宿舍供水問題的分析及解決方案

孫賽偉 田曉光 黃河交通學院機電工程學院

我國擁有學校數量龐大，據國家教育部統(tǒng)計公報顯示我國現(xiàn)擁有總學生數超過2.7 億，這其中住宿的學生占總學生的54%左右。學校人員密度高，資源消耗大，在學校資源消耗中供水資源消耗占了很大一部分，供水系統(tǒng)的設計直接影響著電能的損耗與水資源的利用率，因此對供水系統(tǒng)的優(yōu)化具有很大的意義。目前最常用的供水系統(tǒng)是變頻供水，變頻供水能根據用水情況調節(jié)供水功率大小。但由于宿舍居住學生數眾多變頻供水也面臨著諸多問題，學生用水的習慣以及用水時間都對供水系統(tǒng)造成一定影響。結合現(xiàn)有的宿舍供水問題的分析對已建成的供水管道提出改良解決方案，該方案在一定程度上增加了水頭損耗但是減少了不必要的水資源浪費，在滿足學生基本的用水需求情況下與為改良過的對比在能耗上得到了減少，水資源也得到一定的節(jié)約。

1 問題分析

用水時間集中：學生們在宿舍用水具有時間分布集中的特點，往往是早上醒來洗漱的時間以及中午和晚上放學的時間用水較為集中。在集中用水的時間段內各宿舍用水設備會普遍打開，在樓層底層的用水設備水流充沛，而頂層由于水流阻力大導致水流很小，功率過小的變頻供水系統(tǒng)還會造成頂層斷流的情況。

各層水流不均：由于目前學生宿舍一般不超過7 層，所以多數供水方式為單立杠水平分支供水。在樓層底層與樓層頂層由于樓層高度差水流阻力有所不同，各層的出水水壓與出水流量也不同。在一定時間內底層出水量要高于頂層的出水量，這一特性使得學生在集中用水時間內會造成水資源的潛在性浪費。

資源消耗較大：現(xiàn)有的宿舍供水方案中有水泵加頂層水箱、水泵加氣體罐、變頻供水，其中水泵加水箱供水是最為節(jié)能的但其維護成本與建設成本過高，頂層水箱還會產生水的二次污染。水泵加氣體罐是能耗最大的，維護成本與建設成本較高。變頻供水能耗僅次于水泵加頂層水箱供水，維護成本低設備簡單。變頻供水雖說能耗不是最低的，但由于其優(yōu)良特性變頻供水是現(xiàn)有使用最為廣泛的供水方式。有效利用水資源與減少供水能耗是現(xiàn)在最需解決的問題。

2 解決方案

由于學生宿舍具有很高的居住密度，用水量非常大。在學生用水時具有一種壞習慣，每當到起床時間時許多學生都起床進行洗漱，在洗漱過程水龍頭全程打開，幾個人逐次進行洗漱，在此時間段內水流一直在流，在宿舍全部用水中洗漱用水占據了一大半 。在逐個洗漱期間水龍頭常開，這是造成水資源浪費與供水功耗增加的直接原因，本文解決思想是以單個學生在一定時間內的用水量來衡量學生用水質量，即在單個學生洗漱總時間內水流量達到一定值，這樣可滿足學生用水需求。

根據分析以及現(xiàn)在變頻供水方案的特點，在變頻供水的基礎上優(yōu)化學生用水時間內的用水設備出水量是一種有效的方法，據調查在集中用水時間內每個學生平均用水量平均達到120L/（人·d）左右，而實際用于使用的水卻只有95L/（人·d）左右。我們提出了一種基于電動流量控制閥的水量分配方法，通過有效分配高峰用水時間內各樓層的水壓與水流量去解決供水能耗與供水質量的問題。電動流量控制閥與壓力傳感器安裝在每層的進水管道相隔一定距離如圖1 所示。壓力傳感器用于檢測每層管道的壓力值，電動流量控制閥通過控制每層的壓力與流量控制各宿舍用水的水量。

圖1 管網改進示意圖

每一層的壓力傳感器檢測水壓，將水壓信息傳輸給單片機。單片機收集所有樓層的水壓信息，并根據各層的水壓情況以及變頻泵工作情況調節(jié)每一層的電動流量調節(jié)閥流量設定值，并將壓力信息傳送給變頻泵控制器，間接調節(jié)變頻泵的轉速。整個結構關系如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結構圖

3 計算驗證

對比原本的變頻供水系統(tǒng)，該方法增加了整個供水系統(tǒng)的水流阻力，供水能耗增大，但由于優(yōu)化的目的是滿足供水質量和節(jié)約資源，所以需要經過計算對比才能得出其優(yōu)化效果。據調查學生集中用水時間常常成規(guī)律分布，持續(xù)時長大概為一小時。在這段時間中學生輪流用水，每人用水量滿足95L/（人·d）左右即可達到使用需求。在計算能量消耗時常用水泵的軸功率計算公式，其可表達為：

式中：N—水泵的軸功率，kW；ρ—水的密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；Q—水泵送水流量，m3/s；Hsj—實際送水高度，m；Hs—水頭總損失，m；η—水泵工作效率。

一般狀況下學生宿舍多為6 層，每層大概3.5 米高，則給水系統(tǒng)實際送水高度為21m。以常見的三類宿舍為舉例對象，設其共有房間300 間，每間寢室居住人數為 4 人。

原本供水系統(tǒng)學生平均用水量為120L/（人 d），計算得到水泵的總出水量為0.17×10-2m3/s。設水頭損耗為10m,水泵工作效率為0.8，則水泵軸功率為：

由于加入電動流量調節(jié)閥，水流的局部阻力會增大。取改進后每人平均用水量為100L/（人·d）,計算得到水泵的總出水量為0.14×10-2m3/s，水頭損耗增加至16m，水泵工作效率仍為0.8，經過改進后的軸功率為：

經對比可知N1＞N2,軸功率得到一定減小，節(jié)水效率達18%左右。加入電動流量調節(jié)閥的系統(tǒng)能耗得到一定降低，水資源得到一定節(jié)約。

4 結論

通過計算驗證可以得出該解決方案減少了資源消耗的同時又滿足了學生用水的需求。增加電動流量調節(jié)閥在一定成度上增加了供水的水頭損失看似能耗增加，但平衡了各層用水水量，總供水量與功耗得到了減少。該方案解決了用水高峰時期的供水壓力，減少了資源消耗，適合對已建成但仍存在供水問題的宿舍供水改造。