民用建筑电动机“源头”节能浅析

朱亮亮， 杨航超

(重庆市设计院有限公司，重庆 400015)

0 引言

民用建筑中，电动机功率(如风机、水泵)占比约为30%～40%，电动机的选型及运行是否经济合理，对建筑节能效果影响非常明显，是绿色建筑节能的重中之重。通常，电动机节能的第一反应是选用高效节能产品、选择合理的控制方式(如变频控制)、大功率电动机设置能耗监控等措施，这些措施确实可以起到一定的节能效果，但很多环节容易被忽视。例如电动机选型的各参数计算是否准确，如果电动机长期没有在高功率因数、高效率经济运行状态下运行，后期改进措施所产生的节能效果也许并不理想。

1 感应电动机工作特性曲线分析

为了验证电动机源头参数对电动机运行节能的影响，先分析感应电动机工作特性曲线。众所周知，损耗分为不变损耗和可变损耗，当负荷率很小时，可变损耗很小；负载从0开始增加时，总损耗增加较慢，效率特性上升较快；当不变损耗等于可变损耗时，电动机效率达到最大值；以后负载继续增加，可变损耗增加很快，效率开始下降。异步电动机在空载和轻载时，效率和功率因数都很低，接近满载(0.7～1.0Pn)时，效率和功率因数都很高。同样,空载时定子电流基本上都是励磁电流，功率因数很低(0.1～0.2)。当负载增加时，转子电流有功分量增加，定子电流的有功分量随之增加，功率因数逐渐提高，在接近额定负载时，功率因数达到其最大值。当超过额定值时，由于转速降低，转子电流中无功分量加大，又使定子功率因数下降，特性曲线如图1。

图1 感应电动机工作特性曲线

图1可知，在额定功率Pn时，电动机功率因数cosφ=0.9，效率η=0.95；运行功率在1/2Pn时，电动机功率因数cosφ=0.7，效率η=0.75；运行功率在1/3Pn时，电动机功率因数cosφ=0.55，效率η=0.59，下面实际计算额定功率下降到1/2Pn、1/3Pn时，对应的电动机输入电流的变化。电动机额定电流公式详见式(1)。

式中，I为额定电流；P为额定功率；U为额定电压；η为效率；cosφ为功率因数。

代入相关数据：

从结算结果可知，在1/2Pn状态下运行时，电动机输入电流高达额定功率下的81.4%；在1/3Pn状态下运行时，电动机输入电流甚至高于1/2Pn状态下，高达额定功率下的87.8%。由此可知，后期的各种弥补手段效果并不理想，相比来说，前期设计参数选择更为重要。

2 水泵设计选型问题

以循环水泵为例，水暖专业一般通过计算流量和扬程来确定水泵选型。例如该循环水泵的最大流量需求为40m3，扬程为20m，则按此2个参数查找对应水泵样本来进行设备选型，实际项目设计当中，水暖专业往往出于保守估计，会适当放大峰值流量计算，扬程也会适当留有余量，这一点很容易理解，类似电气专业在进行负荷计算，都会相对保守计算以确保变压器安装容量选择满足最大峰值需求。这种思维必然会导致选型的水泵实际长期没有运行在额定工况下，特别是在低谷时段，低于1/2Pn时。

不仅如此，大部分设计师经常会忽略水泵产品制造标准问题。某循环水泵的运行特性曲线如图2所示，该水泵铭牌标注额定工况为流量40m3，扬程20m，额定功率3.7kW；但经研究特性曲线发现，图2中三角形阴影面积是该水泵额定工况，对应功率却为2.2kW，并不是铭牌上标注的3.7kW。经过和产品制造厂方了解，水泵制造时，为了确保水泵能迅速启动和使用安全，同时考虑产品标准化，采用放大一级标注电机功率，所以该水泵额定工况下电机功率为2.2kW。但是铭牌标注电动机功率为3.7kW，即图2远行曲线的平滑段最右段(流量85m3，扬程14m)对应的电动机功率。对照该水泵运行曲线发现，如果水泵处在低于额定功率的工况下运行，例如20m3，扬程不变依然是20m，但是电动机功率只有约1.2kW。1台电气按3.7kW配电的电动机长期运行在1.2kW的工况下，其电动机运行的效率非常低，能耗损失非常高，不仅有其自身运行的能耗损失，还有电气设计选配的开关、电缆的浪费，电缆线路损耗的加大，变压器安装容量的加大和后期不经济负荷率运行的损耗加大等。由此可见，电动机“源头”节能是重中之重，是节能设计中不容忽视的必要把关环节。

图2 循环水泵运行特性曲线

3 结束语