采用數字集成全變頻控制技術研發成功的水泵專用數字集成變頻控制器并將其成功應用于建筑二次供水領域，是變頻調速供水設備控制技術研發進程中的關鍵突破和重大創舉。數字集成全變頻控制恒壓供水設備與傳統單變頻、多變頻恒壓供水設備相比的最顯著特點是高效和節能，它的推廣應用將引領未來建筑二次供水設備發展的主導潮流。
關鍵詞：單變頻 多變頻 全變頻 全變頻控制恒壓供水設備 高效 節能
變頻調速增壓供水從二十世紀九十年代開始在我國推廣使用，是建筑二次供水技術的里程碑跨越。所以，變頻調速供水系統也是我國近二十年來應用最為廣泛的二次增壓供水系統。變頻調速供水設備之所以受到如此青睞，除其具有系統供水壓力穩定、采用密閉系統使水質避免受到二次污染、確保飲水衛生和可實現全自動控制、運行安全可靠等諸多特點以外，更重要的一點就是大家普遍認為該系統具有很好的節能效果。
但是，通過對相當一部分用戶變頻調速供水設備運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或采用變頻調速供水系統的用戶是否普遍都有較好的節能效果這一話題？業內卻又一直存有較大爭議。
我們知道，影響變頻調速供水系統節能效果的關鍵因素取決于系統中所選用的變頻調速供水設備是否能長期工作在水泵高效區。而要做到這一點，又主要取決于以下二個方面：
一、設計人員根據工程項目供水系統實際情況選用最合適、最匹配、最理想的水泵和水泵機組根據水泵相似定律，對同一臺水泵的輸出功率與轉速、揚程及流量有如下關系式：
從以上公式可以看出：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。
在恒壓變流量供水系統設計過程中，設計人員通常都是按系統最大設計流量選擇水泵。變頻調速供水設備實現節能的原理就是：當工作泵出水小于其額定流量時，水泵電機以低于工頻50Hz的頻率運行，水泵轉速降低，所消耗的功率也相應降低，從而達到節能的目的。
但是，從泵組實際運行情況來看，隨著電機轉速的變化，水泵和電機的效率也在變化。通常，在水泵轉速100％～60%變化范圍內（即水泵出水量在100％～60%變化范圍內），水泵和電機的效率變化幅度不是很大，節能效果相對明顯；當水泵轉速低于60%時，水泵和電機的效率將顯著降低，不節能或節能有限；當頻率降至25Hz以下時，水泵不出水、電機不做功。
而設備實際運行時系統供水流量是一個動態變化的過程。以城鎮居住小區為例，其用水高峰據統計一般只占全天用水時間的20％左右，即一天中大多數時段用水需求均處于低峰、低谷狀態，此時設備水泵如處于低效率區運行，勢必造成電能的長時間浪費。
所以，現行《建筑給水排水設計規范》、《全國民用建筑工程設計技術措施·給水排水》及各大版本《建筑給水排水設計手冊》都要求工程設計人員在變頻調速供水系統設計中應選擇Q――H特性曲線隨流量增加揚程逐漸下降、高效區段流量范圍寬、無駝峰的水泵，即泵組高效區流量范圍與系統日常運行過程中的流量變化范圍之比例相協調。從而使泵組工作穩定，在多臺水泵并聯運行時安全可靠，并達到較好的節能效果。
不過，令廣大建筑給排水設計人員深感為難的是，設計采用變頻調速供水系統的工程項目很多，地域分布范圍又廣，項目和項目之間的系統設計參數千差萬別，每個項目供水系統每年、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范圍與系統日常使用過程中的流量變化范圍基本吻合的變頻調速泵組并非易事，實際上難以做到。
二、研發高效區范圍更寬、效率更高、更加節能的變頻調速供水設備
自二十世紀末開始，國內外知名度較高的多家變頻調速供水設備生產企業針對用戶實際運行中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，潛心研發高效區范圍更寬、效率更高、更加節能的變頻調速恒壓供水設備。而且取得了長足的進步和驕人的業績。
1、進一步提高水泵效率是一條捷徑，但很可惜基本已無潛力可挖
從1875年至今的130多年時間里，為了不斷提高離心泵的效率，世界水泵研發制造行業的精英們做出了艱苦的努力。時至今日，想要再從整體上提高離心泵效率的空間已很微小，哪怕是僅僅提高1％，也似空中樓閣，難以如愿。
2、千方百計提高泵組電機效率
當變頻調速泵組電機長時間處在低于50Hz 較多的頻率下運行時，泵組運行工況實際上已偏離泵組高效區段，在非相似工況下的低效率區范圍工作，其功率消耗也不再遵從與電機轉速的三次方成正比的計算公式，泵組效率大大降低，且此時電機容易發熱，引起軸承潤滑油脂熔化流失，導致噪音增大、電機使用壽命降低。
鑒于上述原因，業類很多廠家紛紛采用更加先進的電機材料和高效的電機形式，減少電機發熱能耗損失，從而達到提高整機效率的目的。
3、改變傳統變頻調速控制方式，采用數字集成全變頻控制技術，使變頻調速恒壓供水設備在系統任何流量工況都同樣具有明顯的節能效果。
變頻調速供水設備主要是由泵組、管路系統和電氣控制系統三大部分組成的。回顧變頻調速供水設備的發展歷程，在著眼最大限度提高泵組效率的同時，還得益于近三十年來電氣控制元器件的多次更新換代，其泵組電氣控制技術也先后經歷了三個主要發展階段。
（1）早期采用由通用變頻器、PLC控制器和繼電器控制電路組成的變頻調速控制技術（即早期單變頻控制技術）
早期（第一階段）變頻調速供水設備采用的電氣控制技術是在傳統工頻運行水泵繼電器控制電路的基礎上增加了一個變頻器和一個PLC可編程控制器，即由通用變頻器、PLC可編程控制器和大量的開關、繼電器、交流接觸器、各類連接導線等觸點開關類電氣元器件和體積龐大的控制柜組成（見圖1）。
圖1 早期PLC單變頻控制柜
這種控制系統中的PLC可編程控制器、通用變頻器雖然能使泵組根據系統流量變化變頻調速運行，但因受水泵自身高效區范圍較窄制約，使變頻泵只在出水量100％～60% 變化區段有較明顯節能效果；水泵的啟動和停止依然要完全依靠繼電器電路來控制，水泵的運行也只能實現自動啟停和手動應急啟停；且其控制電路自身控制元器件多、觸點切換容易產生故障、電路元器件發熱產生較大能耗（約為水泵電機額定功率的3％～5％），控制柜體積大；設備調試操作技術要求高、需專業人員根據系統工況的不同現場獨立編程、整機標準化程度較低、不利于售后的維護和維修；設備運行過程中隨著系統用水量的增加，水泵在變頻——工頻轉換（即加泵）時，新投入運行的水泵從零流量至變頻軟啟動正常供水通常會存在一個時間差（36s～180s），引起系統流量和水壓的波動，給用戶正常使用帶來影響。
由于存在上述不足，加上變頻器當時國內不能生產，進口價格昂貴，導致這種繼電器電路單變頻控制技術為新的數字化電路水泵變頻控制技術所取代而逐漸退出歷史舞臺，目前已極少在變頻調速供水設備中應用了。
（2）局部數字化電氣電路變頻調速控制技術（即中期單變頻、多變頻控制技術）
中期（第二階段）采用的由一臺或多臺通用變頻器、內置PID技術的水泵專用半導體數字集成控制器（見圖2）組成的泵組電氣控制電路替代早期由通用變頻器、PLC可編程控制器、觸摸屏、PLC功能擴展模塊、繼電器元件、連接導線組成的繼電器控制電路。即由半導體數字集成控制電路取代繼電器控制電路。
圖2 半導體數字集成控制器
與早期采用由一臺通用變頻器、PLC控制器和繼電器控制電路組成的單變頻電氣控制技術相比，這一技術的顯著進步是：
它通過內置PID數字集成控制技術把水泵變頻與控制有可能用到的所有功能集成在一個標準化的數字集成控制器內，從而減少了繼電器等電氣元器件，觸點少，故障率大為降低，提高了整機運行安全性、可靠性；
它采用菜單式液晶顯示和內置程序方式，產品標準化程度得到提高，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。
這一技術尚存在的不足和缺點是：同第一階段的變頻調速供水設備的控制原理一樣是通過一個變頻器（單變頻）及相關的電氣元器件組成的控制回路，根據系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制一套泵組的目的。即使是為設備的每臺工作水泵分別配置有變頻器（多變頻），它的運行模式還是這種方式，只是解決了在每臺水泵啟動、停止時實現軟啟動，有利于消除水錘現象。但整套設備還是只有一個控制系統（如圖3）。泵組中的變頻泵有不在水泵效率區的運行工況存在，需要用最低運行頻率（25Hz）去越過此工況點，使水泵在效率區段運行，能耗浪費仍然存在（如圖4）。
（3）數字集成全變頻控制技術（即近期全變頻控制技術）
為了從根本上克服這一技術的以上不足，實現在一臺變頻供水設備中使用二套或二套以上且相互聯動的獨立多控制系統來提高泵組運行的安全性和可靠性，無論系統工況流量如何變化，設備中的工作水泵始終能在高效區內運行，并且不會出現能耗浪費現象，韓國杜科株式會社經過多年的潛心攻關，終于研發成功當今世界上先進的全數字化集成電路水泵專用變頻控制器。
近期（第三階段）采用數字集成全變頻控制技術研發成功的水泵專用數字集成變頻控制器（見圖5）具有智能化程度高、擴展功能強、自身能耗小、安全可靠、操作便捷等顯著特點，將其成功應用于建筑二次供水領域，是變頻調速供水設備控制技術研發進程中的關鍵突破和重大創舉。
圖5 水泵專用數字集成全變頻控制器
水泵專用數字集成變頻控制器既是變頻器，又是控制器，整套供水設備無需再設控制柜；設備中的每臺水泵（主泵、備用泵、小流量泵）均配置有專用變頻控制器；每臺水泵配置的變頻控制器既相互獨立又相互聯動，使整套設備具有多個與水泵一對一相互匹配的變頻和控制大腦，設備中所有水泵共享系統運行數據信息，聯動均衡運行，克服工作水泵不在高效區運行現象，實現真正意義上的全變頻控制運行；數字集成全變頻控制恒壓供水設備具有智能化程度更高、擴展功能更強、自身能耗更小、更加高效、更加節能、更加安全可靠、操作更加便捷等顯著特點。
經幾年來的比較測試和工程應用實例數據積累，數字集成全變頻控制恒壓供水設備（見圖6）較普通恒壓變頻供水設備節能率可提高12％～30％，效果十分明顯。
圖6 數字集成全變頻控制恒壓供水設備
數字集成全變頻控制恒壓供水設備節能效果的大幅度提升主要是通過以下幾個途徑實現的。
①全變頻運行設備中的每臺水泵其高效區流量范圍可從額定流量的100％～60% 延伸到100％～50%；
圖7為設備單泵額定流量20m³／h，單泵功率4kW，共3臺水泵在系統供水流量為48m³／h時的全變頻與單變頻控制實測能耗數據比較，消耗功率降低1.895 kW／h。
圖7 數字集成全變頻恒壓供水設備與普通單變頻恒壓供水設備能耗測試比較
下表是單泵額定流量Q＝20m³／h、單泵功率N＝4kW，共3臺水泵的同一套供水設備，在系統工況條件完全一致的前提下，供水流量在20m³／h ～52m³／h區間采用全變頻與單變頻控制的實測能耗數據比較：
通過上表的實測數據我們可以清楚看出：由3臺杜科DRL工作泵組成的供水設備，系統從小流量20m³／h到大流量52m³／h區間運行，全變頻與單變頻相比，最高節能率達到31%，最低節能率也達到3.2%；在8個流量區段連續運行，采用數字集成全變頻控制比采用PLC 單變頻控制更節能，平均節能率為12.3%。
②設備在多工作泵全變頻運行時采用效率均衡運行模式，達到更理想的節能效果（見圖8、圖9）。
③ 當用戶系統設計用水量較小、需配置的工作泵流量小于等于10m³／h時，設備一般按2臺額定流量相同的水泵配置，并設置成互為備用、全變頻運行方式。
④ 當用戶用水量不均衡且持續時間較長、系統低谷用水量偏離單工作泵高效區較多且又超過設備配置的小型氣壓水罐供水能力時，增加配置小型水泵在低谷用水量時變頻輔助運行，以避免主工作泵頻繁啟動，保證系統供水平穩，進一步降低設備整機運行能耗。
⑤ 控制系統中元器件和電氣線路的自身電能損耗大幅度減少。
把變頻器和控制器集成為一體的水泵專用變頻控制器不需要 PLC 可編程控制器，不需要繼電器電路，不需要另配通用變頻器，也沒有了體積龐大的控制柜，使控制系統中元器件及電氣線路的自身能耗大幅度降低 。
數字集成全變頻控制恒壓供水設備應用前景十分廣闊。除廣泛應用于新建項目的建筑二次供水系統以外，還可用于上世紀九十年代采用早期單變頻控制技術的變頻調速供水設備老舊泵房的節能改造，以及工業給水、空調暖通循環供水系統等。
2010年，沈陽自來水公司大北泵站節能改造項目經過多方面比較，采用上海中韓杜科泵業制造有限公司數字集成全變頻控制恒壓供水設備，改造前實測最高日耗電量321kW／h，改造后實測日耗電量僅140kW／h，是最具代表性的成功案例。
2014年3月20日，我們從意大利米蘭歐洲國際水展上獲悉：歐盟已要求其成員國現階段單泵功率11kW以上供水設備的每臺水泵必須一對一配置數字集成全變頻控制裝置；從2017年1月開始，要求單泵功率 11kW 及以下供水設備的每臺水泵也必須一對一配置數字集成全變頻控制裝置，以實現全部用戶增壓供水設備的每臺水泵均為變頻調速運行，大幅度降低水泵運行能耗。
為了推動數字集成全變頻控制恒壓供水設備在我國的快速推廣和廣泛應用，由悉地國際設計顧問（深圳）有限公司和上海中韓杜科泵業制造有限公司共同主編的中國工程建設協會標準《數字集成全變頻控制恒壓供水設備應用技術規程》即將出版發行。
