智慧供水泵房設(shè)計(jì)及運(yùn)行優(yōu)化

吳義軍 周 蜜 余 聰 崔新強(qiáng) 楊 旭

（深圳市安之聯(lián)置業(yè)有限公司，廣東 深圳 518001）

1 研究背景

隨著城市的發(fā)展，城市人口大幅增加，為滿足隨之而來(lái)的居住需求，城市中高層建筑不斷涌現(xiàn)。為適應(yīng)快速發(fā)展的城市系統(tǒng)，相應(yīng)的配套輔助設(shè)施也需要及時(shí)更新。城市的供水一般使用管道集中式供水，但在供水需求高的地方，為了滿足高層小區(qū)居民的生活用水需求，會(huì)加裝二次供水設(shè)施。二次供水泵房作為小區(qū)供水系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)小區(qū)的水資源管理和保障起著重要作用。從經(jīng)濟(jì)效益方面來(lái)講，住宅小區(qū)二次供水泵房的建設(shè)可以優(yōu)化小區(qū)的供水系統(tǒng)，減少水資源的浪費(fèi)，降低小區(qū)的用水成本。通過(guò)智慧化管理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵房的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，進(jìn)一步提高供水系統(tǒng)的效率，降低運(yùn)營(yíng)成本。從實(shí)際效益方面來(lái)講，住宅小區(qū)二次供水泵房的建設(shè)可以保障居民的用水需求，提高供水的品質(zhì)和穩(wěn)定性。通過(guò)建設(shè)智慧化泵房，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)、水量等多個(gè)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，確保居民用水安全和健康。同時(shí)，智慧化管理還可以提高泵房的自動(dòng)化程度，減少人工干預(yù)，提高運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

城鎮(zhèn)居民的二次供水設(shè)施將集中供水管道里的水再次加壓和另行存儲(chǔ)，以滿足居民供水需求[1]。廣州市二次供水用戶占比60%以上，上海市二次供水占比50%以上。二次供水的需求提升，二次供水的產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。據(jù)資料顯示，2022年我國(guó)二次供水設(shè)備產(chǎn)量約18萬(wàn)套，市場(chǎng)規(guī)模約達(dá)到380億元。目前，二次供水設(shè)施還存在許多需要解決的問(wèn)題[2]，二次供水泵房發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)擁有了一套相對(duì)完善的運(yùn)行體系，泵房規(guī)模相對(duì)較小，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)也可控，維護(hù)難度也相對(duì)較小。但由于不同管理人員采取的管理措施不同，導(dǎo)致管理成本波動(dòng)較大，需要維護(hù)管理人員根據(jù)運(yùn)行狀況及時(shí)調(diào)整，以降低成本。建設(shè)缺陷或后期管理維護(hù)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致供水管道被污染[3]，二次供水設(shè)施在運(yùn)行中會(huì)造成電力資源浪費(fèi)現(xiàn)象[4]。同時(shí)由于城市發(fā)展，居民的供水需求增大，二次供水泵房面臨升級(jí)改造的問(wèn)題，嚴(yán)重制約了二次供水設(shè)施的正常運(yùn)營(yíng)，必須采取有效措施解決當(dāng)前狀況[5]。通過(guò)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)智能算法、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及可視化技術(shù)設(shè)計(jì)建設(shè)而成的智慧化標(biāo)準(zhǔn)泵房為解決上述問(wèn)題提供了重要思路與方案[6]。

為了縮短二次供水設(shè)施的維護(hù)管理時(shí)間[7]，降低二次供水設(shè)施的故障率和維護(hù)成本，減少二次供水設(shè)施的電力資源消耗，城鎮(zhèn)智慧供水理念[8]逐漸被人們認(rèn)可并推廣。智慧水務(wù)[9]的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減耗，保障了供水需求，提升了供水服務(wù)質(zhì)量。文章以深圳安聯(lián)尚璟府項(xiàng)目智慧泵房為研究對(duì)象，詳細(xì)介紹了智慧泵房的組成部分，分析了泵房的運(yùn)行機(jī)制和智能管理措施，為智慧泵房的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了參考。

2 智慧泵房的組成要素

二次供水智慧泵房通過(guò)對(duì)用戶的感知、智能識(shí)別、供電保障、人機(jī)互動(dòng)、水質(zhì)保障、能耗管理、降噪減震等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、傳輸、處理等功能。智慧泵房由供水設(shè)施、控制系統(tǒng)和相應(yīng)的管理系統(tǒng)組成。深圳安聯(lián)尚璟府項(xiàng)目智慧泵房平面圖如圖1所示。

圖1 深圳安聯(lián)尚璟府項(xiàng)目智慧泵房平面圖

2.1 供水設(shè)施

供水泵房的供水設(shè)施要有與監(jiān)控運(yùn)行互相匹配的監(jiān)測(cè)儀表，同時(shí)預(yù)留流量、壓力、水質(zhì)、液位等儀表的安裝位置，方便供水泵房建設(shè)施工時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)操作。泵房中預(yù)留監(jiān)控點(diǎn)位，覆蓋泵房中需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。泵房里的供水泵組應(yīng)采用變頻調(diào)速供水泵組，可以根據(jù)用水需求峰谷工況使供水泵組一直運(yùn)行在高效區(qū)間，節(jié)約電力資源。在水泵進(jìn)出口水量和水壓力波動(dòng)時(shí)，水泵應(yīng)自行調(diào)整，保持水泵運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定的工作區(qū)間。供水泵組各個(gè)水泵之間需要定時(shí)輪換運(yùn)行且可以自動(dòng)巡檢，水泵突發(fā)故障而不能正常運(yùn)行時(shí)，備用水泵能夠立刻自動(dòng)運(yùn)行，保證供水的連續(xù)性。二次供水泵房還應(yīng)具有開源的數(shù)據(jù)傳輸接口，使用開放式的通信協(xié)議，使泵房里的相關(guān)數(shù)據(jù)可以高效傳輸管理。

2.2 控制系統(tǒng)

智慧泵房的控制系統(tǒng)要保持良好的穩(wěn)定性和魯棒性，使二次供水智慧泵房能夠安全持續(xù)運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)需要具備遠(yuǎn)程手動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行以及現(xiàn)場(chǎng)工頻運(yùn)行的功能，保障在各種突發(fā)緊急情況下控制系統(tǒng)能夠良好運(yùn)行。二次供水智慧泵房應(yīng)安裝能夠檢測(cè)進(jìn)出水壓力、水箱液位、水泵運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)的控制裝置，并在上述位置和市政供水管道入口處、二次供水泵房出口等重要部位安裝相應(yīng)的水位、流量和壓力傳感器，一旦出現(xiàn)水泵故障、進(jìn)出水壓力異常、水箱液位異常以及其他各種故障，立即警報(bào)，通知維護(hù)管理人員迅速處理故障?？刂葡到y(tǒng)還應(yīng)具有設(shè)備保護(hù)動(dòng)作的功能，設(shè)備機(jī)組系統(tǒng)斷水時(shí)能夠自動(dòng)停機(jī)，充水后自動(dòng)開機(jī)，復(fù)電后自動(dòng)啟動(dòng)，保證供水系統(tǒng)在經(jīng)歷突發(fā)情況后能夠及時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行。

2.3 管理系統(tǒng)

智慧泵房的管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智慧泵房的關(guān)鍵。智慧泵房的管理系統(tǒng)應(yīng)具有智慧感知、智慧分析和展現(xiàn)的功能。智慧感知依賴安裝的傳感器和控制系統(tǒng)，傳感器的信息可以及時(shí)反饋給分析軟件，包括供水壓力、供水流量、水質(zhì)參數(shù)、水箱液位、能耗信息、運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)設(shè)備信息等內(nèi)容。智慧泵房的管理系統(tǒng)需要有水力模型分析模塊，自動(dòng)繪制管路特性曲線和水泵特性曲線，還應(yīng)具有水泵高效區(qū)分析、工作情況監(jiān)測(cè)和分析、成本評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)篩選等分析功能，可以用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)；智慧泵房的管理系統(tǒng)應(yīng)展現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、流量、電能、壓力、安防等內(nèi)容，同時(shí)也應(yīng)展示水質(zhì)、管路特性曲線、水力模型、水泵特性曲線和其他模型等，方便后期維護(hù)。

2.4 安全措施

智慧泵房的管理系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)具有保密功能和防止死機(jī)功能?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置密碼的方式進(jìn)行管理，防止非專業(yè)人員由于失誤操作而造成損失。管理系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)均應(yīng)可以導(dǎo)出或復(fù)制備份，防止數(shù)據(jù)丟失，硬件或軟件需要具有防病毒和防攻擊的機(jī)制。智慧泵房里的電氣控制設(shè)備具有相應(yīng)的絕緣等級(jí)與防水等級(jí)，最好設(shè)置獨(dú)立的控制室與供水設(shè)施隔離，防止電路進(jìn)水故障?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)具有防止電磁干擾功能和可靠的防雷擊功能，做好接地防護(hù)。智慧泵房也需要設(shè)置安防措施，如在泵房出入口、設(shè)備室、控制室安裝監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，預(yù)防突發(fā)事故，保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全。

3 智慧泵房的運(yùn)行優(yōu)化

為了解決傳統(tǒng)供水泵房在功能運(yùn)行方面存在的監(jiān)測(cè)弱、水質(zhì)保障不穩(wěn)定、供電不足、故障預(yù)警機(jī)制不健全等問(wèn)題，需要采用智慧化手段對(duì)供水泵房進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化。

3.1 監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集運(yùn)行優(yōu)化

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集成為智慧泵房運(yùn)行優(yōu)化的重要手段。在傳統(tǒng)的泵房監(jiān)測(cè)中，人工巡查的方式存在諸多問(wèn)題，如監(jiān)測(cè)頻率低、監(jiān)測(cè)精度低、監(jiān)測(cè)成本高等。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧泵房運(yùn)用了各種傳感器、監(jiān)測(cè)設(shè)備等智能化手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)泵房運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，如在智慧泵房中，安裝水流量計(jì)、水壓傳感器和水質(zhì)傳感器等設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水流量、水壓和水質(zhì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泵房中水流量、水壓、水質(zhì)的變化，提高了泵房監(jiān)測(cè)的精度和效率。同時(shí)，可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整泵房的水泵出水量、水泵開啟時(shí)間等，在水質(zhì)異常情況下，還可以及時(shí)采取措施，提高了供水的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

3.2 故障與維護(hù)管理運(yùn)行優(yōu)化

在智慧泵房中，通過(guò)安裝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如電機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、電流等。通過(guò)數(shù)據(jù)分析和處理，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和異常情況，提前預(yù)警和處理，減少了設(shè)備停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本。還可以根據(jù)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行智能化的設(shè)備調(diào)度和維護(hù)管理，提高設(shè)備的可靠性和運(yùn)行效率。

智慧泵房通過(guò)監(jiān)測(cè)泵房各項(xiàng)參數(shù)，如水流量、水壓、水質(zhì)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，建立故障預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)泵房可能出現(xiàn)的故障類型和故障時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到泵房出現(xiàn)故障預(yù)警信號(hào)時(shí)，可以及時(shí)通知工作人員進(jìn)行檢修和維護(hù)，避免故障的擴(kuò)大和影響供水。

在泵房的設(shè)備維護(hù)管理中，通常采用計(jì)劃性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)兩種方式。計(jì)劃性維護(hù)指根據(jù)設(shè)備的使用壽命或規(guī)定時(shí)間進(jìn)行定期維護(hù)；預(yù)防性維護(hù)是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，預(yù)測(cè)設(shè)備故障和磨損程度，提前進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，避免設(shè)備的意外故障和長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。預(yù)測(cè)設(shè)備的磨損程度和維護(hù)周期，可以及時(shí)發(fā)出維護(hù)預(yù)警信號(hào)，啟動(dòng)相應(yīng)的維護(hù)方案，以保障設(shè)備的正常運(yùn)行。

3.3 能源與調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

泵房是一個(gè)能源密集型的設(shè)施，消耗大量的電力和燃料。智慧泵房通過(guò)對(duì)泵房的能源消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，可以建立能源消耗模型，分析和識(shí)別能源消耗的主要因素和影響因素，制定相應(yīng)的能源管理策略，如可以控制泵的啟動(dòng)和停止時(shí)間，調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速和流量，減少泵的能耗。通過(guò)智慧泵房的能源管理，可以提高泵房的能源效率，降低能源成本和環(huán)境負(fù)擔(dān)。

智慧泵房中的智能化技術(shù)手段可以實(shí)現(xiàn)泵房的優(yōu)化調(diào)度，通過(guò)建立泵房的運(yùn)行模型，預(yù)測(cè)泵房的供水需求和供水壓力，制定運(yùn)行策略，如可以根據(jù)不同的供水需求，調(diào)整泵的運(yùn)行速度和流量，保證泵房的供水安全和穩(wěn)定；根據(jù)不同的時(shí)間段和節(jié)假日等因素，調(diào)整泵房的運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)泵房的節(jié)能和降耗，提高泵房的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，減少能源消耗和運(yùn)行成本。

4 智慧泵房的智能管理

智能管理系統(tǒng)的組織架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能管理系統(tǒng)的組織架構(gòu)

4.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控與自動(dòng)化控制

智慧泵房的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)化控制是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑自動(dòng)化中的重要應(yīng)用。遠(yuǎn)程監(jiān)控使建筑管理人員能夠使用基于網(wǎng)絡(luò)的門戶或移動(dòng)應(yīng)用程序，從任何地方訪問(wèn)關(guān)于泵房狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控泵房，樓宇管理人員可以減少現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和維修的需求。自動(dòng)化控制是智慧泵房的另一個(gè)關(guān)鍵特征，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整泵速、閥門位置和流速優(yōu)化泵房的性能，以匹配建筑中的用水需求。系統(tǒng)使用算法和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，有助于降低能耗，提高效率，延長(zhǎng)泵和其他設(shè)備的壽命。

4.2 數(shù)據(jù)分析與決策支持

數(shù)據(jù)收集和分析：智慧泵房配有傳感器和其他設(shè)備，可以生成大量關(guān)于泵、閥門和管道性能的數(shù)據(jù)，應(yīng)實(shí)時(shí)收集和分析數(shù)據(jù)，以識(shí)別問(wèn)題并優(yōu)化泵房的性能。

分析工具：樓宇管理人員需要高級(jí)分析工具分析智慧泵房生成的數(shù)據(jù)，識(shí)別數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)和模式。

預(yù)測(cè)性維護(hù)：分析工具可以用于預(yù)測(cè)泵房設(shè)備需要維護(hù)的時(shí)間，有助于減少意外設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，降低維護(hù)成本。

決策支持：數(shù)據(jù)分析可以為建筑管理人員提供所需的信息，決策支持工具可以幫助確定泵和閥的最佳設(shè)置，提供提高系統(tǒng)效率的建議。

4.3 集成管理與人機(jī)交互

智慧泵房的集成管理和人機(jī)交互能夠優(yōu)化系統(tǒng)的性能，確保其滿足建筑物居住者的需求。智慧泵房應(yīng)通過(guò)中央控制站進(jìn)行集中控制，為建筑管理人員提供有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息。集中控制使樓宇管理人員能夠快速輕松地識(shí)別和排除系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。人機(jī)交互使建筑管理人員可以使用平板電腦、智能手機(jī)和筆記本電腦等各種設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行交互，能夠遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，監(jiān)控其狀態(tài)。智慧泵房配備警報(bào)和通知，允許建筑物管理者設(shè)置閾值和警報(bào)級(jí)別，提醒建筑管理系統(tǒng)中的任何問(wèn)題或異常情況。

5 結(jié)語(yǔ)

文章介紹了智慧泵房的基本組成，分析了智慧泵房運(yùn)行中的缺陷并提出了相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化措施，探討了實(shí)現(xiàn)智慧泵房智能管理的方法。通過(guò)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能計(jì)算機(jī)算法相融合，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)泵房的數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集、分析展示和處理，保證泵房的安全持續(xù)運(yùn)行，降低日常維護(hù)成本，節(jié)約了能源，提升了經(jīng)濟(jì)效益，為智慧城市的發(fā)展提供了支撐。