朱亮亮, 楊航超
(重慶市設(shè)計(jì)院有限公司,重慶 400015)
民用建筑中,電動(dòng)機(jī)功率(如風(fēng)機(jī)、水泵)占比約為30%~40%,電動(dòng)機(jī)的選型及運(yùn)行是否經(jīng)濟(jì)合理,對(duì)建筑節(jié)能效果影響非常明顯,是綠色建筑節(jié)能的重中之重。通常,電動(dòng)機(jī)節(jié)能的第一反應(yīng)是選用高效節(jié)能產(chǎn)品、選擇合理的控制方式(如變頻控制)、大功率電動(dòng)機(jī)設(shè)置能耗監(jiān)控等措施,這些措施確實(shí)可以起到一定的節(jié)能效果,但很多環(huán)節(jié)容易被忽視。例如電動(dòng)機(jī)選型的各參數(shù)計(jì)算是否準(zhǔn)確,如果電動(dòng)機(jī)長期沒有在高功率因數(shù)、高效率經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行,后期改進(jìn)措施所產(chǎn)生的節(jié)能效果也許并不理想。
為了驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)源頭參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行節(jié)能的影響,先分析感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作特性曲線。眾所周知,損耗分為不變損耗和可變損耗,當(dāng)負(fù)荷率很小時(shí),可變損耗很??;負(fù)載從0開始增加時(shí),總損耗增加較慢,效率特性上升較快;當(dāng)不變損耗等于可變損耗時(shí),電動(dòng)機(jī)效率達(dá)到最大值;以后負(fù)載繼續(xù)增加,可變損耗增加很快,效率開始下降。異步電動(dòng)機(jī)在空載和輕載時(shí),效率和功率因數(shù)都很低,接近滿載(0.7~1.0Pn)時(shí),效率和功率因數(shù)都很高。同樣,空載時(shí)定子電流基本上都是勵(lì)磁電流,功率因數(shù)很低(0.1~0.2)。當(dāng)負(fù)載增加時(shí),轉(zhuǎn)子電流有功分量增加,定子電流的有功分量隨之增加,功率因數(shù)逐漸提高,在接近額定負(fù)載時(shí),功率因數(shù)達(dá)到其最大值。當(dāng)超過額定值時(shí),由于轉(zhuǎn)速降低,轉(zhuǎn)子電流中無功分量加大,又使定子功率因數(shù)下降,特性曲線如圖1。
圖1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作特性曲線
圖1可知,在額定功率Pn時(shí),電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)cosφ=0.9,效率η=0.95;運(yùn)行功率在1/2Pn時(shí),電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)cosφ=0.7,效率η=0.75;運(yùn)行功率在1/3Pn時(shí),電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)cosφ=0.55,效率η=0.59,下面實(shí)際計(jì)算額定功率下降到1/2Pn、1/3Pn時(shí),對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)輸入電流的變化。電動(dòng)機(jī)額定電流公式詳見式(1)。
式中,I為額定電流;P為額定功率;U為額定電壓;η為效率;cosφ為功率因數(shù)。
代入相關(guān)數(shù)據(jù):
從結(jié)算結(jié)果可知,在1/2Pn狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),電動(dòng)機(jī)輸入電流高達(dá)額定功率下的81.4%;在1/3Pn狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),電動(dòng)機(jī)輸入電流甚至高于1/2Pn狀態(tài)下,高達(dá)額定功率下的87.8%。由此可知,后期的各種彌補(bǔ)手段效果并不理想,相比來說,前期設(shè)計(jì)參數(shù)選擇更為重要。
以循環(huán)水泵為例,水暖專業(yè)一般通過計(jì)算流量和揚(yáng)程來確定水泵選型。例如該循環(huán)水泵的最大流量需求為40m3,揚(yáng)程為20m,則按此2個(gè)參數(shù)查找對(duì)應(yīng)水泵樣本來進(jìn)行設(shè)備選型,實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)當(dāng)中,水暖專業(yè)往往出于保守估計(jì),會(huì)適當(dāng)放大峰值流量計(jì)算,揚(yáng)程也會(huì)適當(dāng)留有余量,這一點(diǎn)很容易理解,類似電氣專業(yè)在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算,都會(huì)相對(duì)保守計(jì)算以確保變壓器安裝容量選擇滿足最大峰值需求。這種思維必然會(huì)導(dǎo)致選型的水泵實(shí)際長期沒有運(yùn)行在額定工況下,特別是在低谷時(shí)段,低于1/2Pn時(shí)。
不僅如此,大部分設(shè)計(jì)師經(jīng)常會(huì)忽略水泵產(chǎn)品制造標(biāo)準(zhǔn)問題。某循環(huán)水泵的運(yùn)行特性曲線如圖2所示,該水泵銘牌標(biāo)注額定工況為流量40m3,揚(yáng)程20m,額定功率3.7kW;但經(jīng)研究特性曲線發(fā)現(xiàn),圖2中三角形陰影面積是該水泵額定工況,對(duì)應(yīng)功率卻為2.2kW,并不是銘牌上標(biāo)注的3.7kW。經(jīng)過和產(chǎn)品制造廠方了解,水泵制造時(shí),為了確保水泵能迅速啟動(dòng)和使用安全,同時(shí)考慮產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化,采用放大一級(jí)標(biāo)注電機(jī)功率,所以該水泵額定工況下電機(jī)功率為2.2kW。但是銘牌標(biāo)注電動(dòng)機(jī)功率為3.7kW,即圖2遠(yuǎn)行曲線的平滑段最右段(流量85m3,揚(yáng)程14m)對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)功率。對(duì)照該水泵運(yùn)行曲線發(fā)現(xiàn),如果水泵處在低于額定功率的工況下運(yùn)行,例如20m3,揚(yáng)程不變依然是20m,但是電動(dòng)機(jī)功率只有約1.2kW。1臺(tái)電氣按3.7kW配電的電動(dòng)機(jī)長期運(yùn)行在1.2kW的工況下,其電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的效率非常低,能耗損失非常高,不僅有其自身運(yùn)行的能耗損失,還有電氣設(shè)計(jì)選配的開關(guān)、電纜的浪費(fèi),電纜線路損耗的加大,變壓器安裝容量的加大和后期不經(jīng)濟(jì)負(fù)荷率運(yùn)行的損耗加大等。由此可見,電動(dòng)機(jī)“源頭”節(jié)能是重中之重,是節(jié)能設(shè)計(jì)中不容忽視的必要把關(guān)環(huán)節(jié)。
圖2 循環(huán)水泵運(yùn)行特性曲線