芜湖三泰大厦供水系统的节能改造设计

周鹏晨¹，孙秀娟²
（1 南通工学院 建筑工程系，江苏 南通 226007；2?芜湖规划设计院，安徽 芜湖 241000）

　　摘要：结合典型高层建筑，通过引入持压阀，对原有生活供水系统设计进行了分析和节能改造，使室外自来水管网的水压得到利用，降低了建筑二次供水的能耗达50%，同时减低了设备投资。由于新的供水系统设计比传统的变频恒压供水系统节能效果更佳，因而具有推广价值。
　　关键词：建筑供水；节能；持压阀
　　中图分类号：TU821
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2000)06-0032-04

　　芜湖三泰大厦总建筑面积为58000m²，楼顶标高34.5 m。地下室为自行车库和设备用房，一至三层为商场，三层上面为层高1.8 m的技术夹层，四至九层为住宅和公寓用房。其生活供水系统是在1996年设计的，由于种种原因，至1999年才进入设备施工阶段。该工程原设计供水以4～9层住宅和公寓为主要用水对象，商场每层设两个卫生间，为简化供水系统，仅设计了一套供水系统。供水设备选用TPE--50/60--14/6气压供水装置一套(供水水泵Q＝50.4m³/h，H＝588kPa，Ne＝15kW，一开一备)。
　　现在，由于部分建筑的用途改变等，需要考虑对原设计在满足用水量和节能上作相应的修改。

　　1 节能改造措施

　　1.1 对供水系统重新分区
　　由于建筑所在地距水厂较近，又距市政供水总管较近，因此室外管网供水压力较高。据当地自来水公司设计室提供的数据：正常时供水压力为0.27～0.31MPa，最低≮0.26～2.7MPa，最高供水压力可达0.31～0.33MPa。因此，从技术角度来看，将地下室和1～3层商场划为单独的一个低区供水系统(顶标高14.5m)，采用自来水管压直接供水，水压完全可以满足要求；从用水水质来看，供水不经过地下水池，水质不易受污染；另外还节省了该部分水泵的容量即设备投资费用，又节省了二次供水的电耗，实在是一举三得的好事。
　　供水系统划分为高低两个区后，高区设计秒流量变为43.1 m?3/h。按照自来水供水水压，四层住宅和公寓也可采用自来水管压直供，只是需另设专用的供水管道，对造价增加较多，在土建完工后实施的难度较大，故不作考虑。
　　1.2 加设持压阀，改进供水系统
　　自来水进入地下室水池后，自来水供水的管压完全损失(用户已为该水压付过费用)，如以一层商场地坪为基准零点，实际地下水室水池至水泵入口位压为负值。为了最大限度地利用自来水管压，将原来使用于化工系统中的持压阀引入供水系统，在自来水室外管网和地下室生活供水水泵入口之间加设持压阀进行连接，使该供水水泵所需的扬程由原来的588 kPa柱降为294 kPa，减少了50%。修改设计后的供水系统如图1所示，其工作原理如下：
　　① 从室外自来水入口(双入口)接来的供水管道，经过计量水表后，一路接至地下室水池，另一路接至持压阀。持压阀的作用：当供水管道水压低于设定值(例如：0.2 MPa)时，关小阀门开启度，直至将阀门完全关闭。该阀门的设定压力范围为0～0.4 MPa，耐压1.6 MPa。持压阀出口与水池至水泵入口的管道相接，为了防止自来水管网的水通过该连接点倒流至水池，在该接点前至水池的管道之间加设了止回阀。这样，当自来水室外管网水压万一低于正常值(如故障检修)时，供水水泵将从水池补充吸水；当持压阀完全关闭时，水泵将改为完全从水池吸水。由于水泵不是直接接在供水管道上，而是通过持压阀的保护后连接到自来水管网上，能够有效防止水泵抽水引起自来水管网压力的下降。自来水公司可以将持压阀设定值调定后，将阀门封定。?
　　② 供水水泵改为SB-X65-40-169K(Q＝45～70 m³/h，H＝324～274 kPa，Ne＝7.5 kW，一开一备，)。由此可见，由于利用了自来水管压，水泵所需的扬程减低为原来的1/2，则水泵的装机功率减低为原来的1/2。上述改进不仅使电能消耗减低了一半，同时设备容量的减低有利于节省设备的初期投资，即购置水泵和变频器的费用。

　　由图1可见，通往水池控制浮球阀的管道没有经过持压阀，这是为了在发生火灾时，不至于因持压阀的限制而影响水池的补水速度。
　　1.3 加设值班水泵
　　图1中的D-1为值班运行水泵，型号：50DLx4(一开一备，Q＝9.0 m³/h，H＝520 kPa，Ne＝4 kW)。在传统供水设备中，许多设备生产厂家认为采用了变频器后，不需要设小型值班水泵，直接用大流量泵值班。由于生活供水系统的压力一般要求恒定，根据水泵的相似率，水泵的流量与转速成正比，而扬程与转速的平方成正比，用户用水量小时，水泵扬程可以降低些，这是由于流量小时管网阻力小的原故，但这部分仅占水泵扬程很小的比例。
　　由于扬程限制，水泵的转速不能降低很多，因此，传统的变频恒压供水是依靠变频和改变水泵工作点来调节流量的，这就妨碍了变频器节能作用的发挥，对节能不利。因此，用变频器来调节水泵转速，目的是减低水泵的总运行功率，在运行时单位水量的耗电未能节省。因此，增设小容量值班水泵对节能和延长大水泵运行寿命是必要的。在本工程中，值班水泵选择较大的扬程和功率出于下述考虑：
　　a.有较大的扬程调节范围，能充分发挥变频器的节能潜力。因为在本工程中，用水量低时室外管网供水压力反而增高，室内供水管道阻力小。由于用户的用水量变化范围大，水泵的额定扬程必须选得高些，才能在运行中获得较低的供水流量，不必降低水泵的运行效率。
　　b.在室外管道检修时，值班水泵可以从地下室水池抽水，扬程必须满足。从图1中可以看到，D-1的入口管道与D-2的入口是相连的，说明D-1可以从地下室水池抽水，供水系统的可靠性有充分的保证。
　　1.4 改水池进水浮球阀为控制浮球阀
　　水池入口原来为4只DN100 mm的普通浮球阀，由于其易损坏，又位于地下室水池内侧，运行中往往在损坏一段时间后才被发觉，给用户带来较大的经济损失。由于控制浮球阀比普通浮球阀寿命长，同时位于水池外侧，检修较为方便。为了帮助用户加强管理，在地下水池的溢水口上，增加了溢水水位传感报警器，使用户在浮球阀万一失灵时，能够获得及时的报警，不至于造成较大损失。 　　1.5 用空调冷却水补水泵作备用泵
　　由于图1中水泵D-2扬程不足于在用水高峰期从地下池吸水，则在室外管网维修时，系统供水能力不足。现将空调冷却水补水泵D-1移至D-2旁，型号为SB—X80—50—210(Q＝50.4 m³/h，H＝588 kPa，Ne＝15 kW)，在D-2和D-3出口管道之间，有一个闸阀相连。这样设计的目的是在空调冷却水量和当时的生活用水量均较小时，由生活供水泵补充空调冷却水，以达到充分节能的目的。从图1可见，D-3可以看作D-2的备用泵，因此系统的可靠性大大提高。
　　1.6 改革系统的控制方式
　　传统变频供水设备的控制原理是恒压变量，即根据供水压力与设定值的差异，确定用户用水量的变化情况。如供水压力大于设定值，则判定为用户用水量下降；如供水压力小于设定值，则判定为用户用水量上升。控制系统据此控制变频器的频率，改变水泵的转速，达到改变流量的目的。恒压，指水泵供水扬程恒定，因为水泵从地下室水池吸水，入口压力近似于恒定，出口水压由压力控制恒定。然而在本工程中，除了用户用水量的变化外，还多了一个干扰量：室外管网的供水压力。当室外供水压力减低，而用户用水量没有变化时，如果不作相应的调节，供水水压将会下降。本工程中，虽然用户供水压力设定值可以恒定，但入口压力变化决定了水泵扬程是变化的，所以称为变压变量供水。如果采用供水水压单变量控制仍可满足供水量调节的目的，但会加剧水泵工作点的漂移。好在现在大多数变频供水设备都配了单片机，设供水水压和管网进水水压两个压力传感器，改一下控制程序，就能适应这种变化。在本工程中，拟定采集室外管网供水压力、实际供水压力和设定供水压力三个参数，由设定供水压力和管网进水压力决定水泵运行转速的基准，然后依据设定供水压力与实际供水压力的差值，在小范围调节变频，通过一段延时，如误差超过规定，则调节运行水泵台数的组合(如表1所示)。从工况1～5，系统供水量由小至最大，每个工况区中流量变化范围缩小，结合变频调节，使流量连续变化，达到既充分利用管网水压，又能保持水泵的工作点在高效工作区内，并且尽量减少变频器电能的损耗，达到三重节能的效果。

　　2 实施过程中存在的问题

　　2.1 自来水公司许可问题
　　为了保障自来水管网和自来水厂正常运行，自来水公司主要关心两个问题：一是管网不能出现负压，导致管网水质污染，同时水压也不能过低，影响其他用户的用水；二是瞬时流量不能过大，不能超过自来水公司的供水能力，但是只要安装了持压阀，就可以完全避免水泵抽水对管网水压的影响。过去，自来水公司是严格禁止用户从管网上直接抽水的，经过设计、建设单位会同有关阀门制造厂家与自来水公司交涉，终获批准。
　　2.2 原变频恒压设备须更新
　　由于管道连接方法和控制方式不同，本系统的控制比传统的恒压供水设备要复杂些，所以有些设备生产厂家欲乘机开出高价，有些打算用普通控制方式代替上述设计，令建设单位深感不便。其实，由于新的系统具有比传统变频恒压供水优越的节能效果，其市场前景看好，正是有实力有远见的供水设备制造厂家产品更新换代、树立品牌的好机会。通过设计者的多番联系，目前已有设备生产厂家看中该项目，大有志在必得之势，余下的就要靠建设单位好好把握了。
　　2.3 增容费问题
　　供水工程建设一般属于市政工程，如同电力一样，其增容费一直是有争议的。水作为商品，应该不收增容费，但这一目标的实现尚需时日。由于自来水公司安装的计量水表容量与增容费相一致，目前该市增容费标准为：8900元/m³，最终落实安装的是一只DN80mm水表，额定流量为22m³/h，需增容费195800元，这对开发公司来讲已是一笔不小的开支。但是，自来水公司供水设计时未考虑到该工程未设屋顶生活水箱，水表容量与66.5m³/h的设计秒流量相比实在相差太远，而这66.5m³/h中，尚包括空调冷却水的用水量。
　　水表容量大大小于设计容量的直接结果是水表超负荷工作，影响使用寿命。水表与相应管径的减少，也会影响水泵入口的压力。应当说明的是，水表的寿命与高区自来水供水管道上直接接二次水泵无关，因为生活瞬时用水量是由用户决定的，现有的地下水池是生活和消防共用的，供水管径和浮球阀均是按消防要求设计的，因此，即使是从地下水池抽水，在水位下降后，浮球阀全开，经过水表的水量就是用户的生活瞬时用水量，与是否在管网上设二次泵抽水无关。所以，在本工程条件下，水表的寿命与水泵直接接至管网无关，仅仅取决于设计秒流量与水表的额定容量是否匹配。解决办法有：
　　a.为空调冷却水设专用冷却水池，避峰补水。
　　b.屋顶设生活水箱或分户水箱，减少供水峰值流量。?
　　c.控制地下水池的补水速度，将地下室生活消防共用水池分设高低位浮球阀，高位为小流量补水，供生活补水用；低位为大流量补水，适应消防和喷淋补水，从而达到控制地下水池补水速度，利用水池蓄水补充供应高峰期生活用水的目的。这样做时，主要是为了应付水表容量不足的矛盾，供水水质不如从管道上直接接水泵的方案。
　　d.更换大口径水表(增容)。
　　2.4 持压阀
　　目前市面上持压阀的流量特性不够理想，原设计是两位式工作，没有缓开缓闭的功能，如采用电动调节阀，性能较好，但价格太高，同时可靠性和使用寿命不如持压阀。?

　　3 技术经济分析

　　在对新旧两个系统的设备构成和耗电量计算时，电费按0.55元/(kW·h)计。新的方案由于增添了两台值班水泵，降低了主泵的运行时间，故折旧周期为原方案的两倍。水量按供水定额，折算为279.7 m³/d。耗电量考虑到原供水系统方案在低负荷时变频器损耗，水泵效率降低，保压运行期间的耗电按满负荷水泵耗电量乘1.5的系数计算。事实上新方案在部分负荷时，由于采用新的水泵配置和控制系统，效率大大提高，但因缺少实测数据，在此仍沿用1.5的系数。计算结果，新系统比旧系统节省1.16万元，设备性能提高，台数增加，寿命延长，而输送每m³水的电费节约0.137 5元，为原方案的50%。新系统第一年节约的设备投资、电费和设备折旧三项可为开发公司节省3.567 4万元，以后每年节省电费和折旧费1.951 4万元。?

　　4 结语

　　本工程中，采用变压变量供水技术为高层建筑生活供水可以达到节省设备投资、节省能耗、保证供水水质的目的。该新型变频变压变量供水系统的普及将给独具慧眼的经营者、广大用户和房地产开发商带来极大的效益。

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收稿日期：1999-12-20