高层建筑恒压变频供水系统的节能探讨

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摘要:能耗大小是衡量恒压变频供水系统的重要指标之一，通过对工程实例的运行状况进行分析，论证了用水规律对系统节能的重要作用，特别是为供水方案的优化提供理论依据，更好的挖掘恒压变频的节能潜力。

关键词:用水规律 小流量 节能 恒压变频

中图分类号：TS958文献标识码： A

高层住宅小区用户多，用水需求高，而恒压变频供水系统因其防止二次污染、占地小、适用范围广、自动化程度高等特点在高层建筑中得到了广泛应用。但如果水泵配置和运行调度不当，不但不节能反而能耗会增大，甚至出现相较传统的屋顶水箱供水方式耗能更大的现象[1]。有学者调查，某住宅楼用变频调速泵取代高位水箱供水，一年后的能耗结果增加了一倍[2]。准确可靠的高层建筑用水量数据是供水方案的选择和系统优化的重要依据。

一． 高层建筑的用水规律

以某1100人的Ⅱ类高层住宅小区的恒压变频供水系统为例，其设计秒流量的理论计算值为11L/s，最大小时用水量为24 m3/h，现采用2台流量是50 m3/h、扬程为60m的多级立式离心泵恒压变频供水，本方案节能与否需根据用水规律进行评测，小区日用水量的变化规律如图1所示：

图1 日用水量变化图

如图1，建筑生活用水呈现不均匀，日变化系数大的特点，在一天 24h 之中，用水高峰可以分为两个时段。相关调查显示理论计算的秒流量与最大小时平均秒流量的比值范围在1.8:1~2.5:1之间；最大小时用水量与平均小时用水量的比值范围在2.5:1~4.8:1之间[3]。本监测小区设计秒流量：最大小时用水量：平均小时用水量之比=10.83:6.13:1，时变化系数为2.6，因长时间的夜间小流量拉低了平均小时用水量，剔除后三者之比为5.2:3.2:1。供水系统出现频率最高的是平均小时用水量，用水量会在平均值的上下浮动，而最大值是设计秒流量。原设计是根据设计秒流量对水泵选型，由于最大瞬时秒流量出现频率随机性较强，受不确定因素影响大，设计秒流量是平均小时流量的5.2倍，而一般水泵高效区的最小流量是最大流量的35%~50%左右，所以在平均流量时，也就是出现概率最高的时段水泵是偏离高效区运行的，原方案并不节能。笔者建议以最大小时用水量为依据设置两台变频泵，并辅以气压罐满足设计秒流量的需求，这样在出现频率最高的0.8~1.6倍平均小时用水量范围内，一台变频泵即可满足要求。

因此，对于用水人数少的小区据设计秒流量选泵极易出现“大马拉小车”的情况，且易造成水泵的频繁启停。所以，恒压变频给水系统不一定非按设计秒流量配置水泵，可将最大小时用水量作为配置水泵的依据，而设计秒流量起到校核的作用。为保证用水的安全性并达到理想的节能效果，建议供水系统设计时增设气压罐，气压罐可以起到削减峰值、减小用水量波动的作用，也大大降低了泵组的配置级别。

二．小流量的节能措施

变频供水系统水泵的选型必须满足供水系统设计流量的要求，但在实际运行中会有5~6小时处在小流量状态运行，有数据表明夜间小流量的吨水电耗是平均吨水电耗的2.61倍，解决小流量下设备的高能耗问题对于设计节能型给排水系统有着重要的意义[4]。一般小区用水量随时段波动很大，最大小时用水量与最低小时用水量的比值范围在12:1~18:1之间。而本监测小区实测数据可以看出，0:00~5:00时段的总用水量仅为日用水量的8.5%，最低小时用水量仅为最大小时用水量的16%。

供水方案设计时，针对小流量处理措施主要有以下两种处理办法：（1）变频主泵+气压罐；（2）变频主泵+工频辅泵+气压罐。主泵的流量通常按1/3~1倍最大设计流量进行选择，而工频辅泵流量按变频主泵高效区的最小流量进行配置，两种方案对比如表1。

表1 小流量的节能措施对比

从理论上来说，增设气压罐、小流量工频泵等措施对整个系统的运行非常有利，可降低泵组的配置级别、保证小流量工况下水泵高效运行、降低噪音、防止水锤等，但也会增加投资及占地面积，设计时需综合考虑。

三．方案优化

针对上述工况条件，对原设计方案进行优化，按以下原则：（1）以最大小时用水量配置水泵；（2）增设气压罐，起到削减峰值、减小用水量波动的作用，同时可提高小流量工况的水泵运行效率。优化方案见图2，相关参数及控制措施见表2、表3。

图2 优化方案示意图

表2 泵组的参数、价格对照表

如表3所示，针对高层建筑高峰流量、小流量有应对措施，气压罐的设置能够起到配合小流量供水、切换水泵时稳压、削减峰值冲击的作用。实行流量切换和压力切换相结合的控制方式，按流量切换是指根据流量自主切换水泵的运行方式和台数，在小流量段水泵切换到工频运行+气压罐的状态，高峰流量时同时开启两台水泵变频运行；按压力切换是指在小流量段，气压罐内压力可控制水泵启停，压力波动范围为0.55MPa~0.65MPa。优化方案增加了水泵的台数和气压罐，初期投资会比原方案多6000元，但可节省42%的电量。

结论

关于高层建筑变频恒压供水系统节能的研究不应仅限于满足用户的水量和出水压力，应在高层建筑用水规律的基础上，结合工程实例，综合考虑各种因素的影响，设计更加合理的二次供水系统，以达到更好的节能效果。

参考文献

[1]宁海燕. 高层建筑生活给水系统的节能和优化研究[D].重庆: 重庆大学,2007.

[2]赵世明，刘振印. 恒压变频调速泵与水泵高位水箱供水耗能比较[J]. 给水排水, 2008, 34(8): 70-72.

[3]黄晓家, 姜文源. 建筑给水排水工程技术与设计手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[4]陈犀, 刘德明, 邱寿华, 等. 变频调速与管网叠压供水系统小流量工况分析与对策探讨[J]. 建筑节能, 2001, 39(239): 30-33.