易產生故障、電路元器件發熱產（chǎn）生較大能耗（約為水泵電機額定（dìng）功率的3％～5％），控製（zhì）櫃體積大；設備調試操作技術要求高、需專業人員根（gēn）據係統工況的（de）不同現場獨立編程（chéng）、整機標準化程度較低、不利於售後的維護和維修；設備運行過程中隨著（zhe）係統用水量的增加，水泵在（zài）變頻——工頻轉換（即加泵）時，新投入運（yùn）行（háng）的水泵從零（líng）流（liú）量至（zhì）變頻軟啟動（dòng）正常供水（shuǐ）通常會存在一個時間差（chà）（36s～180s），引起係（xì）統流量和水壓的波動，給用戶正常（cháng）使（shǐ）用帶來（lái）影響。
由於存在上述不足，加上（shàng）變頻器當時國（guó）內不能（néng）生產（chǎn），進口價格昂貴，導致（zhì）這種繼電器電路單變頻控製技術為新的數字（zì）化電路水泵變（biàn）頻控製技術所（suǒ）取代而逐漸退出曆史舞台，目前已極少在變頻（pín）調速供水（shuǐ）設備中應用了。
（2）局部（bù）數字化電氣（qì）電（diàn）路變頻調速控製技術（shù）（即中期單變頻、多變頻控製技術）
中期（第二階（jiē）段（duàn））采用的由一台或多台通用變頻器、內置PID技術的水泵專用半導體數字集成控製器（見圖2）組成的泵組電氣控製（zhì）電路替代早期由通用變頻器、PLC可編程控製器、觸摸屏、PLC功能擴展模塊、繼電器元件、連接導線（xiàn）組成的繼（jì）電器控製電路。即由半導體數字集成控（kòng）製電路取代繼電器（qì）控製電路。
圖2 半導體數字集成控製器
與早期采用由一台通用變頻器、PLC控（kòng）製器和繼電器控製電路組成的單變頻電氣控製技術相比，這一技術的顯著進步是（shì）：
它通過內（nèi）置PID數字集成控製技術把水泵變頻與控製有可（kě）能用到的所有功能集成在一個標準化的數字集成控製器內，從而減少了繼電（diàn）器等電氣元器件，觸（chù）點少，故障率大為降低，提高（gāo）了整機運行安全性、可靠性（xìng）；
它采用菜單式液晶顯示和內置程序方式，產品標準化（huà）程度得到提高，設備維護管理更加便捷、更加人性化，無需現場調試人員現場編程,大大減少設備調試工作中人為因素的影響。
這一技（jì）術（shù）尚存在的不足（zú）和缺點是：同第一階段的（de）變（biàn）頻調速供水設備的控製原理一樣是通過一個變頻器（單變頻）及相關的電氣元（yuán）器件組成的控製回路，根據係統流量變化實現加泵或減泵，再通過工頻、變頻切換的方式達到控製一套泵（bèng）組的目的。即使是為設備的每（měi）台工作水泵分別配置有變頻器（多變頻），它的（de）運行模式還是這種方式，隻是解決了在每台水泵啟動、停止時（shí）實現軟啟動，有利於消除水錘現（xiàn）象。但（dàn）整套（tào）設備還是隻有一個控製係統（如圖3）。泵組中的變頻泵有不在水泵（bèng）效率區（qū）的運行工況存在，需要用低運行頻率（25Hz）去越過此工況點（diǎn），使水（shuǐ）泵在效率（lǜ）區段運行，能耗浪費仍然存在。更多產品信息請點擊瀏覽供水設備係列
