淺析恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)性能

摘 要：恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)在近十余年里已成為我國城市生活供水不可或缺的一部分，隨著科技的發(fā)展與節(jié)能壓力日益增大，我國居民對于二次供水在節(jié)能性與安全性上要求也越來越高，但通過對恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)其節(jié)能性并不如我們所預(yù)期的那樣有效節(jié)能，而且在供水品質(zhì)與安全性上也不盡如人意。

關(guān)鍵詞：恒壓變頻；無負(fù)壓供水；節(jié)能

我國是一個缺水很嚴(yán)重的國家，時至今日，還有許多城市常年水資源供應(yīng)不足甚至嚴(yán)重缺水，有效節(jié)約用水成為城市供水必須要考慮的問題，正因如此，為了向城市小區(qū)居民提供必要的水資源供應(yīng)，與市政自來水管網(wǎng)接駁的二次供水系統(tǒng)的重要性日益凸顯。以往，常常采用建設(shè)水塔供水或者是高位水箱去制造一定的水壓來保證供水，確保小區(qū)有一個水壓恒定的供水系統(tǒng)。隨著科技的日新月異，在二次供水應(yīng)用方面，慢慢從無塔上水器發(fā)展到變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)備等新技術(shù)，新的多學(xué)科交叉應(yīng)用使得新的供水系統(tǒng)日益完善且越來越普及。我國曾對城市供水系統(tǒng)進行過改進，恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)從2003年開始在我國普及起來，但在有效節(jié)能、水資源供應(yīng)品質(zhì)、安全性方面并沒有達(dá)到預(yù)期效果。

一、工作原理

恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)的系統(tǒng)屬性是開式直流系統(tǒng)，與原來的開式進水池相比，除了體積更小，更為封閉之外，更主要區(qū)別在于，在蓄水罐中安裝了一部壓強自調(diào)節(jié)器，平衡罐內(nèi)壓強以達(dá)到市政自來水管網(wǎng)的要求，即二次供水單位需要自調(diào)節(jié)自身用水用戶高峰期水壓波動，不能影響或者干涉到市政自來水網(wǎng)供水壓力的變化。這個波動主要由于不通用水時段，有用水高峰期及用水低谷期，會產(chǎn)生供水壓頭浮動的幅度峰值與低值，供水量的大小隨時對供水壓頭產(chǎn)生嚴(yán)重影響。而安裝在蓄水罐內(nèi)的壓強自調(diào)節(jié)器通過對蓄水罐內(nèi)空氣進出量調(diào)節(jié)來改變蓄水罐內(nèi)壓強，以消除用水高峰期致使市政自來水管網(wǎng)被蓄水罐內(nèi)的負(fù)壓直接抽吸。

壓強自調(diào)節(jié)器還需使蓄水罐內(nèi)壓強與市政自來水管網(wǎng)的壓強保持一致，蓄水罐內(nèi)的壓強自調(diào)節(jié)器會設(shè)有壓強上限與壓強下限，當(dāng)蓄水罐內(nèi)的壓強高于上限時，壓強自調(diào)節(jié)器要排出一部分蓄水罐內(nèi)空氣來降低壓強；當(dāng)蓄水罐內(nèi)的壓強在壓強上限與下限波動時，壓強符合市政自來水管網(wǎng)壓強要求不需要吸入或排除空氣；當(dāng)蓄水罐內(nèi)壓強小于設(shè)定的壓強下限，壓強自調(diào)節(jié)器要向蓄水罐內(nèi)抽入空氣，使蓄水罐內(nèi)壓強增大。即蓄水罐內(nèi)壓強在閾值范圍之內(nèi)，蓄水罐保持封閉，壓強可小范圍波動；當(dāng)超過或低于閾值，吸入或排出空氣來調(diào)節(jié)壓強，使其跟隨市政自來水管網(wǎng)壓強變化。

市政自來水管網(wǎng)在進入小區(qū)灌水時通過變頻水泵時支援了小區(qū)供水20mH2O左右的揚程，主要由于水泵是變頻，所以20mH2O左右的壓頭在此環(huán)節(jié)沒有被損失，所以達(dá)到了節(jié)能的作用。流程圖如下：

二、恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)在部分負(fù)荷時的性能分析

恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)從流程結(jié)構(gòu)上來看，屬于開式直流水系統(tǒng)，最不利的用水點至少要有3-5mH2O的供水水頭。要考慮不同時段會有差異較大的用水量，且顧忌設(shè)計工況方面的某些問題，在工程計算中，對供水系統(tǒng)的用水量要選擇不同的供水壓頭。我們不得不考慮到市政供水提供的壓頭在高峰用水時期會出現(xiàn)峰值，而提供二次供水的恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)也同樣受到不同時段用水用戶量影響供水壓頭出現(xiàn)波動。在大多數(shù)情況下，二次供水的恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)在供水過程中，水龍頭的壓力會增大即靜壓在水龍頭上，最簡單的做法就是關(guān)小水龍頭，使水龍頭的壓力減小以避免壓力過大從而造成二次供水的恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)出現(xiàn)噪聲和水錘效應(yīng)，而且也不得不考慮到壓力過大與供水系統(tǒng)的安全性的相關(guān)程度。減小壓力的過程就是節(jié)流的過程，市政供水網(wǎng)提供的靜壓又被浪費掉了，普通的恒壓變頻供水系統(tǒng)在本質(zhì)上與恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)在節(jié)能方面并無區(qū)別，變頻水泵供水工效低損耗大，使供水質(zhì)量與供水系統(tǒng)安全性降低的缺點在恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)同樣存在。恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)不節(jié)能，問題出在結(jié)構(gòu)上，唯一不同就是系統(tǒng)龍頭被加載上了市政供水系統(tǒng)的20mH2O左右的壓頭，本質(zhì)問題沒有得到解決，恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)只是將缺點轉(zhuǎn)移甚至放大。解決此問題就要從根本入手，即消除用水量變化對二次供水系統(tǒng)工況的影響。

三、恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上優(yōu)化

為了更清晰的理解恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上能否節(jié)能，我們要從本質(zhì)上了解恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)的特性，同時還要顧及二次供水的安全節(jié)能的特質(zhì)，下面對恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)進行更深層次、更本質(zhì)的分析。能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到其它物體，而能量的總量保持不變。能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。如果一個系統(tǒng)處于孤立環(huán)境，即不可能有能量或質(zhì)量傳入或傳出系統(tǒng)，水、電系統(tǒng)也不例外。它們在本質(zhì)上是一致的，即有了水電相似比擬原理。根據(jù)該原理，水壓、水勢、水阻、水流分別與電壓、電勢、電阻一一對應(yīng)；固定水阻元件比擬為于定值電阻，調(diào)節(jié)閥對應(yīng)為變值電阻。利用更加便于理解與計算的電路原理知識對水路進行計算與分析，值得注意的是水阻綜合阻力系數(shù)與固定水阻的區(qū)別，導(dǎo)致在水系統(tǒng)當(dāng)中，阻值是變化的，在帶入電系統(tǒng)利用歐姆定律、基爾霍夫回路電壓定律、基爾霍夫支路電流定律計算時，要格外注意。從能量角度分析，和水路分析結(jié)論是相同的。

二次供水供水系統(tǒng)的設(shè)計要在結(jié)構(gòu)上與技術(shù)上符合現(xiàn)代生活要求，必須從如下三個方面同時入手。

（1）供水性能品質(zhì)優(yōu)良。

（2）供水蓄水安全性高。

（3）可節(jié)約能源，供水系統(tǒng)可持續(xù)優(yōu)化。

恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)失敗在于只重視水量的變化而忽略了壓力變化，導(dǎo)致以上三點尤其是在節(jié)能方面有所欠缺。

保持最不利的用水點至少要有3-5mH2O的供水水頭，現(xiàn)對恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進行如下優(yōu)化：

（1）采用全變頻系統(tǒng)+壓力傳感器。將壓力傳感器置于該供水系統(tǒng)中最不利的用水點，隨時由電子電路監(jiān)控，通過最不利用水點壓力反饋結(jié)果控制水泵，使流量隨時隨地跟隨信號的變化而變化，始終處在最高效率的工況。并且根據(jù)連通器原理，系統(tǒng)中各個龍頭壓力起伏平穩(wěn)。在今后維護過程中，可對電子電路算法進行不斷優(yōu)化。符合供水性能品質(zhì)優(yōu)良、供水蓄水安全性高、可節(jié)約能源，供水系統(tǒng)可持續(xù)優(yōu)化的要求。

（2）全變頻水泵+經(jīng)驗化數(shù)字化模型。用水量的變化與壓力的變化呈現(xiàn)出周期性，利用這一特性，可以建立根據(jù)近期各項數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)建模，利用數(shù)字化模型通過計算時間參數(shù)，達(dá)到定時調(diào)節(jié)水泵變壓變流。符合供水性能品質(zhì)優(yōu)良，供水蓄水安全性高，可節(jié)約能源，供水系統(tǒng)可持續(xù)優(yōu)化的要求。

（3）全變頻水泵+高位封閉水箱。類似水塔原理，水箱處于高處，相當(dāng)于市政自來水提供的20mH2O左右的壓頭轉(zhuǎn)換成勢能儲存在高位水箱當(dāng)中，它可以無視用水量變化產(chǎn)生的峰值，用水量產(chǎn)生的波動對供水水泵不產(chǎn)生巨大影響，運行工況平穩(wěn)，管道阻力是一定的，水泵得以持續(xù)在最高效率點運作。該方法最大的弊端是對所處建筑環(huán)境有要求，空間位置要配套。

四、結(jié)論

綜上所述，目前市面上應(yīng)用的恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)并不能做到前期宣傳的節(jié)約能源，而且水質(zhì)與安全性也受到恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面的影響。

本文通過分析恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)性能，從供水性能品質(zhì)優(yōu)良，供水蓄水安全性高、可節(jié)約能源，供水系統(tǒng)可持續(xù)優(yōu)化三個方面入手提出了三種新的二次供水方案以供參考。

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作者簡介：

金鑒（1960-），男，江蘇南京人，淮陰師范學(xué)院電工技師，研究方向：弱電維修。