供热系统中水泵的优化设计及节能效果

朱长青

摘 要：通过优化水泵在供热系统中的设计，探讨其调节方案及节能效果。通过在供热系统中采取优化设置水泵参数和调节运行手段，达到降低系统总电耗的目的，使供热系统耗电输热比在满足规范要求的前提下进一步降低，开发供热系统节能潜力。

关键词：供热系统；水泵；优化设计；节能效果

1 前言

坚持环保节能原则，强化节约意识，大力推广建筑节能和系统节能，降低能源消耗是发展供热的一个基本原则，为集中供热工程的设计、运行、改造指明了方向。中国集中供热发展迅速，但生产和输送的能耗仍比较高。在供热系统输送方面，大流量、小温差、高能耗的运行方式普遍存在。对于热水供热系统来说，成本组成主要包括燃料费、水费、电费、管理费，其中水泵的电耗开支占有重要份额，降低水泵电耗是系统节能的重要途径。

2 工程实例

由于受到传统的循环水泵选型条件限制，一直以来对于供热系统的循环水泵选型都是宜大不宜小的原则，因此造成了设备投入成本的和运行成本增加。为了解决这类问题，我们通过对曙光公寓这一供暖小区进行了调整实验，通过数据来确定如何降低成本的方案。该小区具备的条件较为适合这个实验的完成，因为该小区为一栋楼，采用分户计量用暖，室内为散热器用暖，建筑为98年后的无外墙保温结构，在地区上来说具有一定的代表性。该小区建筑面积为7199㎡，一体两户，六层，共计5个单元。测试采用原设备运行数据与调整后的运行数据进行对比说明问题。

2.1 原循环水泵运行数据

循环水泵参数为：功率3kw、流量27.3m3/h、扬程24m，工频运行。水泵出口压力0.5mpa、回水压力0.22mpa。测试一小时，水泵电流为3.7A，耗电量为：0.655kwh，通过平衡调整后庭院供水压力0.494mpa、庭院回水压力0.22mpa。

其中一、二、三、四、五单元的总流量分别为3.769m3/h、9户、2.583m3/h、9户、3.086m3/h、9户、0.874m3/h、5户、1.028m3/h、9户；平均每户分别为0.419m3/h、0.287m3/h、0.343m3/h、0.175m3/h、0.514m3/h。

2.2 更换新循环水泵运行数据

循环水泵参数为：功率1.5kw、流量25m3/h、扬程12.5m，工频运行。水泵出口压力0.372mpa、回水压力0.228mpa。测试一小时，水泵电流为2.7A，耗电量为：0.313kwh

测试时小区入网50户，参与测试37户，通过平衡调整，各户流量数据如下：

一、二、三、四、五单元的总流量分别为2.628m3/h、8户、3.095m3/h、10户、3.025m3/h、9户、0.808m3/h、7户、0.598m3/h、2户；平均每户分别为0.329m3/h、0.31m3/h、0.336m3/h、0.115m3/h、0.299m3/h。

通过对比试验，说明了在目前的系统状态下，供热半径不超过800米的情况下，循环水泵的扬程不易过高，在系统水质保持合格的状态下，一般采用16米以下就能满足使用，这样就能节省水泵的采购价格，同时在运行时又能够起到节电的作用。

3 供热系统水泵设计的优化

供热系统配置有循环水泵、补水泵等，其中循环水泵作为整个供暖系统热水循环的动力源，功率消耗和供热系统的整体能耗密切相关。从室外气温分布情况和年采暖热负荷延续曲线分析，整个供暖期可按小流量运行的时间占到50%以上，这势必造成管网长期处于低负荷工况运行，由于循环水量居高不下，即大流量小温差运行，使得供热系统能耗很高，经济性较差，不符合节能减排的供热原则。在集中热水供暖系统中采用质调节和分阶段改变流量调节相结合的运行调节方法是一种保证供暖期不同阶段供热效果的方法。循环水泵参数的选择是设计分阶段改变流量调节和质调节相结合供热系统的关键。供热系统设计时，选择适当的计算流量合理配置循环水泵，运行电耗量可减少20%～30%。

4 供水系统中的水泵节能技术

4.1 水泵喷涂技术

水泵喷涂技术即利用表面光滑、抗磨、粗糙度小的涂层材料在流体设备内部形成光滑的表面，降低涡流产生的可能性，提高流体设备的工作效率。水泵能量损失主要有水力损失、容积损失、机械损失3种，只要减少这3种损失，就可以提高水泵的效率。在表面粗糙度等指标上有明显优势的材料对水泵有两个方面的影响：一是减少水泵的水力损失。对水泵进行喷涂后，能够提高叶轮过流部分和泵体内壁的光滑度，减少液体流过泵体时的沿程摩擦，同时可以降低流道产生涡流的几率，有效减少冲击损失；二是减少水泵的机械损失。因为材料的表面极为光滑，喷涂以后能够增加叶轮表面的光滑程度，有效减少液体与叶轮两个盖板表面的摩擦损失。

4.2 高效泵技术

高效泵技术即通过扩大泵的高效区来提高泵效率，其主要依据的原理是“三元流动理论”。根据该理论设计的叶片呈不规则的曲面形状，这样的叶轮叶片结构能够更好地适应流体的真实流态，并且可以控制叶轮内部流体质点的速度分布。采用三元流动理论进行设计，可以大大提高水泵运行的效率。利用高效泵技术对水泵进行改造，实质上是一个设备改型的过程，其需要对原来的系统进行全面诊断，确保改型后的设备能够满足用户需要。

4.3 变频调速节能技术

根据水泵比例定律，当水泵转速在一定范圍内变化时，扬程H、流量Q、轴功率P与转速n之间存在以下关系：

Q1/Q2=n1/n2

H1/H2=（n1/n2）2

P1/P2=（n1/n2）3

由上述公式可知，转速和流量之间成正比，转速的平方和扬程之间成正比，转速的立方和轴功率之间成正比，由此可以得出，当转速增加时，功率增加量远远大于流量增加量，所以，只要降低水泵的转速，就能减少单位供水量电耗。

又知，电机转速与输入频率之间的关系式为：n=60f（1-s）/p；其中f代表电源频率，S代表滑差率，P代表极对数。由以上公式可知，只要均匀改变电源频率f，就能平滑改变电动机同步转速，当电动机转速降低，轴功率也会变小，电动机输入功率就会变小，由此实现变频调速节能作用。在水泵实际工作中，用水量不断变化，为有效控制水量变化，一般通过调节泵出口阀门的方式将出口压力控制在某一规定值上，因此会导致供水时出现欠压、超压等情况，而在水泵机组中引入变频调速技术，就可以通过改变水泵转速的方式，使其扬程与流量更好地适应管网用水量变化。

4.4 叶轮改造节能技术

传统的卧式离心泵大多使用铸铁叶轮，因铸造工艺有限，叶轮的表面非常粗糙，阻力很大；同时在使用过程中，铸铁器件容易受到锈蚀和气蚀影响，会对水泵的性能造成很大影响。而不锈钢叶轮的表面非常光滑，同时水阻较小，耐冲刷，质量分布均匀，与Belzonal341材料非常相似，能够有效减小水泵的机械损失和水力损失，并且不锈钢材料具有较强的防锈、防腐性能，使用不锈钢叶轮可有效提升水泵效率，减小振动，使水泵的性能更加可靠稳定。

5 结束语

供热系统节能是多方面的，水泵设置和运行的节能只是一方面。采用先进的供热系统模式、加强建筑节能设计，减少管路系统的热损失、控制室内温度过热等都是供热系统节能的关键。在能源日益紧张、环境保护形式严峻的今天，采用先进节能技术，降低供热系统能耗指标和热成本，从而降低居民采暖收费标准，使供热单位与居民共享节能的经济效益。

参考文献：

[1] 贺平，孙钢，王飞等.供热工程[M].第四版北京：中国建筑工业出版社，2011.