淺析變頻泵對高層建筑系統(tǒng)水壓穩(wěn)定性的影響

【摘要】隨著高層建筑的數量不斷增加，供水系統(tǒng)中的水壓不穩(wěn)定問題日益突出。傳統(tǒng)恒速泵難以應對高層建筑中復雜的用水需求，導致高層住戶水壓不足、低層住戶水壓過高。文章分析了變頻泵在控制水壓波動、降低能耗及提高用戶體驗方面的顯著優(yōu)勢。研究結果表明，變頻泵與AI結合的供水系統(tǒng)能有效提升水壓穩(wěn)定性，減少能耗，并提高供水系統(tǒng)的運行效率和可靠性。

【關鍵詞】高層建筑；變頻泵；水壓穩(wěn)定性；智能控制；供水系統(tǒng)

【中圖分類號】TU976 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2025）01-0097-03

0 引言

高層建筑供水系統(tǒng)面臨的一個重要挑戰(zhàn)是如何在不同樓層間維持穩(wěn)定的水壓[1-2]。變頻泵作為現(xiàn)代供水系統(tǒng)的核心技術，其通過智能調節(jié)水壓，不僅提升了水壓的穩(wěn)定性，還能夠節(jié)約能源、降低運營成本，因此被廣泛應用于高層建筑，尤其是節(jié)能和智能化要求較高的現(xiàn)代建筑[3]。

近年來，物聯(lián)網（IoT）、大數據和人工智能（AI）等新興技術逐漸融入高層建筑的供水系統(tǒng)中，進一步提升了變頻泵的性能與智能化水平[4-5]。通過物聯(lián)網技術，供水系統(tǒng)可以實現(xiàn)對水壓、流量等關鍵參數的實時監(jiān)控。同時，人工智能和機器學習算法的引入，使系統(tǒng)能夠預測用水需求和水壓波動趨勢，提前優(yōu)化供水方案。

本文探討了變頻泵技術及新興智能技術在高層建筑供水系統(tǒng)中水壓穩(wěn)定性控制的應用及其影響。通過新技術的統(tǒng)計及項目研究，詳細討論了變頻泵在應對水壓波動、緩解水錘效應及節(jié)能降耗方面的作用。通過結合智能控制技術，不僅能幫助應對現(xiàn)有供水系統(tǒng)中水壓不穩(wěn)定的問題，還將為未來更高效、智能化的供水系統(tǒng)設計提供指導。

1 新技術在水壓穩(wěn)定性中的應用

1.1 變頻泵節(jié)能與水壓控制

1.1.1 變頻泵的節(jié)能優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)恒速泵，變頻泵在節(jié)能方面具有顯著優(yōu)勢。恒速泵的工作模式通常是“全速運行+閥門控制”，即水泵始終以最大功率運轉，依靠調節(jié)閥門開度控制流量和水壓。這種方式容易導致能量浪費，在實際供水需求較低時，水泵依然以高功率運行，使不必要的能量被消耗[6]。變頻泵通過調速實現(xiàn)對電能的精確使用，避免不必要的能量消耗。根據泵的流體動力學公式，泵的能耗與轉速的立方成正比，轉速每減少10%，泵的能耗減少約27%。這種顯著的節(jié)能效果使變頻泵特別適合高層建筑中波動較大的用水需求環(huán)境[7-8]。

1.1.2 水壓控制的靈活性與智能化

變頻泵的另一個重要優(yōu)勢是其水壓控制的靈活性和智能化。變頻泵可以根據實時用水需求調整轉速，自動適應用水量的變化，確保每層樓都能獲得適宜的水壓，極大提升了用戶的用水體驗。此外，變頻泵還可以與物聯(lián)網（IoT）和人工智能（AI）等新興技術結合，進一步提升供水系統(tǒng)的智能化水平[9]。這種智能調控不僅可以更加高效地維持水壓穩(wěn)定，還能提前預測用水需求的變化，動態(tài)調整泵速，從而進一步減少能耗。

1.2 數字孿生與實時監(jiān)控的應用

數字孿生技術是現(xiàn)代高層建筑供水系統(tǒng)中優(yōu)化和管理的重要工具之一。對于復雜的高層建筑供水場景，數字孿生為水壓調控、能耗管理和設備維護提供了智能化解決方案[10]。通過將建筑中的供水管網、泵站、變頻泵、控制系統(tǒng)等所有關鍵部件進行虛擬建模，實現(xiàn)物理世界與數字模型的雙向交互。通過安裝在建筑各處的物聯(lián)網傳感器，實時采集水壓、水流量、溫度、電機轉速等關鍵數據，傳輸至數字模型進行分析和處理。

1.2.1 數字孿生的具體應用實例

以某高層建筑為例，建筑內設有3個供水區(qū)，分別覆蓋低層、中層和高層住戶。每個供水區(qū)都配有獨立的變頻泵，傳感器安裝在每個區(qū)域的主供水管道、樓層水壓節(jié)點和蓄水池中。

在日常用水時段，系統(tǒng)通過預測模型提前預測出高峰期的用水量，自動調整各區(qū)變頻泵的轉速。例如，7：00—9：00高層用水需求增加，數字孿生模型預測高層區(qū)水壓可能下降至2.0 bar（＜標準3.5 bar），系統(tǒng)自動增加泵的轉速，確保水壓恢復至標準范圍。同時，低層區(qū)水壓可能過高，系統(tǒng)則會降低低層區(qū)泵的運行頻率，以避免浪費能源和引發(fā)水壓過大問題。

1.2.2 數字孿生在復雜場景下的應用

1）應對消防需求的場景。在高層建筑中，消防用水通常會產生短時間內的超高流量需求。數字孿生系統(tǒng)通過實時監(jiān)控管網內的水壓變化，在火災報警觸發(fā)時提前增加泵的輸出功率，確保消防系統(tǒng)有足夠的水壓支撐。與此同時，其他非緊急供水區(qū)域可以通過降低水壓來避免系統(tǒng)超載。

2）季節(jié)性變化的應對。在炎熱的夏季，建筑冷卻系統(tǒng)的用水需求增加，供水系統(tǒng)壓力面臨考驗。數字孿生模型通過歷史數據分析，可以預測每日、每周的用水高峰時間段，并自動調節(jié)變頻泵的運行策略。例如，系統(tǒng)會在午后溫度最高時提前增加冷卻水的供應，以避免用水高峰導致的系統(tǒng)壓力下降。

1.3 人工智能與機器學習在控制中的應用

傳統(tǒng)供水系統(tǒng)在控制水壓和流量時，往往依賴預設的控制邏輯或人工干預，難以實現(xiàn)對復雜用水需求的實時響應。人工智能與機器學習的應用，則能夠基于大量歷史數據與實時傳感器反饋，對用水需求進行預測和優(yōu)化泵速控制，從而提升供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能效和可靠性。

某混合用途高層建筑包含住宅樓層、商業(yè)區(qū)和辦公樓層，不同區(qū)域的用水需求差異較大。通過AI系統(tǒng)的優(yōu)化，泵速能夠針對不同區(qū)域的需求進行分區(qū)調節(jié)。例如，上午辦公樓層用水需求增加時，AI系統(tǒng)會優(yōu)先保證辦公區(qū)域的水壓，同時降低住宅樓層的供水功率，等到中午住宅區(qū)開始用水時再逐步調整泵速，確保各區(qū)域的水壓平衡。此策略顯著減少了能源浪費，優(yōu)化了供水效率。

在季節(jié)性用水需求波動較大的建筑中（如夏季冷卻水需求增加或冬季取暖系統(tǒng)用水），AI系統(tǒng)通過分析歷史數據，能夠準確預測這些季節(jié)性需求。例如，在某北方高層建筑的冬季供水系統(tǒng)中，AI根據室外溫度變化和歷史用水數據，自動調整泵速以應對供暖用水的高峰。在采暖季節(jié)用水需求最高時，系統(tǒng)提前調節(jié)供水泵速，減少了水壓波動帶來的供暖不均勻問題，確保每層樓的供水穩(wěn)定。

1.4 新材料與設計優(yōu)化對變頻泵性能的提升

1.4.1 新材料的應用

新型材料的使用，例如更輕質、更高強度的合金和復合材料，直接提升了變頻泵的整體性能。這些材料能夠顯著減少泵的重量，降低運行中的摩擦損耗，同時增強耐腐蝕性。這對于長期處于高壓、高流量的泵來說至關重要。在高層建筑供水的長期使用過程中，管道和泵內的腐蝕和磨損是影響水壓穩(wěn)定性的重要因素之一。通過使用耐腐蝕材料，如不銹鋼和碳纖維復合材料，泵能夠在惡劣的工作環(huán)境中保持穩(wěn)定運行，減少故障頻率并延長設備使用壽命。

1.4.2 摩擦系數與能效優(yōu)化

新材料的低摩擦特性減少了泵內部部件之間的磨損和能量損耗，從而提高了系統(tǒng)的能效。泵的關鍵部件（如葉輪、軸承和密封件）通過使用低摩擦材料，能夠在保持較高泵速的同時減少能耗。此外，新材料的熱導率改善了泵在高溫環(huán)境中的工作性能，減少了因溫度過高而導致的能量浪費。高效能泵不僅能夠有效降低能耗，還能進一步提升水壓的穩(wěn)定性，使泵在不同工況下都能實現(xiàn)穩(wěn)定、平滑的流量控制。

2 智能供水系統(tǒng)在高層建筑中的應用

2.1 項目背景

項目分析基于一座位于上海的40層智能高層建筑。該建筑集住宅、辦公和商業(yè)為一體，建筑內供水需求復雜且波動性較大。由于高度差異，供水系統(tǒng)在樓層間水壓不均衡問題突出，特別是在用水高峰期，高層住戶常面臨水壓不足的情況，而低層住戶則可能面臨水壓過高的困擾。此外，建筑日常能耗較高，傳統(tǒng)供水系統(tǒng)采用恒速泵，難以根據實際需求調整泵速，導致能量浪費。

為了解決這些問題，項目方對供水系統(tǒng)進行了智能化升級，采用變頻泵結合物聯(lián)網技術，并引入了AI控制系統(tǒng)以實時監(jiān)控水壓、流量等參數，實現(xiàn)動態(tài)調節(jié)。以下將從水壓波動、能耗變化和住戶反饋三個方面展示系統(tǒng)優(yōu)化前后的對比效果。

2.2 系統(tǒng)升級前后運行參數對比

2.2.1 水壓波動數據對比

在系統(tǒng)升級之前，供水系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的恒速泵，水壓調控能力有限。由于泵始終以恒定速率運行，低層住戶在用水需求低時常常面臨水壓過高的問題，而在高峰期，高層住戶經常遇到水壓不足的現(xiàn)象。以下是對比數據。

1）高層（35～40層）水壓數據。系統(tǒng)升級前，水壓波動范圍為2.0～3.0 bar，在用水高峰期（7：00—9：00，17：00—19：00），水壓最低降至2.0 bar，無法滿足高層住戶用水需求。系統(tǒng)升級后，變頻泵通過AI預測用水需求并調整泵速，水壓波動范圍穩(wěn)定在3.3～3.5 bar，始終保持在理想范圍，確保高峰期用水穩(wěn)定。

2）低層（1～10層）水壓數據。系統(tǒng)升級前，水壓波動范圍為5.0～5.5 bar，過高的水壓容易導致管道損耗加劇，并造成低層住戶的體驗感不佳。系統(tǒng)升級后，通過變頻泵的實時調節(jié)，低層水壓波動控制在4.5～4.8 bar之間，避免了高水壓帶來的問題，延長了管道和設備的使用壽命。

3）整體波動對比。升級前，水壓波動幅度高達1.5 bar，尤其是在高峰時段水壓波動頻繁。升級后，水壓波動幅度控制在±0.2 bar內，大幅提升了水壓的穩(wěn)定性。

2.2.2 能耗變化對比

在系統(tǒng)升級前，恒速泵系統(tǒng)的運行效率較低，泵在用水量較小時仍以高功率運轉，導致了大量的能源浪費。通過變頻泵的引入和AI控制系統(tǒng)的優(yōu)化，能耗得到了顯著改善。

系統(tǒng)升級前，泵在高峰期和低谷期均以100%功率運行，平均月能耗為20 000 kW .h。系統(tǒng)升級后，泵速根據實時用水需求動態(tài)調整。在用水高峰期，泵的功率提升至85%～100%，在用水低谷期（如凌晨時段），泵速降至40%～50%。優(yōu)化后的平均月能耗為16 800 kW .h，節(jié)能率達到16%。

通過對比可以看出，變頻泵和AI控制系統(tǒng)的結合不僅提高了水壓的穩(wěn)定性，還有效減少了能源消耗。

2.3 住戶反饋數據

為評估智能化供水系統(tǒng)的用戶體驗，項目方對建筑內的住戶進行了滿意度調查。住戶反饋的核心問題集中在系統(tǒng)升級前的水壓波動及用水不便。

1）系統(tǒng)升級前住戶反饋。高峰時段水壓不足成為最常見的投訴問題，特別是在用水需求較大的早晨，高層住戶常常無法正常使用熱水器或洗衣機。對于低層住戶而言，水壓過高導致水龍頭水流過急，使用體驗不佳。

2）系統(tǒng)升級后住戶反饋。水壓穩(wěn)定，日常用水不再受高峰期的影響，高層住戶滿意度從原先的65%提升至92%。水壓得到控制，過高水壓的問題顯著減少，低層住戶的滿意度從70%提升至88%。

2.4 數據總結與效果評估

從水壓波動、能耗變化以及住戶反饋的具體數據可以看出，智能化供水系統(tǒng)的實施顯著改善了原有系統(tǒng)的不足。通過變頻泵、AI和物聯(lián)網技術的結合，建筑的供水系統(tǒng)在以下幾個方面得到了顯著提升。

1）水壓穩(wěn)定性。水壓波動大幅度減小，高層和低層住戶均能獲得穩(wěn)定的水壓。

2）能耗降低。系統(tǒng)運行能耗減少了16%，為建筑管理方節(jié)省了大量電力成本。

3）住戶滿意度提升。由于水壓穩(wěn)定性和用水體驗的改善，住戶的滿意度平均提升了20%。

3 結語

本研究詳細探討了變頻泵及其結合物聯(lián)網和人工智能技術在高層建筑供水系統(tǒng)中的應用，通過對實際項目的分析，驗證了其在水壓穩(wěn)定性、能耗降低和用戶體驗提升方面的顯著效果。研究結果表明，智能化供水系統(tǒng)通過動態(tài)調節(jié)泵速，能夠精確控制水壓，顯著減少高層和低層住戶的水壓波動，提升了供水的穩(wěn)定性。同時，節(jié)能效果顯著，能耗平均減少16%，大幅降低了建筑運營成本。此外，智能控制系統(tǒng)能夠提前預測供水需求，實現(xiàn)自適應調控，提高了系統(tǒng)的整體效率和用戶的滿意度。

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[作者簡介]高姍姍（1990—），女，山東濰坊人，本科，工程師，研究方向：建筑給排水。