建筑給水二次增壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

周 駿

（甘肅宏圖建筑設(shè)計(jì)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

從目前情況來看，建筑的給水主要包括“串聯(lián)供水”“并聯(lián)供水”等方式，其中串聯(lián)供水方式主要是在建筑的各個(gè)分區(qū)分別設(shè)置水泵，從市政供水管網(wǎng)抽水加壓之后提供給相應(yīng)分區(qū)進(jìn)行應(yīng)用。雖然此種供水方式投入的費(fèi)用較少、管道設(shè)置簡(jiǎn)單、能源消耗較少，但是由于采取的是分散式泵房且存在較大運(yùn)行噪聲，所以會(huì)對(duì)居民造成一定影響；并聯(lián)供水方式就是在建筑的底層或者地下室等設(shè)置獨(dú)立的水泵，能夠?qū)Σ煌謪^(qū)單獨(dú)供水。此種供水方式能夠?qū)γ總€(gè)分區(qū)單獨(dú)供水，具有較高的穩(wěn)定性，同時(shí)由于采取的是集中布置方式，更便于對(duì)其進(jìn)行管理。但是缺點(diǎn)在于水泵供水高壓管線較長(zhǎng)，整體費(fèi)用相對(duì)較高?？偟膩碚f，無論采取何種供水方式，都要按照工程實(shí)際情況設(shè)計(jì)出最為合適的節(jié)能供水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。

1 案例基本情況概述

某建筑工程總體建筑面積為3 885.35 m2，共有29 層，地下1 層，地上28 層。其中地上1 層為商戶，2~28 層為普通住宅。該建筑的給水系統(tǒng)主要包括：生活給水系統(tǒng)、消防栓給水系統(tǒng)、污廢水系統(tǒng)、雨水系統(tǒng)、噴淋滅火系統(tǒng)等等。其中生活給水系統(tǒng)主要采取市政供水，但是通過統(tǒng)計(jì)可知此建筑的最高日用水量超過71 m3/d，市政供水壓力以及供水量無法有效滿足住宅用水的需要。所以為了保證業(yè)主正常用水，需要進(jìn)一步詳細(xì)計(jì)算供水能耗，并且進(jìn)行給水系統(tǒng)的二次增壓設(shè)計(jì)。

2 建筑給水常見供水方式

2.1 建筑給水方式分析

總的來說，建筑給水二次增壓主要采取如下幾種方式進(jìn)行供水：

（1）“水池-水泵-高位水箱-用水點(diǎn)”的方式。此種方式主要為集中性供水，此種方式更多主要應(yīng)用在單幢次高層、高層建筑等類型建筑，此種方式需要在建筑下設(shè)計(jì)水池，之后利用水泵將水抽送到高位水箱，再通過高位水箱將水傳送到不同用水點(diǎn)。

（2）“水池-水泵-管網(wǎng)系統(tǒng)-用水點(diǎn)”的方式。此種方式主要為集中性供水，此種供水方式更多應(yīng)用在建筑一、二層為商戶群房、裙房之上設(shè)計(jì)多幢住宅建筑的形式。此種方式也要在建筑地下設(shè)置生活水池，但無需設(shè)置屋頂水箱，通過集中恒壓變頻的方式進(jìn)行供水。一般要設(shè)置3 臺(tái)主水泵，采取“二開一備”的方式，采取小流量泵作為付泵，在用水量較小的情況下可自動(dòng)切換到付泵運(yùn)行，以此來確保整個(gè)系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定。

（3）“單元水箱-單元增壓泵-單元高位水箱-各單位無水點(diǎn)”的方式。此種方式主要采取的是單元總水表進(jìn)水的方式，主要采取單元增壓器（單元水箱和單元增壓泵融為整體）進(jìn)行作用，隨著技術(shù)水平的進(jìn)步，單元增壓器也在隨著進(jìn)步，能夠擴(kuò)大此種供水方式的應(yīng)用范圍。

2.2 給水方式對(duì)比分析

（1）“水池-水泵-管網(wǎng)系統(tǒng)-用水點(diǎn)”的方式從技術(shù)方面來看，恒壓變頻的供水方式是較為先進(jìn)的，通過恒壓變頻的供水可以確保出水壓力的恒定，可以按照用水量的具體情況控制頻率，能夠大大節(jié)省電能，減緩對(duì)于電網(wǎng)造成的沖擊，進(jìn)一步延長(zhǎng)水泵的使用壽命。此種方式也可以按照使用時(shí)間控制水泵的運(yùn)行階段，能夠確保各臺(tái)水泵均衡應(yīng)用，從而保證每一臺(tái)水泵壽命的均衡性，若是某一臺(tái)水泵出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)跳過故障泵運(yùn)行。此種方式的總體投資相對(duì)較少，其中硬件成本費(fèi)用約13 萬元/套，同時(shí)只要投入變頻供水設(shè)備的費(fèi)用以及地下蓄水池的費(fèi)用即可，無需在屋頂設(shè)置水箱，不但費(fèi)用較低，同時(shí)也可以降低水箱污染。

但是此種方式在具體應(yīng)用時(shí)也存在一定問題，會(huì)影響應(yīng)用的效果。一方面，由于采取的是集中供水方式，所以計(jì)量地下水入水量的水表歸屬自來水公司，在費(fèi)用收取時(shí)只是按照總水表讀數(shù)來進(jìn)行，表內(nèi)管網(wǎng)情況并沒有人關(guān)心。但是管網(wǎng)內(nèi)部往往存在著跑冒滴漏等情況，必然會(huì)造成每個(gè)單元分表度數(shù)和地下水池總水表存在誤差，對(duì)于每一個(gè)分戶來說誤差會(huì)更大，此種誤差由誰承擔(dān)是需要研究的，住戶并不愿承擔(dān)此費(fèi)用，所以造成水電費(fèi)收取比較困難。即使由開發(fā)公司承擔(dān)此部分費(fèi)用，短期內(nèi)可行，長(zhǎng)期很難持續(xù)下去，整體費(fèi)用是無法估算的；另一方面，雖然此種給水方式可以采取自動(dòng)化的方式來運(yùn)行，并不用人工過多干預(yù)，但是還存在一定缺陷，包括：在進(jìn)行水泵切換的短時(shí)間內(nèi)水泵的供水壓力比較低，無法正常供水。尤其是系統(tǒng)自動(dòng)判定存在故障需要跳過故障泵運(yùn)行時(shí)消耗的時(shí)間更長(zhǎng)，此階段無法正常供水。另外，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，受到潮濕環(huán)境的影響，運(yùn)行中的很多設(shè)備會(huì)發(fā)生老化，同時(shí)水管路中的止回閥等也無法正常工作，其對(duì)于故障的應(yīng)對(duì)時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，最終影響到頂層住戶的用水體驗(yàn)。由于壓力的下降其無法正常用水，若是想啟動(dòng)備用泵則會(huì)增大壓力，因此對(duì)于頂層住戶來說用水體驗(yàn)非常差。除了上述內(nèi)容外，集中供水另一主要問題在于若是供水系統(tǒng)出現(xiàn)問題，整個(gè)區(qū)域的住戶都無法正常用水，并且因?yàn)橥ㄟ^變頻控制水泵的運(yùn)行狀態(tài)，一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障很難通過一般工人進(jìn)行處理，一定要通過專業(yè)人員進(jìn)行處理，容易因?yàn)樵O(shè)備維護(hù)不及時(shí)而無法供水。

（2）“水池-水泵-高位水箱-用水點(diǎn)”的方式屬于相對(duì)成熟的供水方式，控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，即使發(fā)生故障也可以快速維修，并且費(fèi)用相對(duì)較低。同時(shí)，由于設(shè)置了高位水箱能夠有效避免因?yàn)橥ｋ姸斐傻耐Ｋ煽啃愿?。但是此種方式也面臨著單幢次高層建筑收繳水電費(fèi)困難的情況。

（3）“單元水箱-單元增壓泵-單元高位水箱-各單位無水點(diǎn)”的方式是在融合了以上兩種方式的基礎(chǔ)上形成的，此種方式的前期投入相對(duì)較大，主要費(fèi)用包括：每個(gè)單元都要設(shè)增壓器（約1 萬元／臺(tái)），增加單元屋頂水箱（約1500 元／只），增加進(jìn)水總表安裝費(fèi)（約4000 元／只），單元泵電表安裝費(fèi)（約4000 元／只），還有各單元小水泵房土建費(fèi)用等，總費(fèi)用比上兩種方式增加一、二十萬元，但是能夠有效提升管理效果。一方面相關(guān)水電費(fèi)用每個(gè)單元之間不存在交叉，若是水泵發(fā)生故障不會(huì)影響大面積住戶。另一方面，因?yàn)樵谖蓓斣O(shè)置了水箱，可以在高水位停泵、低水位啟泵，不但能夠有效節(jié)約水泵運(yùn)行的電費(fèi)，同時(shí)能夠延長(zhǎng)水泵的運(yùn)行壽命，整體效益要高于前兩種。但是此種設(shè)備一旦出現(xiàn)故障需要維修是比較麻煩的，因此重點(diǎn)在于選取高質(zhì)量的單元供水設(shè)備。

3 建筑給水二次增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 日供水能耗計(jì)算

在對(duì)每個(gè)分區(qū)供水能耗進(jìn)行計(jì)算時(shí)可以采取24 h用水量變化曲線逐時(shí)疊加的方式來進(jìn)行，根據(jù)實(shí)際情況可以設(shè)定間隔時(shí)間為1 h，那么可以通過如下公式表示日供水能耗情況：

其中γ 表示水容重，單位為kg/m3；Hi表示供水系統(tǒng)總水頭，單位為m；Qi 表示供水流量，單位為m3/s。不同的供水方式在能耗方面有所區(qū)別，對(duì)于串聯(lián)的供水方式來說，水泵揚(yáng)程以及能耗都是穩(wěn)定不變的，其具體可以用如下公式進(jìn)行表示：其中表示平均供水量。但是對(duì)于采取變頻方式控制的并聯(lián)供水方式來說，隨著水流量的變化，水泵的出力特性以及管道特性都會(huì)發(fā)生改變，但是供水設(shè)備的壓力并沒有發(fā)生變化，此種方式的能耗可以用如下公式進(jìn)行表示：

其中Hb表示供水設(shè)備出口壓力，單位為MPa。對(duì)于變頻供水方式來說，往往都是通過極限供水壓力作為要求，一旦流量出現(xiàn)改變就會(huì)引發(fā)水泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而造成其出力特性產(chǎn)生變化，供水系統(tǒng)工況滿足建筑供水的基本要求。

針對(duì)此工程來說，通過以上對(duì)比分析，最終要采取并聯(lián)供水變頻供水的方式，能夠滿足每個(gè)分區(qū)、每個(gè)時(shí)間段的用水需要。

第一，高峰期的供水節(jié)能。為了滿足用水高峰階段的用水要求，需要在額定水泵正常運(yùn)行的同時(shí)啟動(dòng)變頻水泵，根據(jù)該工程的實(shí)際情況（19~23 點(diǎn)用水高峰階段整個(gè)管網(wǎng)的流量設(shè)定為1.87 m3/s）設(shè)定增壓水泵出口壓力為0.846 MPa，高區(qū)水泵的實(shí)際壓力設(shè)定為0.73 MPa，其已經(jīng)超出了系統(tǒng)對(duì)于壓力的要求（0.691 MPa），可以有效滿足此建筑每個(gè)分區(qū)的實(shí)際用水需要。

第二，最小流量用水計(jì)算。從以上內(nèi)容統(tǒng)計(jì)分析能夠得知，該建筑區(qū)域最小流量用水階段主要集中在當(dāng)日的23 點(diǎn)到次日的5 點(diǎn)，在確保供水條件穩(wěn)定不變的基礎(chǔ)上，在變頻調(diào)速分區(qū)要根據(jù)額定流量（設(shè)定為4 m3/h）進(jìn)行供水，若是特殊情況下供水流量要在4 m3/h 以上就可以將變頻泵啟動(dòng)進(jìn)行調(diào)速供水。這樣就能夠通過“額定泵+變頻泵”的方式根據(jù)時(shí)間、流量進(jìn)行調(diào)整，在滿足供水要求的基礎(chǔ)上也能夠?qū)崿F(xiàn)資源的節(jié)約，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3.2 給水設(shè)備的選型

在對(duì)此建筑給水設(shè)計(jì)以及具體需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，最終采用WDV 矢量變頻供水設(shè)備進(jìn)行供水。通過實(shí)際應(yīng)用計(jì)算分析可知，此變頻供水設(shè)備相對(duì)于其他變頻供水設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)20%以上的節(jié)能效果，每一個(gè)分區(qū)變頻供水設(shè)備選型情況具體如表1 所示。對(duì)于此建筑工程來說，生活供水系統(tǒng)水泵主要是從地下二層的市政管網(wǎng)供水的生活水箱進(jìn)行吸水，之后通過二次增壓之后將水輸送到每一個(gè)分區(qū)的橫干管當(dāng)中，上行下給用戶進(jìn)行供水。由于存在重力的影響，所以從上到下每一層的支管所受到的壓力會(huì)不斷增加，支管壓力大于0.35 MPa 的情況下就會(huì)觸動(dòng)支管減壓閥進(jìn)行工作，能夠減緩壓力的影響，更便于整個(gè)建筑的供水節(jié)能。為了保證此建筑總體供水的穩(wěn)定性，可以通過額定功率的水泵實(shí)施供水，隨著供水流量的逐漸增加，水泵的功率也在快速上升，直到供水流量達(dá)到0.089 m3/s（此時(shí)水泵的功率保持在11 kW）情況下，供水壓力也保持在穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)的功率保持在7 kW 情況，具有非常顯著的節(jié)能效果。

表1 供水設(shè)備選型以及具體參數(shù)

3.3 節(jié)能率計(jì)算

通過對(duì)上述建筑給水二次增壓系統(tǒng)節(jié)能方案的分析，對(duì)于額定供水方式和按時(shí)間優(yōu)化壓力控制方案的對(duì)比分析，能夠得到不同情況下供水泵功率的情況，具體如表2 所示。通過實(shí)際的計(jì)算分析可知，按時(shí)間段所實(shí)施的變壓供水方式具有更好的節(jié)能效果，能夠達(dá)到18%左右，不但可以充分滿足此建筑的實(shí)際供水需求，同時(shí)也可以大大節(jié)約能源，達(dá)到較好的應(yīng)用效果。

表2 供水方案功率分析

4 結(jié)束語

對(duì)于現(xiàn)代建筑來說，給水系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的組成部分，同時(shí)也是能耗較大的部分，特別是對(duì)于高層以及超高層建筑來說，往往需要通過二次增壓系統(tǒng)來滿足供水需要，對(duì)其進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的。文章主要以某建筑為例闡述了給水二次增壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容，通過介紹能夠?qū)ㄖo水二次增壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)提供一定參考和幫助，對(duì)于推動(dòng)建筑發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。