高层住宅供水系统设计优化

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【摘要】高层住宅的给水方式直接影响着给水系统的使用和工程造价，住宅楼高区部分常用的供水方式是变频供水，既可以满足住户需求又能节约能源。本文重点介绍了节能的变频供水方式，以优化高层住宅的供水系统设计。

【关键词】高层供水 节能 变频

[Abstract] water supply in high-rise residential directly affects the water supply system in the engineering, building high part of water used is the frequency of water supply, which can meet the needs of tenants and energy. This paper focuses on the frequency of water supply energy saving, in order to optimize the design of water supply system of high-rise residential.

[keyword] high-level water supply; energy saving; frequency

中图分类号: TV674 文献标识码：A文章编号：

1 引言

给水方式关系到生活给水系统的使用和工程造价，是高层建筑生活给水系统设计的关键。对于绝大多数高层建筑，都是采用分区给水的方式供水，因为城市给水管网的水压不能满足高区部分的生活用水需求。分区给水即低区部分直接由城市给水管网供水，高区部分由水泵加压供水。目前，高区部分使用最多的供水方式就是变频供水。而变频供水分成两种：变频恒压供水和变频变压供水。

2变频恒压供水

变频恒压供水系统是指水泵出口压力保持稳定，水泵流量是根据用户用水量变化而变化。同时将压力传感器设在水泵机组出水口,目的在于让水泵出水口的压力保持恒定，一般情况下设定为最不利工况时水泵出水口所需压力值。根据水泵特性曲线，水泵流量下降，水泵的扬程就会升高。若要保持水泵扬程恒定，就得降低水泵流速，这就是变频恒压供水的基本原理。

3 变频变压供水

变频恒压供水系统区别于变频恒压供水系统是将压力传感器设置在供水管网末端，PID 调节器设定值为管网末端用户所需的服务水头值。系统通过自动调节使管网末端水压保持恒定，使管路特性曲线和系统静扬程不变，而水泵出水口压力则随着供水量变化依管路特性曲线而改变，故理论上实现了“系统需要多少，机组提供多少”，不会由于供水量的减小而产生多余的静扬程，节能效果满意。

变频变压供水优于变频恒压供水，不仅体现在节能上，而且更有利于管网的稳定运行。根据资料显示，采用变频变压供水要比高出变频恒压供水节约能耗15% 左右。

4 变频节能原理

1）降低功率节能

根据水泵的相似定律，水泵在相似工况的时候，功率随着转速的三次方变化。当同时使用变频供水跟工频泵供水的时候。水泵的能耗一般就是用功率乘以运行时间，所以功率降低，水泵的能耗也随之降低。节能的那部分能耗从直观上来说就是由于工频泵因流量降低而导致扬程升高所消耗的这部分能耗。

2）功率因素节能

功率因素越大，有功功率越大，一般电动机的功率因素为0.6~0.7，使用了变频以后，功率因素的值约等于 1。也就是将无功功率的值降到最低，使得水泵的能耗都消耗在电机运转上，全部用来对外做工，使得水泵的效率达到最高，节能效果更好。

3）启动方式节能

变频一般都是采用自动控制系统，方便调试跟运行，都是自动化控制。水泵启动采用软启动，软停止的方式。电机直接启动电流常规是 6~7 倍的额定电流，软启动限制电流通常为 3~4.5 倍额定电流，可以修改。通过软启动，一方面降低了启动能耗，另一方面电机启动时对电网无冲击, 减少了水泵及阀门等的损耗, 保证了工艺技术要求, 经济效益明显。

5 学府小区供水优化设计

5. 1 供水现状

本文通过分析天津市学府小区的实例来分析优化设计方案。学府小区供水方式为变频恒压供水中区用户一共 432 户，学府小区中区供水设计采用四台水泵供水，三用一备，其中每台水泵功率为 11kw。流量 Q=30 m³/h；扬程 H=90.2m。四台水泵联合供水，总出水管选用外径 219mm 的钢管。中区的供水区域为：18 号楼 5~9 层，一层 8 户 ；19~22 号楼 5-18 层，一层 4 户；23、24 号楼 5~18 层，一层 6 户。共计 432 户。水泵供水压力为 0.8MPa。

5. 2 供水系统设计

学府小区中区加压供水户数一共 432 户，根据规范，设定户均 3.5 人，用水定额为：，小时变化系数为：，每户卫生器具当量数：。

则中区最高日用水量为：

中区最高日最高时用水量为：

中区给水设计秒流量计算结果为分两种情况：

若采用《建筑给水排水设计规范》（GB J15—88）

若采用《建筑给水排水设计规范》（GB 50015—2003）

中区供水范围为： 18 号楼 5~9 层，一层 8 户；19~22 号楼 5~18 层，一层 4户；23、24 号楼 5~18 层，一层 6 户。那最不利供水点则为 18 层。根据估算，供水所需扬程为：。

目前采用水泵型号：XBD系列。三用一备，其中每台水泵功率为 11kw。流量；扬程。 满足上述计算流量跟扬程。由于实际设计采用的是《建筑给水排水设计规范》（GB J15—88），说明原本的设计没有原则性问题。

5. 3 设计值与实测值对比

将学府小区的实测值与设计值进行对比，如表1所示。

表 1 设计值实测值对照表

但是根据实际监测，学府小区实测值与检测值差距颇大。

两者矛盾在于：

1）用水定额选择偏大，对于南方地区一般选用 200~300 L/人·d，而对于天津这个北方城市，用水定额选为 120 L/人·d 更加合适。

2）小时变化系数取值偏大。根据实测计算出得小时变化系数只有：1.43。对于小区的小时变化系数的取值，应该根据用户的多少来选择，而不是一味的选定目前通用的 2.5。明显不切合实际情况，造成选泵很大的流量浪费，水泵造价的提高，运行电耗的增加。

3）用户平均人数的取值。现在一般选用的 3.5 人，从根本上来说是正确的。但是由于小区住房的入住率不是百分之百的，加上三口以上的家庭占全市的比例越来越多，也就是一户的人数平均值在降低。这些因素都导致每一户用水量的降低。

4）用水时间。目前规范规定值为 24h。但是根据实测曲线，得知在用水流量在早上 0 点到 6 点之间几乎是很小的。对小流量跟最高流量变化较大的地方，应该不是把用水时间直接认为 24 小时，应该根据用水规律，按照时间顺序，分阶段计算流量，分阶段选泵。

5. 4 优化设计

学府小区用水高峰一般持续时间为 10 小时在早上 7 点到 10 点，中午 11 点到 13 点，晚上 18 点到 23 点，用水低峰为 6 个小时从早上 0 点到 6 点，剩下的8 个小时为用水中峰。而学府小区的实际能耗根据每日的监测结果可以得出，每天的平均能耗为 107.65kWh。根据表1 和表2 中小区用水的实际情况对长寿公寓次供水系统进行改造。

表2 最高日用水量表

学府小区：选用三台水泵，两用一备。根据小区 24 小时用水量表可以根据不同的时刻使用不同的水泵。在凌晨零点到六点之间，水泵用水量比较小，基本上低于5.0m³/h。早上六点之后开始出现高峰和中峰，并且一直持续到晚上 24 点。所以按照用水量曲线，选择两台水泵，一台大泵，一台小泵。两者交替使用。故根据上述情况，对水泵选型。

故辅泵型号为：SJ5-23。水泵流量为 5.0m3/h；扬程为 86.5m；额定功率为2.2kW；转速为：2850r/min。主泵型号为：SJ12-17。水泵流量为 12.0 m³/h；扬程为 86.0m；额定功率为 5.5kW；转速为：2850r/min。

表 2 中，0 点到 1 点的流量为 3.71 m³/h。水泵转速为 2850r/min，扬程为86.5。根据水泵相似定律：

将得到的水泵相似曲线和水泵特性曲线 Q-H 曲线相交与一点，计算得出交点的流量为 4.02 m³/h，功率为 1.88 kW。而根据相似定律：

故当流量为 3.71 m³/h 时，水泵的功率为 1.48 kW。根据上述原理，依次类推，得出所有时刻的水泵功率表。将各个时间段的功率叠加得到的就是水泵一天的能耗值。如表3 所示。

表 3 能耗计算表

表 3 能耗计算表是根据水泵相似定律计算出的理论能耗，在实际水泵运行过程中，随着流量的减少，水泵转速的降低，扬程的减少，功率也不断的降低。但是当扬程达到管路最低工作压力时，水泵转速不再降低，功率维持在一定的状态。本设计中采用的是变频恒压供水。

对比改造前后的水泵能耗：改造前学府小区一天的实际耗电量平均值为107.65kWh。假设电机的效率为 90%，那么改造后学府小区一天的耗电量为 63.98kWh。学府小区改造后比改造后能平均节省电量 43.67 kWh，天津市一度电的价格为 0.59 元，那么一年学府小区能节省 9405 元。平摊到每个用户上就能得出每户每年节约 22 元。

本方案的优势一方面由于当初设计时候流量选择过大，水泵选择不适当，导致水泵型号功率较大，水泵的购置费也偏高。更改之后的方案能很好的按照时间曲线选泵，水泵的不同的时间都能在水泵高效区运行，水泵的本身额定功率也叫前者低，总而言之，最终能耗能降低 40%的用电量，这些节省的用电量对每一个住宅用户来讲，就能降低一笔很客观的物业费。

结束语

本文着手研究水泵能耗。首先分析了我国高层建筑当前使用最广泛的供水方式是变频供水。从三个方面描述了变频供水的节能原理。然后将小区的实测值与设计值进行对比，找出两者之间差异的原因，从而指导今后的建筑给排水设计，尤其是二次给水系统的设计。最后对小区进行供水改造。根据水泵的特性和相似定律计算供水能耗，并将改造后的方案能耗和改造前的进行对比，节省较多电耗。

参考文献

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