變頻給水的節(jié)能原理及相關(guān)參數(shù)選取原則分析

肖 悅 何 飛 陳心鳳

(中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引言

建筑給水系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計作為目前國家衡量高層建筑工程設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，其在設(shè)計的過程中，進(jìn)行分區(qū)節(jié)能設(shè)計，能夠取得良好的設(shè)計節(jié)能效果，且能有效減少設(shè)計周期。此外，在實際的設(shè)計過程中，合理化的進(jìn)行給水系統(tǒng)的能量利用率的設(shè)計，同時根據(jù)給水系統(tǒng)設(shè)計周期，通過合理設(shè)計來減少無效耗能，減緩高層建筑設(shè)計過程中資源緊缺現(xiàn)象，不斷提升人們的環(huán)保意識。

1 高層建筑給水系統(tǒng)設(shè)計特點分析

從我國城市市政用水供水總量可看出，居民住宅的生活用水占據(jù)城市總用水量的很大比例，且居民用水差額主要與市政管網(wǎng)設(shè)計、建筑內(nèi)部的管網(wǎng)設(shè)計及用水設(shè)備的采購等方面因素有關(guān)，相比普通的建筑形式而言，高層建筑給水系統(tǒng)設(shè)計過程中存在如下特點。

高層建筑的給水管線較長，且給水系統(tǒng)的壓力較大，為有效的將水輸送到更高的樓層，需要確保供水系統(tǒng)中水壓的穩(wěn)定性，同時應(yīng)結(jié)合給水能力，確保給水系統(tǒng)管線中的水封不會遭到破壞。此外在供水管道上，應(yīng)采用機械強度較高的管道材料，確保供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由于輸水管道較長，且水壓較大，因此如何有效的控制和減少供水管道系統(tǒng)中的輸水噪聲，成為當(dāng)前研究的重要內(nèi)容；由于高層建筑中用水需求用戶多，在實際應(yīng)用及操作過程中，如果排水系統(tǒng)發(fā)生堵塞，那么會使整個系統(tǒng)癱瘓，給用戶造成用水不便。此外在進(jìn)行相應(yīng)的供水系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)采用相應(yīng)的豎向分區(qū)設(shè)計，以有效的減弱靜水壓力。

2 高層建筑給水系統(tǒng)能耗分析

2.1 能耗構(gòu)成

首先是各樓層在最不利狀態(tài)下配水點所能達(dá)到的正常出流必須的最低能耗(N1)，整個過程中主要的影響因素為：各個樓層配水支管的位置高差Zi及最不利配水點的流出水頭H0；還有各樓層流量克服沿線和局部的阻力損失所消耗的能量(N2)，其主要與沿線和局部的水頭損失之和∑hi有關(guān)，同時結(jié)合流體力學(xué)理論及能量平衡關(guān)系，計算出∑hi的值。此外，各樓層中的流量剩余水壓所消耗的能量值(N3)，主要與配水點的剩余水頭ΔHi有關(guān)。

2.2 高層建筑給水系統(tǒng)能耗分析

有關(guān)高層建筑給水系統(tǒng)中的能耗值N1，N2，N3的含義及其影響因素等如表1所示。

從表1可以看出，由于N3所反映的節(jié)能能耗的關(guān)聯(lián)性較大，因此其耗能的空間及應(yīng)用程度較大，因此在超出的配水點正常的出流過程及剩余水壓的節(jié)能效果是多余的，在與流體力學(xué)的水壓和水量的分析中，可以看出剩余水壓能夠有效的結(jié)合供水流量的關(guān)系，使得剩余水量以噴濺的形式出流，這樣不僅造成了水量的浪費，同時給供水系統(tǒng)的檢修帶來了較大的困難，由于不能正常的進(jìn)行出水分配，會造成配水點非正常性的出流或者不能出流。因此在整個的供水系統(tǒng)中有效的減小剩余水頭，是實現(xiàn)節(jié)約水量、節(jié)能降耗等的有效途徑。

表1 高層建筑給水系統(tǒng)能耗構(gòu)成與分析

3 高層建筑給水系統(tǒng)節(jié)能措施分析

3.1 分區(qū)給水

從圖1高層建筑分區(qū)給水系統(tǒng)的能耗構(gòu)成上進(jìn)行分析，剩余水頭所占的能耗比例是最大的，而剩余水頭的大小主要是由對應(yīng)的需求供水的高度及相應(yīng)的水頭損失決定的，且在整個的應(yīng)用過程中，應(yīng)結(jié)合實際的最高樓層的層數(shù)和高度，進(jìn)行高度差的計算，如果高度差減小，那么相應(yīng)的分區(qū)給水的壓力也會逐漸的減小。因此在實現(xiàn)相應(yīng)剩余水壓的過程中，能夠達(dá)到節(jié)省給水能耗的目的。如圖1所示，對于低于5層樓的剩余水頭均減少的情況下，應(yīng)充分的結(jié)合現(xiàn)有的低于5層的分區(qū)給水總揚程進(jìn)行相應(yīng)分析，給水總揚程為H′。

3.2 選取合適的分區(qū)方式

主要的分區(qū)方式可以分為并聯(lián)、串聯(lián)和減壓分區(qū)，不同的分區(qū)方式其供水效率及供水需求是不同的，使用不同的分區(qū)方式產(chǎn)生的能耗也是不同的，為了盡可能的減小給水分壓產(chǎn)生的剩余水頭，本文對并聯(lián)、串聯(lián)和減壓分區(qū)這三種給水方式進(jìn)行分析如下。

3.2.1并聯(lián)分區(qū)給水方式

并聯(lián)分區(qū)給水方式主要分為水泵并聯(lián)和高位水箱并聯(lián)給水，水泵并聯(lián)主要是對水泵的位置設(shè)置進(jìn)行設(shè)計，需要設(shè)置在相應(yīng)建筑的底部，在實際的工程應(yīng)用中，常常用到的是變頻泵并聯(lián)給水系統(tǒng)，且在實際應(yīng)用過程中，需要進(jìn)行底部水泵位置的設(shè)計；此外，高位水箱的設(shè)計主要以各分區(qū)上部結(jié)構(gòu)應(yīng)用為主，對使用面積和相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)負(fù)荷進(jìn)行分析，其增加了相應(yīng)的使用面積，因此也增加了建筑負(fù)荷和經(jīng)濟投入。

從整個的公式分析看，當(dāng)m值逐步增大，節(jié)能量也會不斷的增大，在實際應(yīng)用過程中，節(jié)能量的逐步增大會影響到總能耗的變化，因此可得出如下結(jié)論：分區(qū)越多對于節(jié)能的效果越加明顯。

因此在實際的工程應(yīng)用的過程中，應(yīng)找出給水分區(qū)與經(jīng)濟之間的平衡點，進(jìn)而找到最佳的分區(qū)區(qū)域。

3.2.2串聯(lián)分區(qū)給水方式

在串聯(lián)式的分區(qū)給水方式應(yīng)用過程中，以實際的分區(qū)中的水泵設(shè)置及水箱的位置設(shè)計為依據(jù)，上區(qū)的水泵在應(yīng)用的過程中往往需要結(jié)合下區(qū)的水箱中的抽水進(jìn)行分析。根據(jù)實際計算結(jié)果分析得出，在串聯(lián)給水和并聯(lián)給水的過程中，節(jié)能效果是相同的，針對串聯(lián)供水方式，其在應(yīng)用過程中可保持在高區(qū)工作，且能耗較少，同時給水設(shè)備對于建筑面積的占用率相對較低，但由于整體性建筑負(fù)荷的作用，會使整體建筑增加結(jié)構(gòu)負(fù)荷，進(jìn)而增加了成本。

3.2.3減壓分區(qū)給水方式

減壓分區(qū)給水需要對水泵的位置進(jìn)行設(shè)計，原則上是設(shè)計在建筑的底部，結(jié)合水泵將用水進(jìn)行提升，至屋頂?shù)乃?，此過程中的減壓設(shè)置依次進(jìn)行，且在應(yīng)用的過程中，整個減壓方式并不節(jié)能，原因主要為：實際的剩余水壓結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的能耗減壓裝置相關(guān)聯(lián)，水泵在使用過程中的能耗并沒有降低。

因此在實際工程設(shè)計中，為達(dá)到最佳的節(jié)能效果，應(yīng)合理分區(qū)，同時結(jié)合以上三種給水方式進(jìn)行分析，得出節(jié)能效果中最好的方式為并聯(lián)分區(qū)給水方式。

4 結(jié)語

在高層供水系統(tǒng)方式的選擇中，應(yīng)合理分析各給水方式的優(yōu)缺點，目前，水泵并聯(lián)方式給水節(jié)能效果較好且工程應(yīng)用最多，變頻給水技術(shù)雖然具有節(jié)能的效果，但是在實際的工程應(yīng)用中，仍需考慮水泵合理選型及系統(tǒng)控制及運行等因素，并應(yīng)根據(jù)具體工程具體分析。