朱亮亮, 楊航超
(重慶市設計院有限公司,重慶 400015)
民用建筑中,電動機功率(如風機、水泵)占比約為30%~40%,電動機的選型及運行是否經(jīng)濟合理,對建筑節(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,電動機節(jié)能的第一反應是選用高效節(jié)能產(chǎn)品、選擇合理的控制方式(如變頻控制)、大功率電動機設置能耗監(jiān)控等措施,這些措施確實可以起到一定的節(jié)能效果,但很多環(huán)節(jié)容易被忽視。例如電動機選型的各參數(shù)計算是否準確,如果電動機長期沒有在高功率因數(shù)、高效率經(jīng)濟運行狀態(tài)下運行,后期改進措施所產(chǎn)生的節(jié)能效果也許并不理想。
為了驗證電動機源頭參數(shù)對電動機運行節(jié)能的影響,先分析感應電動機工作特性曲線。眾所周知,損耗分為不變損耗和可變損耗,當負荷率很小時,可變損耗很?。回撦d從0開始增加時,總損耗增加較慢,效率特性上升較快;當不變損耗等于可變損耗時,電動機效率達到最大值;以后負載繼續(xù)增加,可變損耗增加很快,效率開始下降。異步電動機在空載和輕載時,效率和功率因數(shù)都很低,接近滿載(0.7~1.0Pn)時,效率和功率因數(shù)都很高。同樣,空載時定子電流基本上都是勵磁電流,功率因數(shù)很低(0.1~0.2)。當負載增加時,轉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,在接近額定負載時,功率因數(shù)達到其最大值。當超過額定值時,由于轉速降低,轉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 感應電動機工作特性曲線
圖1可知,在額定功率Pn時,電動機功率因數(shù)cosφ=0.9,效率η=0.95;運行功率在1/2Pn時,電動機功率因數(shù)cosφ=0.7,效率η=0.75;運行功率在1/3Pn時,電動機功率因數(shù)cosφ=0.55,效率η=0.59,下面實際計算額定功率下降到1/2Pn、1/3Pn時,對應的電動機輸入電流的變化。電動機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)。
代入相關數(shù)據(jù):
從結算結果可知,在1/2Pn狀態(tài)下運行時,電動機輸入電流高達額定功率下的81.4%;在1/3Pn狀態(tài)下運行時,電動機輸入電流甚至高于1/2Pn狀態(tài)下,高達額定功率下的87.8%。由此可知,后期的各種彌補手段效果并不理想,相比來說,前期設計參數(shù)選擇更為重要。
以循環(huán)水泵為例,水暖專業(yè)一般通過計算流量和揚程來確定水泵選型。例如該循環(huán)水泵的最大流量需求為40m3,揚程為20m,則按此2個參數(shù)查找對應水泵樣本來進行設備選型,實際項目設計當中,水暖專業(yè)往往出于保守估計,會適當放大峰值流量計算,揚程也會適當留有余量,這一點很容易理解,類似電氣專業(yè)在進行負荷計算,都會相對保守計算以確保變壓器安裝容量選擇滿足最大峰值需求。這種思維必然會導致選型的水泵實際長期沒有運行在額定工況下,特別是在低谷時段,低于1/2Pn時。
不僅如此,大部分設計師經(jīng)常會忽略水泵產(chǎn)品制造標準問題。某循環(huán)水泵的運行特性曲線如圖2所示,該水泵銘牌標注額定工況為流量40m3,揚程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,對應功率卻為2.2kW,并不是銘牌上標注的3.7kW。經(jīng)過和產(chǎn)品制造廠方了解,水泵制造時,為了確保水泵能迅速啟動和使用安全,同時考慮產(chǎn)品標準化,采用放大一級標注電機功率,所以該水泵額定工況下電機功率為2.2kW。但是銘牌標注電動機功率為3.7kW,即圖2遠行曲線的平滑段最右段(流量85m3,揚程14m)對應的電動機功率。對照該水泵運行曲線發(fā)現(xiàn),如果水泵處在低于額定功率的工況下運行,例如20m3,揚程不變依然是20m,但是電動機功率只有約1.2kW。1臺電氣按3.7kW配電的電動機長期運行在1.2kW的工況下,其電動機運行的效率非常低,能耗損失非常高,不僅有其自身運行的能耗損失,還有電氣設計選配的開關、電纜的浪費,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)濟負荷率運行的損耗加大等。由此可見,電動機“源頭”節(jié)能是重中之重,是節(jié)能設計中不容忽視的必要把關環(huán)節(jié)。
圖2 循環(huán)水泵運行特性曲線