周鵬晨1，孫秀娟2
（1 南通工學院 建筑工程系，江蘇 南通 226007；2?蕪湖規劃設計院，安徽 蕪湖 241000） 摘要：結合典型高層建筑，通過引入持壓閥，對原有生活供水系統設計進行了分析和節能改造，使室外自來水管網的水壓得到利用，降低了建筑二次供水的能耗達50%，同時減低了設備投資。由于新的供水系統設計比傳統的變頻恒壓供水系統節能效果更佳，因而具有推廣價值。
關鍵詞：建筑供水；節能；持壓閥
中圖分類號：TU821
文獻標識碼：C
文章編號：1000-4602(2000)06-0032-04 蕪湖三泰大廈總建筑面積為58000m2，樓頂標高34.5 m。地下室為自行車庫和設備用房，一至三層為商場，三層上面為層高1.8 m的技術夾層，四至九層為住宅和公寓用房。其生活供水系統是在1996年設計的，由于種種原因，至1999年才進入設備施工階段。該工程原設計供水以4～9層住宅和公寓為主要用水對象，商場每層設兩個衛生間，為簡化供水系統，僅設計了一套供水系統。供水設備選用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)。
現在，由于部分建筑的用途改變等，需要考慮對原設計在滿足用水量和節能上作相應的修改。 1 節能改造措施 1.1 對供水系統重新分區
由于建筑所在地距水廠較近，又距市政供水總管較近，因此室外管網供水壓力較高。據當地自來水公司設計室提供的數據：正常時供水壓力為0.27～0.31MPa，最低≮0.26～2.7MPa，最高供水壓力可達0.31～0.33MPa。因此，從技術角度來看，將地下室和1～3層商場劃為單獨的一個低區供水系統(頂標高14.5m)，采用自來水管壓直接供水，水壓完全可以滿足要求；從用水水質來看，供水不經過地下水池，水質不易受污染；另外還節省了該部分水泵的容量即設備投資費用，又節省了二次供水的電耗，實在是一舉三得的好事。
供水系統劃分為高低兩個區后，高區設計秒流量變為43.1 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，只是需另設專用的供水管道，對造價增加較多，在土建完工后實施的難度較大，故不作考慮。
1.2 加設持壓閥，改進供水系統
自來水進入地下室水池后，自來水供水的管壓完全損失(用戶已為該水壓付過費用)，如以一層商場地坪為基準零點，實際地下水室水池至水泵入口位壓為負值。為了最大限度地利用自來水管壓，將原來使用于化工系統中的持壓閥引入供水系統，在自來水室外管網和地下室生活供水水泵入口之間加設持壓閥進行連接，使該供水水泵所需的揚程由原來的588 kPa柱降為294 kPa，減少了50%。修改設計后的供水系統如圖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，經過計量水表后，一路接至地下室水池，另一路接至持壓閥。持壓閥的作用：當供水管道水壓低于設定值(例如：0.2 MPa)時，關小閥門開啟度，直至將閥門完全關閉。該閥門的設定壓力范圍為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的水通過該連接點倒流至水池，在該接點前至水池的管道之間加設了止回閥。這樣，當自來水室外管網水壓萬一低于正常值(如故障檢修)時，供水水泵將從水池補充吸水；當持壓閥完全關閉時，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后連接到自來水管網上，能夠有效防止水泵抽水引起自來水管網壓力的下降。自來水公司可以將持壓閥設定值調定后，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，水泵所需的揚程減低為原來的1/2，則水泵的裝機功率減低為原來的1/2。上述改進不僅使電能消耗減低了一半，同時設備容量的減低有利于節省設備的初期投資，即購置水泵和變頻器的費用。 
由圖1可見，通往水池控制浮球閥的管道沒有經過持壓閥，這是為了在發生火災時，不至于因持壓閥的限制而影響水池的補水速度。
1.3 加設值班水泵
圖1中的D-1為值班運行水泵，型號：50DLx4(一開一備，Q＝9.0 m3/h，H＝520 kPa，Ne＝4 kW)。在傳統供水設備中，許多設備生產廠家認為采用了變頻器后，不需要設小型值班水泵，直接用大流量泵值班。由于生活供水系統的壓力一般要求恒定，根據水泵的相似率，水泵的流量與轉速成正比，而揚程與轉速的平方成正比，用戶用水量小時，水泵揚程可以降低些，這是由于流量小時管網阻力小的原故，但這部分僅占水泵揚程很小的比例。
由于揚程限制，水泵的轉速不能降低很多，因此，傳統的變頻恒壓供水是依靠變頻和改變水泵工作點來調節流量的，這就妨礙了變頻器節能作用的發揮，對節能不利。因此，用變頻器來調節水泵轉速，目的是減低水泵的總運行功率，在運行時單位水量的耗電未能節省。因此，增設小容量值班水泵對節能和延長大水泵運行壽命是必要的。在本工程中，值班水泵選擇較大的揚程和功率出于下述考慮：
a.有較大的揚程調節范圍，能充分發揮變頻器的節能潛力。因為在本工程中，用水量低時室外管網供水壓力反而增高，室內供水管道阻力小。由于用戶的用水量變化范圍大，水泵的額定揚程必須選得高些，才能在運行中獲得較低的供水流量，不必降低水泵的運行效率。
b.在室外管道檢修時，值班水泵可以從地下室水池抽水，揚程必須滿足。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，供水系統的可靠性有充分的保證。
1.4 改水池進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側，運行中往往在損壞一段時間后才被發覺，給用戶帶來較大的經濟損失。由于控制浮球閥比普通浮球閥壽命長，同時位于水池外側，檢修較為方便。為了幫助用戶加強管理，在地下水池的溢水口上，增加了溢水水位傳感報警器，使用戶在浮球閥萬一失靈時，能夠獲得及時的報警，不至于造成較大損失。 1.5 用空調冷卻水補水泵作備用泵
由于圖1中水泵D-2揚程不足于在用水高峰期從地下池吸水，則在室外管網維修時，系統供水能力不足。現將空調冷卻水補水泵D-1移至D-2旁，型號為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，有一個閘閥相連。這樣設計的目的是在空調冷卻水量和當時的生活用水量均較小時，由生活供水泵補充空調冷卻水，以達到充分節能的目的。從圖1可見，D-3可以看作D-2的備用泵，因此系統的可靠性大大提高。
1.6 改革系統的控制方式
傳統變頻供水設備的控制原理是恒壓變量，即根據供水壓力與設定值的差異，確定用戶用水量的變化情況。如供水壓力大于設定值，則判定為用戶用水量下降；如供水壓力小于設定值，則判定為用戶用水量上升。控制系統據此控制變頻器的頻率，改變水泵的轉速，達到改變流量的目的。恒壓，指水泵供水揚程恒定，因為水泵從地下室水池吸水，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，還多了一個干擾量：室外管網的供水壓力。當室外供水壓力減低，而用戶用水量沒有變化時，如果不作相應的調節，供水水壓將會下降。本工程中，雖然用戶供水壓力設定值可以恒定，但入口壓力變化決定了水泵揚程是變化的，所以稱為變壓變量供水。如果采用供水水壓單變量控制仍可滿足供水量調節的目的，但會加劇水泵工作點的漂移。好在現在大多數變頻供水設備都配了單片機，設供水水壓和管網進水水壓兩個壓力傳感器，改一下控制程序，就能適應這種變化。在本工程中，擬定采集室外管網供水壓力、實際供水壓力和設定供水壓力三個參數，由設定供水壓力和管網進水壓力決定水泵運行轉速的基準，然后依據設定供水壓力與實際供水壓力的差值，在小范圍調節變頻，通過一段延時，如誤差超過規定，則調節運行水泵臺數的組合(如表1所示)。從工況1～5，系統供水量由小至最大，每個工況區中流量變化范圍縮小，結合變頻調節，使流量連續變化，達到既充分利用管網水壓，又能保持水泵的工作點在高效工作區內，并且盡量減少變頻器電能的損耗，達到三重節能的效果。 表1 水泵組合運行工況| 工況 | 氣壓罐 | D-1（1） | D-1（2） | D-2（1） | D-2（2） | 備注 | | 1 | 運行 | | | | | | | 2 | 運行 | 運行（變頻） | | | | | | 3 | 運行 | 運行（變頻） | 運行（變頻） | | | | | 4 | 運行 | | | 運行（變頻） | 與D-21（1）替換運行 | | | 5 | 運行 | 運行（變頻） | | 運行（恒速） | 與D-2（1）替換運行 | 發展預留 | | 注 空格表示該設備不運行。 | 2 實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和自來水廠正常運行，自來水公司主要關心兩個問題：一是管網不能出現負壓，導致管網水質污染，同時水壓也不能過低，影響其他用戶的用水；二是瞬時流量不能過大，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管網水壓的影響。過去，自來水公司是嚴格禁止用戶從管網上直接抽水的，經過設計、建設單位會同有關閥門制造廠家與自來水公司交涉，終獲批準。
2.2 原變頻恒壓設備須更新
由于管道連接方法和控制方式不同，本系統的控制比傳統的恒壓供水設備要復雜些，所以有些設備生產廠家欲乘機開出高價，有些打算用普通控制方式代替上述設計，令建設單位深感不便。其實，由于新的系統具有比傳統變頻恒壓供水優越的節能效果，其市場前景看好，正是有實力有遠見的供水設備制造廠家產品更新換代、樹立品牌的好機會。通過設計者的多番聯系，目前已有設備生產廠家看中該項目，大有志在必得之勢，余下的就要靠建設單位好好把握了。
2.3 增容費問題
供水工程建設一般屬于市政工程，如同電力一樣，其增容費一直是有爭議的。水作為商品，應該不收增容費，但這一目標的實現尚需時日。由于自來水公司安裝的計量水表容量與增容費相一致，目前該市增容費標準為：8900元/m3，最終落實安裝的是一只DN80mm水表，額定流量為22m3/h，需增容費195800元，這對開發公司來講已是一筆不小的開支。但是，自來水公司供水設計時未考慮到該工程未設屋頂生活水箱，水表容量與66.5m3/h的設計秒流量相比實在相差太遠，而這66.5m3/h中，尚包括空調冷卻水的用水量。
水表容量大大小于設計容量的直接結果是水表超負荷工作，影響使用壽命。水表與相應管徑的減少，也會影響水泵入口的壓力。應當說明的是，水表的壽命與高區自來水供水管道上直接接二次水泵無關，因為生活瞬時用水量是由用戶決定的，現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計的，因此，即使是從地下水池抽水，在水位下降后，浮球閥全開，經過水表的水量就是用戶的生活瞬時用水量，與是否在管網上設二次泵抽水無關。所以，在本工程條件下，水表的壽命與水泵直接接至管網無關，僅僅取決于設計秒流量與水表的額定容量是否匹配。解決辦法有：
a.為空調冷卻水設專用冷卻水池，避峰補水。
b.屋頂設生活水箱或分戶水箱，減少供水峰值流量。?
c.控制地下水池的補水速度，將地下室生活消防共用水池分設高低位浮球閥，高位為小流量補水，供生活補水用；低位為大流量補水，適應消防和噴淋補水，從而達到控制地下水池補水速度，利用水池蓄水補充供應高峰期生活用水的目的。這樣做時，主要是為了應付水表容量不足的矛盾，供水水質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，原設計是兩位式工作，沒有緩開緩閉的功能，如采用電動調節閥，性能較好，但價格太高，同時可靠性和使用壽命不如持壓閥。? 3 技術經濟分析 在對新舊兩個系統的設備構成和耗電量計算時，電費按0.55元/(kW·h)計。新的方案由于增添了兩臺值班水泵，降低了主泵的運行時間，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方案在低負荷時變頻器損耗，水泵效率降低，保壓運行期間的耗電按滿負荷水泵耗電量乘1.5的系數計算。事實上新方案在部分負荷時，由于采用新的水泵配置和控制系統，效率大大提高，但因缺少實測數據，在此仍沿用1.5的系數。計算結果，新系統比舊系統節省1.16萬元，設備性能提高，臺數增加，壽命延長，而輸送每m3水的電費節約0.137 5元，為原方案的50%。新系統第一年節約的設備投資、電費和設備折舊三項可為開發公司節省3.567 4萬元，以后每年節省電費和折舊費1.951 4萬元。? 4 結語 本工程中，采用變壓變量供水技術為高層建筑生活供水可以達到節省設備投資、節省能耗、保證供水水質的目的。該新型變頻變壓變量供水系統的普及將給獨具慧眼的經營者、廣大用戶和房地產開發商帶來極大的效益。
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收稿日期：1999-12-20 | 
