“雙碳”背景下上海典型老舊居民小區(qū)二次供水系統(tǒng)能耗研究

范晶璟

（上海城投水務(wù)(集團)有限公司供水分公司, 上海 200002）

據(jù)英國石油公司發(fā)布的《世界能源統(tǒng)計年鑒2020》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2009～2019 年，我國碳排放量由7.71×109t 提升至9.83×109t[1]。我國將采取更加有力的政策和措施，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)，爭取實現(xiàn)2030、2060 年的碳中和、碳達峰目標[2-3]。當前國內(nèi)能源消費產(chǎn)生的碳排放占二氧化碳總排放的85%以上[4]，而其中建筑能耗占比較高，達國民經(jīng)濟總能耗的30%左右[5]。因此，促進建筑行業(yè)節(jié)能發(fā)展，有利于盡快實現(xiàn)雙碳目標，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。水務(wù)行業(yè)雖不是傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)，但在能耗上也是不容小覷。據(jù)統(tǒng)計，2012 年我國的用電量達到了5×1012kW·h，其中電量的20%為水泵裝置所消耗[3]。因此，優(yōu)化供水模式，提高水泵效率，降低單位供水能耗理論上可以為我國二氧化碳排放總量的降低作出可觀的貢獻。

目前，原水至水廠的一級泵站、水廠出水二級泵站及管網(wǎng)中途增壓泵站的運行能耗費用通常由自來水公司支付。通過大量的數(shù)據(jù)積累及分析，自來水公司開展了一系列能耗優(yōu)化改進工作，且成效顯著[6-7]。然而，城鎮(zhèn)二次供水的運行能耗費用通常由物業(yè)承擔(dān)，不僅缺少必要的優(yōu)化改進措施，而且自來水公司對此環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的獲取也不夠充分。通常情況下，居民小區(qū)二次供水主要分為市政直供、水池+變頻水泵、水池+工頻水泵+水箱及疊壓供水等供水模式，其中疊壓供水對市政管網(wǎng)高峰供水有較大的影響，因此地區(qū)使用占比較小。

為提升供水精細化管理及從源頭到龍頭的全流程運行優(yōu)化，在保障供水品質(zhì)和安全的前提下降低運行能耗，本文以上海市中心城區(qū)典型的2 個老舊居民小區(qū)為研究對象，通過二次供水實測數(shù)據(jù)，對比分析了不同供水模式下的能耗情況，并從運行模式和水泵的參數(shù)計算選型等角度出發(fā)進行相關(guān)分析，提出優(yōu)化建議。

1 研究對象與方法

1.1 居民小區(qū)情況

本文針對上海市中心城區(qū)A、B 兩個典型老舊居民小區(qū)的泵房進行能耗分析研究。A 居民小區(qū)包括多層和高層兩種類型住宅。其中，多層供水區(qū)域共有11 個門棟，每棟5 層或6 層樓，共計204 戶；高層供水區(qū)域僅有1 個門棟，樓高20 層，共計180 戶。B 居民小區(qū)均為多層住宅，共計18 個門棟，每棟5 層或6 層樓，共計392 戶。兩個小區(qū)相隔約300 m，且距離上海南市自來水廠約3 km，市政管網(wǎng)壓力為0.20～0.24 MPa，兩個小區(qū)均為20 世紀80 年代建造，建筑結(jié)構(gòu)有一定程度的老化。因此在實施二次供水改造時，管路設(shè)置和水泵選型參考了原供水走向和模式，同時對設(shè)施、設(shè)備材質(zhì)予以提升，并在改造后再進行運行優(yōu)化。

1.2 二次供水泵房機組

目前，A 小區(qū)泵房共有兩套供水機組，分別給多層和高層住宅居民供水；B 小區(qū)泵房僅有一套供水機組。每套供水機組均由2 臺同規(guī)格、型號的水泵組成，同時每個門棟均有一個屋頂水箱，為提升多層居民頂樓水壓，均安裝了相應(yīng)的屋頂增壓水泵，水泵參數(shù)具體見表1。其中Q為水泵額定流量，H為水泵額定揚程，N為水泵額定功率。

表1 A、B 兩小區(qū)水泵參數(shù)情況Table 1 Water pump parameters of community A and B

1.3 供水模式

A、B 兩個小區(qū)多層住宅供水區(qū)域模式為：1～3 層為水池+變頻水泵供水（居民通過水泵取水，任意一戶居民用水則水泵運行）；4～6 層為水池+變頻水泵+屋頂水箱供水（居民通過屋頂水箱取水，當水箱液位降低至設(shè)定液位，水泵對水箱進行補水）。多層住宅屋頂水箱通過液位閥控制進水，水箱內(nèi)部水體液位由高液位降到低液位過程中閥門關(guān)閉，液位觸及設(shè)定低液位時閥門打開，液位觸及設(shè)定高液位閥門關(guān)閉。A 小區(qū)高層住宅供水模式為：1～20 層由水池+工頻水泵+屋頂水箱供水（雖為了其他研究需要，水泵配置了變頻器，但由于水泵機組只供應(yīng)一個屋頂水箱，管路結(jié)構(gòu)固定，可以視作工頻運行）。

區(qū)別于多層住宅屋頂水箱，高層住宅屋頂水箱是1 組泵對應(yīng)1 個水箱，水箱進水管未設(shè)置閥門，僅通過水箱液位儀控制水泵的啟停，以實現(xiàn)水箱進水的補停。同時由于多層住宅的水箱距離頂樓較近，僅依靠重力流對頂樓居民供水，壓力無法滿足需求，因此在屋頂水箱出水管安裝了集中增壓水泵（一般來說，居民家中會自行安裝家用小型增壓泵來彌補壓力不足的情況），而高層住宅屋頂水箱距離頂樓居民有一定距離，因此不需要在屋頂水箱出水管增設(shè)額外加壓設(shè)施。多層住宅和高層住宅的供水模式詳見圖1。

圖1 A、B 小區(qū)供水模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of water supply mode in community A and B

1.4 泵房水泵效率計算

由于水泵機組效率由水泵效率和電機效率兩部分組成，主要通過《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評價值》（GB19762—2007）和《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》（GB18613—2012）對水泵本身進行評價。從實際運行角度出發(fā)，供水模式和居民用水量等因素都會影響水泵的運行能力，因此，對水泵機組運行效率進行統(tǒng)計更方便，也更有現(xiàn)實價值，具體可通過式（1）[8]來計算：

其中：η′為水泵機組運行效率（%）；Q'為水泵機組運行流量（m3/h）；H'為水泵機組運行揚程（m）；N′為水泵機組運行功率（kW）；ρ為水的密度（1 000 kg/m3）；g為重力加速度，取9.81 N/kg。

2 用水量分析

2.1 用水量隨時間變化

2020 年9 月至2021 年12 月期間，A 小區(qū)多層區(qū)域、A 小區(qū)高層區(qū)域以及B 小區(qū)多層區(qū)域居民月度用水量情況根據(jù)水泵出水管流量計獲得。由于被研究小區(qū)人口具有一定的流動性，且難以統(tǒng)計每戶實際居住人數(shù)，因此通過剔除每月天數(shù)和戶數(shù)影響，對比各區(qū)域每月用水總量/（每月天數(shù)×服務(wù)戶數(shù)），用水情況具體如圖2 所示。

圖2 A、B 小區(qū)月度每戶日均用水量情況Fig.2 Monthly average daily water consumption of each room in community A and B

A 小區(qū)多層區(qū)域、高層區(qū)域以及B 小區(qū)多層區(qū)域各月平均用水量受年度影響較小，2021 年較2020 年在相同月份用水量變化在6%以內(nèi)。在月度方面，3 個供水住宅區(qū)域用水量變化趨勢較為一致，月度用水量變化幅度較為明顯，用水量均隨溫度升高而增大，但增幅略有不同。其中，A 小區(qū)多層區(qū)域每戶的日均用水量低谷月在2 月，為307.42 L；用水量高峰月在7 月，為450.51 L；增幅為46.54%。A 小區(qū)高層區(qū)域和B 小區(qū)多層區(qū)域的用水量低谷均在1 月，用水量高峰均在8 月，增幅分別為28.06%和16.18%。

根據(jù)《上海市住宅設(shè)計標準》（DGJ08-20—2019）規(guī)定：住宅每人最高日生活用水量定額不宜大于230 L。因此，設(shè)計單位在水泵選型時（水池+工頻水泵+水箱模式），需要代入最高日最高時用水量，即便是對已接管的住宅小區(qū)，在設(shè)計過程中，為計算方便，常用人均上限值230 L/d (24 h)作為基數(shù)，再乘以最高日最高時系數(shù)和總?cè)藬?shù)，而總?cè)藬?shù)按每戶平均3～3.5 人乘以總戶數(shù)代入。為保障供水水量，水泵參數(shù)選擇時，并不是根據(jù)實際歷史數(shù)據(jù)進行精細化分析選取，會出現(xiàn)水泵流量參數(shù)選擇偏大的情況，存在一定程度的能耗浪費。

2.2 供水流量時長分布

當采用水池+變頻水泵模式供水時，根據(jù)設(shè)計規(guī)范，水泵流量選型通常是按照設(shè)計秒流量的方法計算確定。然而，在實際運行工況下，由于居民用水習(xí)慣的差異，導(dǎo)致d (24 h)內(nèi)大多數(shù)時間水泵的供水流量遠低于額定流量，即便是夏季也相差甚遠。圖3示出了2021 年7 月1 日A、B 小區(qū)多層區(qū)域泵房水泵的不同供水流量的時間占比情況。如圖3 所示，A、B 小區(qū)多層區(qū)域的泵房水泵運行水量小于0.1Q的時間占比最大，分別為43.71%和35.60%。A、B 小區(qū)多層區(qū)域水泵流量低于0.4Q的時間占比分別為89.72%和91.93%。因此，從能耗角度出發(fā)，若要保留原有供水格局，可采用大小泵組合模式，當居民用水量低時，采用小流量水泵運行，以提高供水效率，降低運行能耗。

圖3 2021 年7 月1 日A、B 小區(qū)多層區(qū)域泵房供水流量的時間占比情況Fig.3 Time proportion of different water supply flow of pump stations in mid-rise community A and B on July 1, 2021

3 二次供水能耗分析

3.1 多層區(qū)域泵房水泵能效分析

獲取A、B 小區(qū)多層泵房水泵機組的各時段水力以及能耗數(shù)據(jù)，計算其實時效率情況。由于流量及能耗數(shù)據(jù)每秒都在波動，不利于分析，取每小時相關(guān)數(shù)據(jù)的平均值，再進行效率計算。此外，由圖2 可知，7 月份日均用水量最大，且3 種工況差異最為顯著，因此選擇2021 年7 月1 日數(shù)據(jù)進行深入分析，具體結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，A、B 小區(qū)多層區(qū)域泵房水泵運行效率最高點分別在18 時和6 時，且均低于60%；，而運行效率最低點分別在15 時和3 時，且均低于15%；全天運行效率平均值為36.2%和33.91%。B 小區(qū)多層區(qū)域相較A 小區(qū)多層區(qū)域在水泵機組運行效率方面波動更劇烈，這是由運行水量波動所導(dǎo)致的。A、B 小區(qū)多層區(qū)域1～3 層為水泵直接供水，4～6 層均由水泵輸送至水箱間接供水，水箱進水又受液位影響，因此，水泵運行水量和通常用水高峰有時會錯開?？梢钥闯?，水泵機組的運行水量和水泵運行效率呈現(xiàn)較為一致的變化關(guān)系，整體來說水泵運行效率隨流量增大而不斷變大。

圖4 2021 年7 月1 日A、B 小區(qū)多層泵房水泵運行水量及機組運行效率變化Fig.4 Changes of pump operating water flow and operating efficiency of pump stations in mid-rise community A and B on July 1, 2021

由于水泵為變頻恒壓調(diào)速運行，其運行功率也隨流量變化，導(dǎo)致效率和流量呈指數(shù)關(guān)系，具體如圖5所示。由圖5 可以看出，隨流量增大，水泵運行效率逐漸增大，但是增速變緩。水泵效率的最優(yōu)情況是盡量使運行流量靠近額定流量附近運行。當實際工況與之完全相反時，分配高運行流量給低運行流量，使得運行流量均化，可以提升整體平均效率。

圖5 A、B 多層泵房水泵機組運行效率隨運行水量變化情況Fig.5 Variation of pump operating efficiency with operating water volume of pump stations in mid-rise building of community A and B

3.2 高層區(qū)域泵房水泵能效分析

高層與多層區(qū)域供水模式不同，A 小區(qū)高層住宅的水泵流量與運行效率隨時間變化如圖6 所示。A 小區(qū)高層區(qū)域水泵運行時間為6～7 時、10～11 時、16～17 時和20～21 時。高層區(qū)域水泵與多層區(qū)域水泵的區(qū)別為：多層區(qū)域水泵需要不間斷運行，而高層區(qū)域水泵只有在觸及屋頂水箱設(shè)定低液位時，水泵才啟動補水。因此，高層區(qū)域的水泵運行基本符合額定工況，水泵運行效率主要在60%左右。

圖6 A 小區(qū)高層泵房水泵機組運行效率和運行水量變化Fig.6 Changes of pump operating efficiency and operating water volume of pump station in high-rise building of community A

對比多層供水模式和高層供水模式可以發(fā)現(xiàn)，A、B 小區(qū)的多層區(qū)域不是傳統(tǒng)意義的水池+變頻水泵模式，但是由于水箱的存在，會造成錯峰補水，在一定程度可以均化各時段水泵的運行水量。由于居民用戶用水時間的差異性，導(dǎo)致水池+變頻模式下水泵基本上不斷運行，且泵房水泵運行的小流量時段遠大于大流量時段。通過圖5 中運行水量和效率關(guān)系曲線可以計算得出，均化運行水量更有利于提高水泵整體效率，降低能耗。同時，若A、B 小區(qū)的多層區(qū)域沒有屋頂水箱，水泵設(shè)計流量也會更大，導(dǎo)致能耗可能高于目前現(xiàn)狀。因此，不考慮屋頂水箱增壓水泵能耗以及其他因素，單從泵房水泵運行效率來說，水池+變頻水泵模式的泵房水泵運行效率是水池+工頻水泵+水箱模式水泵運行效率的50%左右。

3.3 泵房水泵與屋頂水泵耗電量分析

通過對A、B 兩個小區(qū)的泵房水泵運行水量及能耗數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，獲得A 小區(qū)多層區(qū)域、高層區(qū)域以及B 小區(qū)多層區(qū)域在2020 年9 月至2021 年12 月泵房水泵的運行能耗情況，如圖7 所示。A 小區(qū)多層區(qū)域、高層區(qū)域以及B 小區(qū)多層區(qū)域泵房水泵每月的能耗為0.23～0.30 kW·h/m3。其中，A 小區(qū)高層區(qū)域是水池+工頻水泵+屋頂水箱模式，能耗范圍為0.23～0.27 kW·h/m3。A、B 小區(qū)多層區(qū)域較A 小區(qū)高層區(qū)域每月有一定程度的變化。溫度高的月份能耗反而比溫度低的月份能耗低，這可能是由于高溫時用水頻繁，導(dǎo)致時用水量更均化從而有利于效率的提升。A 小區(qū)多層區(qū)域、高層區(qū)域以及B 小區(qū)多層區(qū)域的泵房水泵運行揚程分別穩(wěn)定在29.5、63.0 m和29.5 m 左右，結(jié)合能耗數(shù)據(jù)可以估算每月A、B 小區(qū)多層區(qū)域的泵房水泵效率在30%左右，而A 高層效率在60%左右，與3.1 節(jié)的兩種模式下日效率計算值的效率倍數(shù)關(guān)系基本一致。

圖7 A、B 小區(qū)泵房水泵的能耗情況Fig.7 Energy consumption of pump stations in community A and B

當居民住宅區(qū)域存在屋頂水箱時，尤其是多層小區(qū)的頂樓居民普遍會存在入戶壓力過低現(xiàn)象。由于屋頂水箱距離頂層用戶的垂直距離過短，重力流入戶壓力低于0.1 MPa，無法滿足噴淋、熱水器、智能馬桶等室內(nèi)衛(wèi)生器具的最低用水壓力需求，為此用戶在家中增設(shè)加壓水泵，增加了供水能耗。為提升服務(wù)品質(zhì)，部分自來水公司會在屋頂水箱出水管統(tǒng)一設(shè)置加壓水泵。A、B 小區(qū)的多層區(qū)域均設(shè)有屋頂增壓水泵。評判是水池+工頻水泵+屋頂水箱模式還是水池+變頻水泵模式更為節(jié)能，除了比較二次供水泵房水泵能耗外，還應(yīng)該考慮屋頂增壓水泵能耗。由于A 小區(qū)高層的屋頂水箱沒有安裝屋頂水泵，同時屋頂水泵對A、B 小區(qū)多層區(qū)域也僅提升4～6 層居民的用水壓力，并且高層屋頂水泵缺少流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，所以此處通過日均能耗對泵房水泵和屋頂水泵能耗進行對比，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 A、B 小區(qū)泵房水泵與屋頂水泵日均能耗情況Fig.8 Daily average energy consumption of pump stations and roof pumps in community A and B

由圖8 可以看出，A、B 小區(qū)多層區(qū)域屋頂水泵即便在供水量和壓力均低于泵房水泵時，能耗也遠大于后者，某些月份甚至達到2 倍及以上。屋頂水泵或者家用增壓泵由于技術(shù)限制，即使在額定流量下運行，效率也基本低于40%，同時該水泵選型時流量依據(jù)當量法計算，與泵房水泵相比，在實際運行時前者運行水量較額定流量更低，且低流量時段占比更大。B 小區(qū)多層區(qū)域相較于A 小區(qū)多層區(qū)域，其屋頂水箱能耗更大，這是由于B 小區(qū)有18 個屋頂水箱，A 小區(qū)僅有11 個屋頂水箱，同時B 小區(qū)的每個屋頂水箱服務(wù)的戶數(shù)較A 小區(qū)更多，供水水量更大。若屋頂出水管不集中安裝加壓水泵，5 層、6 層的居民戶內(nèi)需安裝家用增壓水泵，相較屋頂集中加壓能耗會更大。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得出，若A、B 小區(qū)多層區(qū)域4～6 層采用水池+變頻模式時，泵房水泵能耗可能會比現(xiàn)狀有所提高，但相較屋頂水箱或居民家用水泵所產(chǎn)生的能耗來說，更為經(jīng)濟。

4 結(jié)論與建議

（1）在滿足相同供水目標情況下，水池+變頻水泵模式的水泵運行效率是水池+工頻水泵+屋頂水箱模式的水泵運行效率的50%左右。部分水箱因其距離頂層過近，僅憑重力流無法滿足供水壓力需求，水池+工頻水泵+屋頂水箱模式需要再次加壓，因此水池+變頻水泵模式下總體能耗更低。

（2）從上海中心城區(qū)現(xiàn)狀來看，多層住宅1～3 樓以市政直供為主，而4～6 樓則通過小區(qū)泵房聯(lián)合屋頂水箱供水，若從水廠至居民龍頭全局的水泵能耗角度進行考慮，把水廠泵房看作為一個“小區(qū)二供泵房”，而每個小區(qū)二供泵房視為“屋頂水箱加壓水泵”，則與A、B 小區(qū)多層區(qū)域目前的供水格局比較相似，因此如果將1～6 層全部改為市政直供，多層全局水泵的總體供水能耗可以降低約50%以上。但在供水模式選取時還需綜合考慮供水壓力提高后的管網(wǎng)漏損和爆管風(fēng)險，以及多層與高層供水量比例等因素。

（3）針對高層供水，若屋頂水箱不會因水箱（池）水齡或材質(zhì)等因素產(chǎn)生水質(zhì)風(fēng)險時，水池+工頻水泵+屋頂水箱模式相較水池+變頻模式能耗更低，而當采用水池+變頻模式模式時，若泵房安裝空間及自控管理等條件允許時，單從能耗角度出發(fā)采用大小泵組合模式也可以在一定程度降低能耗。