变频供水系统与重力供水系统的比较
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摘要：在现阶段城市化进程异常迅速的大环境下，各种办公楼及公建的设计量都非常大，而对于此类建筑中给排水系统的选择也各有不同，其中给水方面采用变频系统供水及重力供水的优劣讨论也经常被提出。本文将通过某工程实例来探讨变频供水系统与重力供水系统的特点。
关键词：变频供水系统；重力供水系统；变频泵；工频泵
Abstract: at present exceptionally rapid urbanization process, under the environment of all kinds of office buildings and public design flow is very large, and for the choices of building water supply and drainage system is also vary, which adopts the frequency conversion system on water supply, water supply and the pros and cons of gravity water supply discussion also has often been put forward. This article will through some engineering examples to explore the characteristics of frequency conversion water supply system and gravity water supply system.
Keywords: variable frequency water supply system; Gravity water supply system; Variable frequency pump; Pump power frequency
中图分类号：TV674文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
前言
本报告以沈阳嘉里香格里拉项目为参考，对比项目中分别采用重力供水与变频供水两种供水系统的优劣，从而达到分析研究变频泵与恒速泵工作原理的目的。根据嘉里提供的设计手册，该项目最终采用了重力供水系统，但是变频泵与恒速泵仍各具特点，有待通过对比进行深入的研究。
正文
重力供水系统
重力供水系统简介
重力供水系统使用恒速泵供水，通过恒速泵将底层水箱中的水源抽至高层水箱后，依靠高水位中水体自身重力向各配水点供水。由于水位基本不发生变化，因此重力供水的出水水压比较稳定，不会因为外网中水压的变化而出现波动。恒速泵通过设置在高位水箱中的水位控制器调节启停，当水箱中水位低于设计水位时，恒速泵启动，向高位水箱输水。
恒速泵工作原理
恒速泵通过泵本身的电机，将水流以恒定速度引出，相对变速泵而言，恒速泵的工作原理简单，不易出现故障，工作稳定性也更强。
变频供水系统
变频供水系统简介
变频供水系统采用变频泵供水，通过变频泵将底层水箱中的水源直接输送至各配水点，无需设置高位水箱。由于变频泵可根据出水水压的变化改变出水量，故也能达到调节水压恒压出水的效果，且相对重力供水而言，无需设置高位水箱，使整个供水系统的设计更为简洁。
变频泵工作原理
变频泵通过设置在出水端的水压测试装置，感应出水压力的变化，并调节水泵转速来达到稳压的作用。该泵与恒速泵最大的区别在于增加了出水感应装置以及能够改变泵转速的变频器，以下着重介绍变频器的组成与工作原理。
如前所述，泵的速度控制涉及一个变频器。因此，有必要深入了解变频器，了解它是如何运作，并最后讨论使用这种设备的相关注意事项。
变频器的元件：
理论上，所有变频器均由相同的功能块组成，其基本功能就是将电源电压转变为具有另一个频率和振幅的新交流电压。变频器首先把输入电压整流，然后将能量储存于由一个电容器组成的中间电路。接着，直流电压被转化为具有另一个频率和振幅的新交流电压。由于变频器中中间电路的存在，电源电压的频率对输出频率以及电机速度没有直接影响。由于整流器可以处理50Hz和60Hz的频率，因此电源频率可以是其中任意一种。此外，输入频率将不影响输出频率，因为这是由电压/频率模块所决定的，而电压/频率模块又是由换流器决定的。
如下图所示，变频器还由其它三个元件组成：一个EMC滤波器、一个控制电路和一个换流器。
EMC滤波器
EMC滤波器并不是变频器的主要功能部分，因此理论上，它不是变频器的一部分。然而，为了满足一些地方规范的要求，该滤波器是需要的。EMC确保了变频器不会向电源发出无法接受的高噪声信号。与此同时，滤波器确保了由其它设备产生的噪声信号不会进入变频器的电子设备中，引起损坏或干扰。
控制电路
控制电路块有两个功能：它控制着变频器，并与此同时，维护着变频器与周围设备之间的整个通信。
换流器
来自变频器的输出电压并不像标注电源电压一样是正弦式的。供应给电机的电压由许多矩形波脉冲组成。这些脉冲的平均值形成一所期望的频率和振幅的正弦电压。所形成的切换频率可从几个kHz至20kHz，具体取决于波段。为了避免电机绕组内产生噪音，变频器的切换频率最好在可听度的范围以上。
变频供水系统与重力供水系统的比较
根据沈阳嘉里香格里拉项目的各项参考信息，对比采用变频供水与重力供水两种供水两种系统，可得出以下几个方面的异同：
经济性：
变频——采用5组变频泵，共13台；底层设生活水池，5F、19F设转输泵及转输水箱，无需设置屋顶水箱。
重力——采用3组恒速泵，1组变频加压泵，共11台；底层设生活水池，19F设重力供水水箱，顶层设重力供水水箱及加压水泵。
节能性：
在出水水压经常变化的情况下，变频泵比公频泵具有一定的节能作用。但针对两种系统中，供水方式的不同，节能性比较缺乏依据。
安全性：
变频——与公频泵相比，含有变频器等调速设备，且根据用水需求需频繁启动，故障几率较高；出现停水或停电问题时，系统内无水箱存水，将立即处于供水瘫痪状态。
重力——仅由泵进行恒速供水，无变频器等装置，供水出现故障的几率相对较低；在出现停水或停电状况时，各区仍能够依靠重力水箱中的储水进行短暂供水。
稳定性：
变频——采用恒压变频泵，能够保证出水水压的稳定，但根据水量变化，需要一定的调节时间。
重力——重力供水采用储水水箱，依靠重力供水，出水水压稳定，且无需调节过程，在出水稳定性上更具优势。
水质：
变频——由变频泵直接从底层水箱抽水，无中间层及高层储水水箱。但在5F、19F设有转输水箱，对水质仍有一定程度的影响。
重力——由公频泵供水，设置中间层及屋顶重力储水水箱，水质影响较大。
变频泵与恒速泵的比较
变频泵与恒速泵在工作原理上的差别主要是泵的转速是否能够发生相应变化。在同一项目中，使用变频泵或恒速泵，其对比范畴主要为使用寿命、使用周期及使用费用。而费用方面又主要包括：初始费用，安装及试车费用，能耗费用，运行费用，环保费用，保养及维修费用，故障时间费用，退役及处理费用。一个泵系统的寿命周期费用是在系统寿命期内上述提及的所有要素的总合。
上表为一个工业应用需要一台新的供水泵，并考虑两个解决方案：
一台恒速多极离心泵
一台变速多极离心泵
通过计算显示，与恒速泵相比，变速泵节省40%的能耗。然而，变速泵的初始费用是恒速泵的两倍。但是，即便如此，10年后，第一个解决方案的总费用比恒速泵解决方案的低25%。
结论
针对沈阳嘉里香格里拉项目，因对于供水稳定的要求很高，故而最终采用了重力供水系统。但是，针对不同的项目，重力供水系统与变频供水系统仍有其各自的优缺点，不能一概而论，需根据实际情况，进行对比取舍后方能确定。与此同时，透过具体项目，也能看出不同系统中，泵的种类所发挥的作用。在不同的系统中，如何选取泵的类型，也需要进行全面对比后，根据具体条件来确定。
参考文献：
[1] 《泵与泵站》中国建筑工业出版社；第5版（2007年12月1日）
[2] 《建筑给排水设计手册》中国建筑工业出版社；第2版（2008年10月1日）
[3] 《变频器工作原理及应用》清华大学出版社；第1版（2010年9月1日）