泳池循环泵技术与发展综述.pdf

2023年第3 期.49.小原枝术泳池循环泵技术与发展综述李超陶恒飞吴广黄宗泉张鞋（广州安捷制造有限公司，广州511450)摘要：泳池水泵属民用或家用小型水泵范畴，是泳池清洁循环系统中的核心设备之一。使用现场的泳池容量、系统设备与布管长度各不相同，针对个性化的流量与扬程需求，选择合适的循环泵至关重要，同时还要求具有相当的自吸能力。随着经济发展与多功能泳池的普及，用户对设备的节能与静音水平提出了更高要求，甚至有了变频控制与智慧泳池的新需求。目前相关的研究和参考较少，对此展开调研、予以归纳并作介绍。关键词：泳池循环泵节能静音变频技术中图分类号：TH311文献标识码：A近年，国际和国内泳池及其配套相关的需求呈不断上升的趋势。其中，泳池水循环系统对池水作周期性的过滤、加药等净化处理，保证泳池长时间卫生、安全。泳池循环水泵就是为池水净化系统提供动力的设备，其作用是满足循环水量、循环周期，克服工艺设备阻力，提供进人池内所需压力 1 ，是系统中唯一的高能耗设备且不可或缺。根据相关统计数据，2 0 2 0 年，全球水疗泵与泳池泵市场规模达到了5.7 3 亿美元。预计2 0 2 7 年可以达到7.5亿美元，年复合增长率（GACR）为3.7%。北美是全球水疗泵和泳池泵最大的市场，市场份额超过48%，其次是欧洲和中国。全球水疗泵与泳池泵生产商主要包括Hayward、凌霄泵业、DaveyWater、Fl u i d r a 以及滨特尔，这5家公司占据了全球近50%的市场份额。其中凌霄泵业得益于国内完整成熟的产业链出口创汇，以低成本优势占据了相当大的市场份额，总体来看，相当于全球每年有至少2 0 0 万台的市场需求。从结构上讲，泳池泵就是在进口加装毛发过滤收集装置的普通离心泵，但实际运行过程中存在区别于普通水泵的相关问题。因此本文对其当前的技术现状进行简单归纳，同时对今后可能的发展趋势稍作探讨，以期对泳池泵的设计提供有益参考。1现场工况与需求游泳池采用循环给水的供水方式，并设置池水循环净化处理系统，如图1 所示。循环过程如下：由排出管与溢流孔接收的池水经水泵加压，依次经过沙缸等过滤设备、加热设备、盐机等消杀设备，后回到泳池侧壁。管道系统工况相对复杂，由此产生的系统阻力较大，对水泵的扬程提出了较高的需求。为保持泳池清洁，生活中最常见的竞赛泳池与成人公共泳池的池水需要每天循环6 8 次，即一个循环周期为3 4h，而私人泳池循环周期为6 8h即可。通过泳池容量与池水循环需求，水泵的流量选型可基本确定，由式(1)计算：VpQc=TZ(1)式中，Qc为水泵的流量（m/h）；V为泳池容量（m）；为泳池管道与设备的水容积附加系数，一般取1.0 51.1；T为池水循环周期(h)；Z 为溢流回收器检查阀给水管消杀设备排水管过滤器阀门加热器水泵检查阀图1泳池水循环系统2023年第3 期50小原技术并联水泵的数量。在私人泳池领域，部分用户为降低建设成本，将净水循环配套设备安装于水面以上，要求水泵在系统启动后的一定时间内上水运行，即水泵需要具备一定的自吸能力，吸程高度在1.5m以上可满足一般需求。泳池水常使用氯化物作为消毒剂，但含氯水具有较强的腐蚀性，在对循环水进行加热时，对管路中金属的腐蚀作用加剧，包括水泵的过流部件。因此泳池泵多采用抗腐蚀的聚丙烯（PP）+3 0%的玻璃纤维或聚苯醚（PPO）+3 0%的玻璃纤维等塑料材质，水泵体积很大等少数情况考虑铸铁、铜、不锈钢等金属材料。2结构与工作原理根据标准，从结构上，泳池泵按照毛发收集器与泵体是否能拆分可划分为一体式泵、分体式泵 2 。一体式泵体积较小，其流量一般小于60m/h，扬程低于2 4m；分体式泵承压能力较高，扬程最高至3 5m，流量可达40 0 m/h。一体式的泳池水泵采用直连结构 3 ，其结构如图2 所示，主要包括泵体、透明盖、压盖、机械密封、电机、底座、泵盖、导流体、叶轮、密封环、过滤篮等关键零件及开盖扳手、进出口连接件等辅助零件，其中泵体前滤腔具有储水作用，且泳池泵的导流部件多采用导叶，蜗壳式压水室较少。以更复杂的液上安装工况为例，对泳池泵的启动运转过程进行简述 4。类似于自吸泵的原理，启泵前在滤腔灌满水，进而淹没叶轮大部分；启泵后，叶轮进口产生负压将前腔存水吸人其流道进行加速加压做功，在导叶强烈的干涉作用下，泵腔预留空气与池水充分混合；后离开导叶在泵腔进行混合旋转并发生气液分离，密度更小的空气以细密的1234561312111098图2一体式泳池水泵结构图气泡形式从出口涌出；而池水滞留空腔继续混合，直至空气完全排出。运行正常后，泳池水源源不断地进入过滤腔，经过滤篮将杂质与毛发进行过滤，再进人叶轮增压，后经导叶流道收集扩压来到泵腔并排出。3技术现状在民用或家用水泵使用方面，节能和静音是永恒的主题，水泵的出力和效率决定电耗 5。而泳池泵中滤腔、泵腔的水力损失情况以及叶轮导叶的匹配性很大程度上决定了其效率。考虑到直连电机结构，泵组效率可按照式（2)计算：mDB=nDB-n 1(2)式中，MDB为泵组效率；n为电机效率，泳池泵常用的单相电机效率为50%6 0%，永磁同步电机效率为8 0%9 0%；mB为泵头效率；nl为电机与水泵的匹配系数，一般取1.5%。笔者按照国家相关标准对国内外知名品牌输人功率为1.4kW的部分泳池水泵进行实测，性能对比如图3、图4所示。24-HaywardHE-BADUSpeck20-LXSWPBHaywardvsSaci300M16-Fairland IH-LXPFlowW/H12840-0481216 20242832Q/(m/h)图3各品牌水泵流量一扬程曲线6050-40%/430-Hayward HE20-BADUSpeckALXSWPB-Haywardvs10-Saci300M-FairlandIH+-LXPFlow0048121620242832Q/(m/h)图4各品牌水泵流量-效率曲线2023年第3 期51小原技术整体来看，该能级水泵最高扬程在1 5 2 2 m范围内，最大流量基本在2 5 3 0 m/h以内。由上可推断平均比转速在1 1 0 左右，对照不同扬程曲线，发现曲线越平缓，关死点扬程越低，符合离心泵比转速性质的一般规律。最高效率在40%60%区间范围内，根据GB19762清水离心泵能效限定值及节能评价值标准计算，当前性能参数下效率要达到7 0.8%才可以认定为节能。因此，说明过滤容器对性能的影响很大，导致泳池泵效率远低于普通离心泵。同时对各泵噪音水平和自吸时间作测试并对比，如表1 所示。各水泵额定转速下噪声普遍在607 5d B（A）范围内，根据人体听觉感知，认为在7 0 dB（A）以上不再适合家用，仅可用于大中型公共泳池的水泵机房。另外用De63的PVC管搭建水泵至液面2 m高差的平台作简单的自吸测试，在此暂不讨论最大的自吸高度，主要关注自吸速度。结果表明各泵自吸时间均在7 min以内，均满足一般现场需求。为综合评价各水泵的技术水平，对用户普遍关注的最高扬程、1 0 m扬程的流量、8 m扬程的流量、效率、噪声、自吸时间作加权平均处理。流量、扬程取对照组最大值作为基准，其加权分数按式(3)计算：Y=xZ,i=1,2,3(3)最高效率、噪声、自吸时间作等效处理，各项基准数据与权重占比通过调研与实测市面上代表性的泳池水泵得到，具有普遍意义。将最高效率在35%计为0 分，在6 0%计为1 0 0 分。效率加权分数按式(4)计算：X-35Y4=60-35Z4(4)将噪声在8 0 dB(A)计为0 分，在55dB（A)计为1 0 0 分；自吸时间在6 0 0 s计为0 分，在1 2 0 s计为满分。各项加权分数按式（5）、式（6)计算：80-XYsxZs(5)80-55600-XY。600-120XZ(6)最后，该功率档各品牌泳池泵加权平均分数按式(7)计算，并列于表1 中。Y=ZiY,(7)由表1 加权得分可知，Hayward、BA D U、Saci、Fa i r l a n d 四家公司得分较高，证实了他们在市场上的产品竞争力与品牌影响力。HaywardVS款虽得分不高，但主打高扬程、强自吸能力特点，在极端复杂工况仍能正常运行。综上，各品牌最高得分为7 7.4分，平均加权得分为6 8.6 分，距离优秀还有很大差距。4发展趋势4.1节能新时期以来，全球各国积极响应联合国气候治理号召，积极推出对应节能减排措施，欧盟、中国等相继推出碳交易市场，企业加紧技术创新、产业升级，泳池设备行业也将势在必行。与此同时，澳大利亚在2 0 1 9 年更新了AS5102.1游泳池泵组的能耗和性能的测量评级标准，美国能源部（DOC）于2 0 2 1 年7 月颁布专用泳池节能标准，对不符表1 各品牌1.4kW功率档水泵性能对照表品牌系列最高扬程/m10 m流量/m38m流量/m3最高效率/%噪声/dB(A)自吸时间/s加权得分Hayward HE17.225.728.856.66822574.1BADU Speck16.327.530.257.56536074.7LX SWPB18.421.824.345.57041551.4Hayward Vs20.718.219.643.77313554.2Saci300M15.023.226.655.76520075.1Fairland IH17.326.529.755.16327077.4LXPFlow19.622.024.548.96315073.1平均17.823.626.251.86725168.6基准值X20.727.530.235,60 55,80120,600权重比乙988303015/2023年第3 期52小原枝术合能源效率要求的水泵进行管理，促进泳池水泵的技术升级。4.2静音2021新修订通过的中华人民共和国噪声污染防治法已于2 0 2 2 年6 月5日环境日开始施行，其中第6 2 条明确指出水泵是生活噪声污染的主要来源之一。国家对民用建筑噪音的规定：卧室、起居室允许白天音量必须小于等于45dB（A），夜晚应小于3 7 dB（A）。由第3 节可知大部分泳池泵噪声在6 0 7 0 dB（A），经楼体或空气传播后，可能还会对日常生活和睡眠造成一定困扰。4.3变频技术目前国内生产商主要开发定速或变速循环水泵，国外品牌主要研发生产变频循环水泵 6 。国内标准的公共泳池水循环系统，确定的周期循环导致水泵的流量基本不发生改变，采用定速泵机组具有很高的性价比。国外个人定制泳池的多样化，导致水泵的选型困难，采用变速或变频水泵可充分适应多种工况。同时在夜间或无人情况下保持低频运行，有利于降低能耗与噪声，达成家用电器节能与静音的双重目标。变频技术在泳池泵控制方面同样发挥作用，如图5所示，分别为：A、额定转速下的流量扬程曲线；B、降频状态的流量扬程曲线；C、功率恒定状态的流量一扬程曲线；D、限制最高转速的恒功率流量扬程曲线；E、管路系统阻力曲线。2.5-A一BPCH-KOC2.0D一EWH/H1.5n=n2n=no1.0-n0.50+00.20.4 0.60.8 1.01.21.4 1.61.8Q/Q图5流量一扬程曲线即在变频控制技术下，实际流量沿管路特性曲线上下移动，可满足常见工况下任意流量的需求，且可以随系统阻力变化而自适应调节。4.4物联网生态系统面向“低碳未来”的能源转型及绿色消费观念的升级之下，泳池庭院呈现出明显的发展趋势，即节能化和智能化。在恒温泳池升级过程中，菲亚兰德研发了智能变频恒温系统、智能变频循环净水系统、智能变频消杀设备、智能泳池清洁设备等，并在此基础上建立庭院泳池物联网中控生态系统，实现了泳池周边设备的智慧互联，用科技创造户外生活。5总结与展望国内泳池水泵行业起步相对较晚，在性能、自吸、静音水平上与国外品牌还有很大差距。在变频技术的逐步应用下，泳池水泵极致的节能、静音要求将被满足。随着技术发展与多功能泳池的普及，自适应的水泵运行模式将逐渐被推广，而成为智慧庭院的要素之一，实现科技化的户外体验。参考文献1中华人民共和国住房和城乡建设部CJJ1222008游泳池给水排水工程技术规程 S北京：中国建筑工业出版社，2009.2中华人民共和国住房和城乡建设部.CJ/T5342018游泳池及水疗池用循环水泵 S北京：中国标准出版社，2 0 1 8.3 张勇，陶仁和，黄新华，等WAPX系列泳池泵的设计开发J机电技术，2 0 1 5（2：1 5-1 8.4潘中永，曹卫东，李安虎，等导叶式自吸泵设计 农机化研究，2 0 0 3（4）：1 2 9-1 3 0，1 3 3.5 阳阮志坤，牛义忠。我国游泳池高能耗的原因及降耗对策 J，给水排水，2 0 0 5，3 1（6）：7 0-7 2.6滨特尔IntelliFlo泳池变频泵荣获欧洲创新大奖 J中国建设信息，2 0 0 9（8)：7 3.（本文编辑陈丽霞）（收稿日期2023 01 04)