周鵬晨¹，孫秀娟²
（1 南通工學(xué)院 建筑工程系，江蘇 南通 226007；2?蕪湖規(guī)劃設(shè)計(jì)院，安徽 蕪湖 241000）

　　摘要：結(jié)合典型高層建筑，通過引入持壓閥，對(duì)原有生活供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和節(jié)能改造，使室外自來水管網(wǎng)的水壓得到利用，降低了建筑二次供水的能耗達(dá)50%，同時(shí)減低了設(shè)備投資。由于新的供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)的變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能效果更佳，因而具有推廣價(jià)值。
　　關(guān)鍵詞：建筑供水；節(jié)能；持壓閥
　　中圖分類號(hào)：TU821
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2000)06-0032-04

　　蕪湖三泰大廈總建筑面積為58000m²，樓頂標(biāo)高34.5 m。地下室為自行車庫和設(shè)備用房，一至三層為商場(chǎng)，三層上面為層高1.8 m的技術(shù)夾層，四至九層為住宅和公寓用房。其生活供水系統(tǒng)是在1996年設(shè)計(jì)的，由于種種原因，至1999年才進(jìn)入設(shè)備施工階段。該工程原設(shè)計(jì)供水以4～9層住宅和公寓為主要用水對(duì)象，商場(chǎng)每層設(shè)兩個(gè)衛(wèi)生間，為簡(jiǎn)化供水系統(tǒng)，僅設(shè)計(jì)了一套供水系統(tǒng)。供水設(shè)備選用TPE--50/60--14/6氣壓供水裝置一套(供水水泵Q＝50.4m³/h，H＝588kPa，Ne＝15kW，一開一備)。
　　現(xiàn)在，由于部分建筑的用途改變等，需要考慮對(duì)原設(shè)計(jì)在滿足用水量和節(jié)能上作相應(yīng)的修改。

　　1 節(jié)能改造措施

　　1.1 對(duì)供水系統(tǒng)重新分區(qū)
　　由于建筑所在地距水廠較近，又距市政供水總管較近，因此室外管網(wǎng)供水壓力較高。據(jù)當(dāng)?shù)刈詠硭驹O(shè)計(jì)室提供的數(shù)據(jù)：正常時(shí)供水壓力為0.27～0.31MPa，最低≮0.26～2.7MPa，最高供水壓力可達(dá)0.31～0.33MPa。因此，從技術(shù)角度來看，將地下室和1～3層商場(chǎng)劃為單獨(dú)的一個(gè)低區(qū)供水系統(tǒng)(頂標(biāo)高14.5m)，采用自來水管壓直接供水，水壓完全可以滿足要求；從用水水質(zhì)來看，供水不經(jīng)過地下水池，水質(zhì)不易受污染；另外還節(jié)省了該部分水泵的容量即設(shè)備投資費(fèi)用，又節(jié)省了二次供水的電耗，實(shí)在是一舉三得的好事。
　　供水系統(tǒng)劃分為高低兩個(gè)區(qū)后，高區(qū)設(shè)計(jì)秒流量變?yōu)?3.1 m?3/h。按照自來水供水水壓，四層住宅和公寓也可采用自來水管壓直供，只是需另設(shè)專用的供水管道，對(duì)造價(jià)增加較多，在土建完工后實(shí)施的難度較大，故不作考慮。
　　1.2 加設(shè)持壓閥，改進(jìn)供水系統(tǒng)
　　自來水進(jìn)入地下室水池后，自來水供水的管壓完全損失(用戶已為該水壓付過費(fèi)用)，如以一層商場(chǎng)地坪為基準(zhǔn)零點(diǎn)，實(shí)際地下水室水池至水泵入口位壓為負(fù)值。為了最大限度地利用自來水管壓，將原來使用于化工系統(tǒng)中的持壓閥引入供水系統(tǒng)，在自來水室外管網(wǎng)和地下室生活供水水泵入口之間加設(shè)持壓閥進(jìn)行連接，使該供水水泵所需的揚(yáng)程由原來的588 kPa柱降為294 kPa，減少了50%。修改設(shè)計(jì)后的供水系統(tǒng)如圖1所示，其工作原理如下：
　　① 從室外自來水入口(雙入口)接來的供水管道，經(jīng)過計(jì)量水表后，一路接至地下室水池，另一路接至持壓閥。持壓閥的作用：當(dāng)供水管道水壓低于設(shè)定值(例如：0.2 MPa)時(shí)，關(guān)小閥門開啟度，直至將閥門完全關(guān)閉。該閥門的設(shè)定壓力范圍為0～0.4 MPa，耐壓1.6 MPa。持壓閥出口與水池至水泵入口的管道相接，為了防止自來水管網(wǎng)的水通過該連接點(diǎn)倒流至水池，在該接點(diǎn)前至水池的管道之間加設(shè)了止回閥。這樣，當(dāng)自來水室外管網(wǎng)水壓萬一低于正常值(如故障檢修)時(shí)，供水水泵將從水池補(bǔ)充吸水；當(dāng)持壓閥完全關(guān)閉時(shí)，水泵將改為完全從水池吸水。由于水泵不是直接接在供水管道上，而是通過持壓閥的保護(hù)后連接到自來水管網(wǎng)上，能夠有效防止水泵抽水引起自來水管網(wǎng)壓力的下降。自來水公司可以將持壓閥設(shè)定值調(diào)定后，將閥門封定。?
　　② 供水水泵改為SB-X65-40-169K(Q＝45～70 m³/h，H＝324～274 kPa，Ne＝7.5 kW，一開一備，)。由此可見，由于利用了自來水管壓，水泵所需的揚(yáng)程減低為原來的1/2，則水泵的裝機(jī)功率減低為原來的1/2。上述改進(jìn)不僅使電能消耗減低了一半，同時(shí)設(shè)備容量的減低有利于節(jié)省設(shè)備的初期投資，即購置水泵和變頻器的費(fèi)用。

　　由圖1可見，通往水池控制浮球閥的管道沒有經(jīng)過持壓閥，這是為了在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不至于因持壓閥的限制而影響水池的補(bǔ)水速度。
　　1.3 加設(shè)值班水泵
　　圖1中的D-1為值班運(yùn)行水泵，型號(hào)：50DLx4(一開一備，Q＝9.0 m³/h，H＝520 kPa，Ne＝4 kW)。在傳統(tǒng)供水設(shè)備中，許多設(shè)備生產(chǎn)廠家認(rèn)為采用了變頻器后，不需要設(shè)小型值班水泵，直接用大流量泵值班。由于生活供水系統(tǒng)的壓力一般要求恒定，根據(jù)水泵的相似率，水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，而揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，用戶用水量小時(shí)，水泵揚(yáng)程可以降低些，這是由于流量小時(shí)管網(wǎng)阻力小的原故，但這部分僅占水泵揚(yáng)程很小的比例。
　　由于揚(yáng)程限制，水泵的轉(zhuǎn)速不能降低很多，因此，傳統(tǒng)的變頻恒壓供水是依靠變頻和改變水泵工作點(diǎn)來調(diào)節(jié)流量的，這就妨礙了變頻器節(jié)能作用的發(fā)揮，對(duì)節(jié)能不利。因此，用變頻器來調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，目的是減低水泵的總運(yùn)行功率，在運(yùn)行時(shí)單位水量的耗電未能節(jié)省。因此，增設(shè)小容量值班水泵對(duì)節(jié)能和延長(zhǎng)大水泵運(yùn)行壽命是必要的。在本工程中，值班水泵選擇較大的揚(yáng)程和功率出于下述考慮：
　　a.有較大的揚(yáng)程調(diào)節(jié)范圍，能充分發(fā)揮變頻器的節(jié)能潛力。因?yàn)樵诒竟こ讨校盟康蜁r(shí)室外管網(wǎng)供水壓力反而增高，室內(nèi)供水管道阻力小。由于用戶的用水量變化范圍大，水泵的額定揚(yáng)程必須選得高些，才能在運(yùn)行中獲得較低的供水流量，不必降低水泵的運(yùn)行效率。
　　b.在室外管道檢修時(shí)，值班水泵可以從地下室水池抽水，揚(yáng)程必須滿足。從圖1中可以看到，D-1的入口管道與D-2的入口是相連的，說明D-1可以從地下室水池抽水，供水系統(tǒng)的可靠性有充分的保證。
　　1.4 改水池進(jìn)水浮球閥為控制浮球閥
　　水池入口原來為4只DN100 mm的普通浮球閥，由于其易損壞，又位于地下室水池內(nèi)側(cè)，運(yùn)行中往往在損壞一段時(shí)間后才被發(fā)覺，給用戶帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。由于控制浮球閥比普通浮球閥壽命長(zhǎng)，同時(shí)位于水池外側(cè)，檢修較為方便。為了幫助用戶加強(qiáng)管理，在地下水池的溢水口上，增加了溢水水位傳感報(bào)警器，使用戶在浮球閥萬一失靈時(shí)，能夠獲得及時(shí)的報(bào)警，不至于造成較大損失。 　　1.5 用空調(diào)冷卻水補(bǔ)水泵作備用泵
　　由于圖1中水泵D-2揚(yáng)程不足于在用水高峰期從地下池吸水，則在室外管網(wǎng)維修時(shí)，系統(tǒng)供水能力不足?，F(xiàn)將空調(diào)冷卻水補(bǔ)水泵D-1移至D-2旁，型號(hào)為SB—X80—50—210(Q＝50.4 m³/h，H＝588 kPa，Ne＝15 kW)，在D-2和D-3出口管道之間，有一個(gè)閘閥相連。這樣設(shè)計(jì)的目的是在空調(diào)冷卻水量和當(dāng)時(shí)的生活用水量均較小時(shí)，由生活供水泵補(bǔ)充空調(diào)冷卻水，以達(dá)到充分節(jié)能的目的。從圖1可見，D-3可以看作D-2的備用泵，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。
　　1.6 改革系統(tǒng)的控制方式
　　傳統(tǒng)變頻供水設(shè)備的控制原理是恒壓變量，即根據(jù)供水壓力與設(shè)定值的差異，確定用戶用水量的變化情況。如供水壓力大于設(shè)定值，則判定為用戶用水量下降；如供水壓力小于設(shè)定值，則判定為用戶用水量上升?？刂葡到y(tǒng)據(jù)此控制變頻器的頻率，改變水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到改變流量的目的。恒壓，指水泵供水揚(yáng)程恒定，因?yàn)樗脧牡叵率宜匚?，入口壓力近似于恒定，出口水壓由壓力控制恒定。然而在本工程中，除了用戶用水量的變化外，還多了一個(gè)干擾量：室外管網(wǎng)的供水壓力。當(dāng)室外供水壓力減低，而用戶用水量沒有變化時(shí)，如果不作相應(yīng)的調(diào)節(jié)，供水水壓將會(huì)下降。本工程中，雖然用戶供水壓力設(shè)定值可以恒定，但入口壓力變化決定了水泵揚(yáng)程是變化的，所以稱為變壓變量供水。如果采用供水水壓?jiǎn)巫兞靠刂迫钥蓾M足供水量調(diào)節(jié)的目的，但會(huì)加劇水泵工作點(diǎn)的漂移。好在現(xiàn)在大多數(shù)變頻供水設(shè)備都配了單片機(jī)，設(shè)供水水壓和管網(wǎng)進(jìn)水水壓兩個(gè)壓力傳感器，改一下控制程序，就能適應(yīng)這種變化。在本工程中，擬定采集室外管網(wǎng)供水壓力、實(shí)際供水壓力和設(shè)定供水壓力三個(gè)參數(shù)，由設(shè)定供水壓力和管網(wǎng)進(jìn)水壓力決定水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速的基準(zhǔn)，然后依據(jù)設(shè)定供水壓力與實(shí)際供水壓力的差值，在小范圍調(diào)節(jié)變頻，通過一段延時(shí)，如誤差超過規(guī)定，則調(diào)節(jié)運(yùn)行水泵臺(tái)數(shù)的組合(如表1所示)。從工況1～5，系統(tǒng)供水量由小至最大，每個(gè)工況區(qū)中流量變化范圍縮小，結(jié)合變頻調(diào)節(jié)，使流量連續(xù)變化，達(dá)到既充分利用管網(wǎng)水壓，又能保持水泵的工作點(diǎn)在高效工作區(qū)內(nèi)，并且盡量減少變頻器電能的損耗，達(dá)到三重節(jié)能的效果。

　　2 實(shí)施過程中存在的問題

　　2.1 自來水公司許可問題
　　為了保障自來水管網(wǎng)和自來水廠正常運(yùn)行，自來水公司主要關(guān)心兩個(gè)問題：一是管網(wǎng)不能出現(xiàn)負(fù)壓，導(dǎo)致管網(wǎng)水質(zhì)污染，同時(shí)水壓也不能過低，影響其他用戶的用水；二是瞬時(shí)流量不能過大，不能超過自來水公司的供水能力，但是只要安裝了持壓閥，就可以完全避免水泵抽水對(duì)管網(wǎng)水壓的影響。過去，自來水公司是嚴(yán)格禁止用戶從管網(wǎng)上直接抽水的，經(jīng)過設(shè)計(jì)、建設(shè)單位會(huì)同有關(guān)閥門制造廠家與自來水公司交涉，終獲批準(zhǔn)。
　　2.2 原變頻恒壓設(shè)備須更新
　　由于管道連接方法和控制方式不同，本系統(tǒng)的控制比傳統(tǒng)的恒壓供水設(shè)備要復(fù)雜些，所以有些設(shè)備生產(chǎn)廠家欲乘機(jī)開出高價(jià)，有些打算用普通控制方式代替上述設(shè)計(jì)，令建設(shè)單位深感不便。其實(shí)，由于新的系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)變頻恒壓供水優(yōu)越的節(jié)能效果，其市場(chǎng)前景看好，正是有實(shí)力有遠(yuǎn)見的供水設(shè)備制造廠家產(chǎn)品更新?lián)Q代、樹立品牌的好機(jī)會(huì)。通過設(shè)計(jì)者的多番聯(lián)系，目前已有設(shè)備生產(chǎn)廠家看中該項(xiàng)目，大有志在必得之勢(shì)，余下的就要靠建設(shè)單位好好把握了。
　　2.3 增容費(fèi)問題
　　供水工程建設(shè)一般屬于市政工程，如同電力一樣，其增容費(fèi)一直是有爭(zhēng)議的。水作為商品，應(yīng)該不收增容費(fèi)，但這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)尚需時(shí)日。由于自來水公司安裝的計(jì)量水表容量與增容費(fèi)相一致，目前該市增容費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為：8900元/m³，最終落實(shí)安裝的是一只DN80mm水表，額定流量為22m³/h，需增容費(fèi)195800元，這對(duì)開發(fā)公司來講已是一筆不小的開支。但是，自來水公司供水設(shè)計(jì)時(shí)未考慮到該工程未設(shè)屋頂生活水箱，水表容量與66.5m³/h的設(shè)計(jì)秒流量相比實(shí)在相差太遠(yuǎn)，而這66.5m³/h中，尚包括空調(diào)冷卻水的用水量。
　　水表容量大大小于設(shè)計(jì)容量的直接結(jié)果是水表超負(fù)荷工作，影響使用壽命。水表與相應(yīng)管徑的減少，也會(huì)影響水泵入口的壓力。應(yīng)當(dāng)說明的是，水表的壽命與高區(qū)自來水供水管道上直接接二次水泵無關(guān)，因?yàn)樯钏矔r(shí)用水量是由用戶決定的，現(xiàn)有的地下水池是生活和消防共用的，供水管徑和浮球閥均是按消防要求設(shè)計(jì)的，因此，即使是從地下水池抽水，在水位下降后，浮球閥全開，經(jīng)過水表的水量就是用戶的生活瞬時(shí)用水量，與是否在管網(wǎng)上設(shè)二次泵抽水無關(guān)。所以，在本工程條件下，水表的壽命與水泵直接接至管網(wǎng)無關(guān)，僅僅取決于設(shè)計(jì)秒流量與水表的額定容量是否匹配。解決辦法有：
　　a.為空調(diào)冷卻水設(shè)專用冷卻水池，避峰補(bǔ)水。
　　b.屋頂設(shè)生活水箱或分戶水箱，減少供水峰值流量。?
　　c.控制地下水池的補(bǔ)水速度，將地下室生活消防共用水池分設(shè)高低位浮球閥，高位為小流量補(bǔ)水，供生活補(bǔ)水用；低位為大流量補(bǔ)水，適應(yīng)消防和噴淋補(bǔ)水，從而達(dá)到控制地下水池補(bǔ)水速度，利用水池蓄水補(bǔ)充供應(yīng)高峰期生活用水的目的。這樣做時(shí)，主要是為了應(yīng)付水表容量不足的矛盾，供水水質(zhì)不如從管道上直接接水泵的方案。
　　d.更換大口徑水表(增容)。
　　2.4 持壓閥
　　目前市面上持壓閥的流量特性不夠理想，原設(shè)計(jì)是兩位式工作，沒有緩開緩閉的功能，如采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，性能較好，但價(jià)格太高，同時(shí)可靠性和使用壽命不如持壓閥。?

　　3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

　　在對(duì)新舊兩個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成和耗電量計(jì)算時(shí)，電費(fèi)按0.55元/(kW·h)計(jì)。新的方案由于增添了兩臺(tái)值班水泵，降低了主泵的運(yùn)行時(shí)間，故折舊周期為原方案的兩倍。水量按供水定額，折算為279.7 m³/d。耗電量考慮到原供水系統(tǒng)方案在低負(fù)荷時(shí)變頻器損耗，水泵效率降低，保壓運(yùn)行期間的耗電按滿負(fù)荷水泵耗電量乘1.5的系數(shù)計(jì)算。事實(shí)上新方案在部分負(fù)荷時(shí)，由于采用新的水泵配置和控制系統(tǒng)，效率大大提高，但因缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在此仍沿用1.5的系數(shù)。計(jì)算結(jié)果，新系統(tǒng)比舊系統(tǒng)節(jié)省1.16萬元，設(shè)備性能提高，臺(tái)數(shù)增加，壽命延長(zhǎng)，而輸送每m³水的電費(fèi)節(jié)約0.137 5元，為原方案的50%。新系統(tǒng)第一年節(jié)約的設(shè)備投資、電費(fèi)和設(shè)備折舊三項(xiàng)可為開發(fā)公司節(jié)省3.567 4萬元，以后每年節(jié)省電費(fèi)和折舊費(fèi)1.951 4萬元。?

　　4 結(jié)語

　　本工程中，采用變壓變量供水技術(shù)為高層建筑生活供水可以達(dá)到節(jié)省設(shè)備投資、節(jié)省能耗、保證供水水質(zhì)的目的。該新型變頻變壓變量供水系統(tǒng)的普及將給獨(dú)具慧眼的經(jīng)營(yíng)者、廣大用戶和房地產(chǎn)開發(fā)商帶來極大的效益。

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收稿日期：1999-12-20