給水排水 |二次供水節能研究及直飲水供水相關思考
導 讀
中國質量認證中心（china quality certification centre，cqc）于2015年6月推出《二次供水設備節能認證技術規范》（cqc 3153-2015）對二次供水設備進行節能認證，技術規范中規定當采用2泵設備（1用1備），流量大于15 m3/h的供水工況下（實際工程中最常見），設備節能指標應為單位供水能耗≤880 kw·h/（km3·mpa），基于此，對比了在二次供水改造項目中采用變頻供水與新型密閉可伸縮蓄水容器供水（簡稱工頻供水）兩種不同模式下的供水能耗，發現變頻供水單位能耗是3 180 kw·h/（km3·mpa），而工頻供水單位能耗僅為660 kw·h/（km3·mpa），相對節能79.2%。通過對比實測運行數據，發現工頻供水在運行過程中單位供水能耗與用水量的多少并不相關，而采用變頻供水模式單位供水能耗與用水量呈現負相關。采用變頻供水模式下白天與夜間的耗電總量基本相同，均為25 kw·h左右，與用水量無關。對于直飲水供水，循環流量是保證分質供水水質的關鍵因素，循環流量的大小與能耗不相關對直飲水推廣有指導性。
關鍵詞: 二次供水;節能認證; 單位能耗; 管道直飲水系統; 分質供水; 全循環
引用本文：王偉博，石景東，孫文俊. 二次供水節能研究及直飲水供水相關思考［j］. 給水排水，2022，48（4）：86-92.
1 二次供水
1.1 二次供水的方式及發展
在我國相關法律中對二次供水的表達稍有不同但意義相近，《城市供水水質管理規定》中定義：“二次供水是指單位或者個人使用儲存、加壓等設施，將城市公共供水或者自建設施供水經儲存、加壓后再供用戶的形式?！薄抖喂┧こ碳夹g規程》（cjj 140—2010）中定義：“當民用與工業建筑生活飲用水對水壓、水量的要求超過城鎮公共供水或自建設施供水管網能力時，通過儲存、加壓等設施經管道供給用戶或自用的供水方式?！?二次供水的發展經歷了四個發展階段，分別為以水塔供水、樓頂水箱供水為主要特征的傳統二次供水，變頻恒壓供水，無負壓供水，以及本文所采用的密閉可伸縮式蓄水容器二次供水方式，表1列出了上述二次供水方式的特點及優缺點。
表1 二次供水的方式、特點及優缺點
1.2 二次供水單位能耗因素分析
二次供水單位供水能耗指二次供水設備將1 m3生活用水提升100 m所消耗的電能，單位為kw·h/（m3·mpa）?！抖喂┧O備節能認證技術規范》(cqc 3153-2015)中規定的單位供水能耗值見表2。
表2 《二次供水設備節能認證技術規范》中單位供水能耗值
1.2.1 二次供水理論單位供水能耗計算
理論單位供水能耗即為不考慮其他因素，僅考慮克服水的重力所需做的功，如式（1）所示:
式中 w——克服重力所做的總功，j；
g——所提升水的重力，n；
h——將水所提升的高度，m。
將g=9 800 n，h=100 m，代入公式（1）計算得，w=9.8×105 j=0.272 kw·h，則理論單位供水能耗為0.272 kw·h/（m3·mpa）。
理論能耗是節能認證能耗的30.9%。
1.2.2 二次供水單位能耗推算
水泵效率按60%（η泵=0.6），電機.html'>電機效率95%（η電機=0.95），推算二次供水能耗=理論能耗/η泵/η電機=0.272/0.6/0.95=0.477［kw·h/(m3·mpa)］。
推算能耗是節能認證能耗的54.3%。
1.2.3 不同供水模式單位供水能耗影響因素
（1）變頻（包括無負壓）供水的能耗因素。變頻供水能耗因素=水泵損失+電機損失+系統水頭損失+維持水壓連續克服重力做功。
（2）工頻供水的能耗因素。工頻供水能耗因素=水泵損失+電機損失+系統水頭損失。
（3）供水方式誘導的水量因素。之所以分析供水方式誘導的水量因素，是因為采用不同供水模式下的供水量不同，即不同模式下的流量不同，所產生的水頭損失存在差異，而這將影響水泵選型，從而影響系統能耗的分析。對于變頻供水模式而言，水泵流量按設計秒流量計算，而工頻模式下水泵流量則按最大時用水量計算。與水量直接關聯的是水泵電機功率。在此所說的二次供水能耗，對于克服重力做功而言，一次性提升只與所采用的設備效率有關，典型應用是屋頂有調節儲存水量，水泵流量按最大時用水量計算，水泵采用工頻控制；而連續克服重力做功就與工作時間呈正相關，典型應用是屋頂取消儲存水箱，水泵流量按設計秒流量計算，水泵采用變頻控制。
供水方式涉及到的水量計算以及兩種不同計算方式之間的關系及影響。
最大時供水水量計算如式（2）、式（3）所示：
式中 q最大——最大時用水量，m3/h；
q平均——平均時用水量，m3/h；
k時——時變化系數。
式中 q0——用水量標準，l/(人·d)；
t——用水時數,d；
n——用水總人數。
設計秒流量供水水量計算，計算該管段的設計秒流量如式（4）所示：
式中 qg——計算管段的設計秒流量，l/s;
ng——計算管段的衛生器具給水當量總數；
α——根據建筑物用途而定的系數。
最大時供水與設計秒流量之間的關系如式（5）所示：
式中 qg——計算管段的設計秒流量（m3/h）;
q最大——最大時生活用水量（m3/h）；
ω——2~6倍（經驗數據）。
影響關聯性，當揚程一定時（100 m），水泵流量增加，電機功率隨之增加，但并不線性增加，如圖1所示。
圖1 水泵電機功率隨水泵流量的變化
2 直飲水供水與二次供水的關系
管道直飲水或高品質飲用水即為分質二次供水?！豆艿乐憋嬎到y技術規程》（cjj 110-2006）中規定管道直飲水系統設計應設循環管道，供回水管網應設計為同程式。目前管道直飲水的系統運行，確保管網運行安全是前提，其中采用全循環是技術方式，全循環的時間及能耗是直飲水系統重要的評價指標。
3 實驗方案
3.1 實驗項目背景概述
位于鄭州市的某高校綜合實驗樓，建筑面積30 000 m2，中國建筑西北設計研究院2001年5月設計，2004年8月竣工并投入使用。供水方式為：1-6層為室外給水管網直接供給，7-11層為屋頂水箱減壓供水，12-16層為屋頂水箱直接供水；裙樓設試驗用水儲備水箱，屋頂設30 m3組合式不銹鋼板水箱1座（屋頂水箱同時為試驗用水備用水源），生活消防合用，屋頂水箱底標高68.4 m；地下1層設20 m3組合式不銹鋼板水箱1座，地下1層水箱底標高-4.3 m。在原有供水系統基礎上將該樓供水系統改造成直飲水供水系統，設置循環管路與凈化裝置，直飲水系統供水采用新型密閉式可伸縮蓄水容器供水即工頻供水與變頻供水兩種模式。
3.2 實驗設備參數及選型依據
對原有供水系統進行技術改造，改造內容如下：
（1）《鄭州市城市供水管理條例》規定：“按照國家有關規定設置管網測壓點，保證供水管網壓力達到國家規定的標準。禁止在城市公共供水管道上直接裝泵抽水?！编嵵菔心壳捌毡椴捎玫氖撬鋬Υ?，水箱后變頻供水。繼續使用地下1層的20 m3組合式不銹鋼板水箱1座（水箱底標高-4.3m）。
（2）更換原有水泵機組，原有水泵及其相關設備型號見表3。
表3 改造前泵箱聯合供水設備型號及參數
（3）在工頻供水模式下，由屋頂蓄水裝置的液位信號控制水泵的啟停，當蓄水裝置液位下降到設置值時水泵啟動對裝置進行補水，達到水位設置上限時水泵關閉停止補水；在采用變頻供水的模式下，通過水泵出口管道上設置的電接壓力表與工控系統調節水泵電機轉速保證恒壓供水。兩種供水模式共用一套工控系統，并設置手動切換開關。兩種供水模式下的最不利用水點水量與水壓符合《建筑給水排水設計標準》（gb 50015-2019）相關要求，并保證兩種供水模式下各樓層水量水壓基本相同。
（4）在水泵吸水管設計量水表，控制柜里設共用電表對用水量與用電量進行統計。
（5）將生活與消防用水分開，將原有屋頂水箱作為消防專用水箱，生活用水采用兩個新型密閉可伸縮蓄水容器，該裝置的容積計算參考《建筑給水排水設計標準》（gb 50015-2019）對水箱容積的規定，并結合以往工程經驗與現場實際改造空間，最終按照最大時用水量的20%~30%來確定，每個蓄水容器的容積為3 m3，共計6 m3。
（6）屋頂水箱間供水管道改造，屋頂水箱間供水設蓄水容器跨越管，即地下水泵變頻供水時可以不通過屋頂蓄水裝置，直接供給用戶水龍頭；工頻供水時則通過密閉儲水單體重力供水至用戶水龍頭。
（7）水泵選型依據：①計算設計秒流量［按式(4）］和最大時用水量［按式（2）］；②監測記錄原有水泵啟動次數和水泵啟動后的運行時間，分析水泵的供水流量和實際用水量之間的關系校核計算數據；③變頻控制時2臺水泵互為備用或同時運行。
改造后設備型號見表4。
表4改造后設備型號及參數
改造前后供水原理見圖2。
圖2 改造前后供水原理
3.3 實驗設計
保證變頻供水與工頻供水模式下起點壓力相同，即都設計疊壓或都設計從水池抽水；選用同型號同參數水泵；采用同一條供水管路。通過工控柜對變頻供水方式和工頻供水兩種模式進行切換，設置水表、電表分別計量用水量與耗電量。采用變頻供水模式設定運行壓力為0.87 mpa，工頻供水模式運行壓力為0.96 mpa；在3月22日與3月23日分別為變頻與工頻供水模式下的試運行；3月24日—30日采用變頻供水模式，3月31日—4月12日采用工頻供水模式。
4 實驗結果與討論
4.1 兩種供水模式
白天與夜間單位供水能耗對比圖3、圖4分別為變頻、工頻兩種供水模式下白天與夜間的單位供水能耗。
圖3 采用變頻與工頻兩種不同模式下白天單位供水能耗
圖4 采用變頻與工頻兩種不同模式下夜間單位供水能耗
從圖3和圖4可看出，變頻供水能耗白天與夜間單位供水能耗都高于工頻供水；采用變頻供水模式白天與夜間單位供水能耗波動較大；采用工頻供水模式白天與夜間單位供水能耗波動較小。
4.2 兩種供水模式單位供水能耗與用水量的關系
圖5與圖6記錄了兩種供水模式下單位供水能耗與用水量之間的關系。
圖5采用工頻供水模式下單位供水能耗與其用水量
圖6采用變頻供水模式下單位供水能耗與其用水量
從圖5和圖6可看出，采用工頻供水模式下，白天、夜間單位供水能耗與白天、夜間用水量變化并不相關，包括在4月3日與4月10日夜間用水量分別達到35 m3、55 m3左右的異常情況；而變頻供水白天、夜間單位供水能耗與白天、夜間用水量呈負相關，當用水量較小時單位供水能耗會顯著上升，在白天與夜間用水量差別不大時，其單位供水能耗也并無顯著差別。分析其主要原因，是因為在變頻供水模式下，無論用水量多少，水泵電機需要一直運行來維持系統所需要的水壓，當在白天用水量較大時，單位供水能耗則可以有效減少，而在夜間用水量較少時，則單位供水能耗即會顯著上升。而采用工頻供水模式下，由于采用新型密閉儲水容器，具有水量調節功能，水泵電機只在水位至設計啟停位置時工作，所以供水單位能耗基本維持在一個相對較低的水平。
4.3 兩種供水模式平均單位供水能耗對比
3月22日至4月12日運行的基礎數據見表5。
表5 運行基礎數據
對兩種供水模式運行期間內在白天、夜間及全天運行的平均單位供水能耗如圖7所示。在采用變頻供水模式下，白天與夜間平均單位供水能耗分別為2.95、4.36 kw·h/（m3·mpa），而采用工頻供水模式平均單位供水能耗分別僅為0.67、0.64 kw·h/（m3·mpa），工頻供水模式相對變頻在白天與夜間分別節能77.29%、85.32%，并且在采用變頻供水的模式下，變頻供水白天與夜間的平均單位供水能耗相差較大，但在工頻供水模式下白天與夜間的平均單位供水能耗相差很小且維持在較低水平。采用工頻供水全天運行平均單位能耗較變頻供水相對節能79.2%。
圖7 采用變頻供水與工頻供水兩種不同模式下白天、夜間、全天平均單位供水能耗對比
圖8 采用變頻供水模式白天、夜間用電量及用水量的關系
4.4 變頻供水模式白天夜間耗電量與用水量的關系
圖8反映了變頻供水模式下白天、夜間耗電量及用水量之間的關系，發現在采用變頻供水模式下，白天與夜間的耗電量基本相等，約為25 kw·h左右，耗電量與用水量之間并不線性相關。這也說明了變頻供水模式下單位供水能耗與與用水量呈負相關的原因。
4.5 設備選型對數據分析結果的影響
（1）由于變頻供水與工頻供水模式共用一套機組設備，所以水泵的選型參數需要兼顧兩種供水模式，即水泵選型技術參數需介于最大時供水量與設計秒流量之間。本實驗中，工頻模式2臺泵1用1備，按常規工程設計計算；變頻運行為2臺泵，沒有備用泵，以設計秒流量選泵。在工頻模式下，水泵能耗只跟實際做功相關，即同時間與功率的乘積相關；對變頻水泵來說，工程經驗計算按設計秒流量選型的水泵流量是按最大時選泵水泵流量的2~6倍，本研究中因采用一套水泵機組，所以在選型方面需要以滿足變頻供水為主，即所選水泵功率對于工頻供水模式偏大，所以節能數據相對保守。
（2）變頻水泵的揚程設定小于工頻運行的揚程，對于工頻水泵來說，水泵揚程隨型號確定而確定，揚程是垂直高度與系統水頭損失之和，水泵運行會處在高效區（水泵特性曲線）；對于設計秒流量水泵來說，實際控制壓力小于工頻揚程，變頻控制器.html'>控制器會調整水泵頻率時刻處在水泵高效區（水泵特性曲線）運行，能耗會相對減少，這也將導致工頻相較于變頻節能數據相對保守。
5 結論
（1）變頻供水夜間供水水泵頻率不降低的原因是需要維持系統水壓克服重力做功，重力勢能決定頻率值，而不是用水量。即變頻供水節能的重要前提是克服提升水的重力做功的多少，市政二級泵站使用變頻供水技術節能；二次供水泵站使用變頻供水能耗較大。
（2）在屋頂設置調節水量是節能的關鍵，同時供水泵采用工頻模式；另一個關鍵因素是密閉可伸縮蓄水裝置的密閉正壓，相當于放大式管道供水，也稱駝峰供水，這是可在屋頂設置調節水量的前提。工頻水泵在一天24 h內累計運行時間僅約3~4 h，通過工頻與變頻供水模式水泵機組的運行時間比也可從另一個角度解釋相對節能數據。
（3）理論計算單位供水能耗與規范認證的能耗之間還有70%的空間，工頻供水能耗與變頻供水能耗差值大，二次供水仍具有較大的節能潛力。
（4）對于目前高品質水市場大力發展的形勢，尤其是高品質水的供水量較小，設計用水量約是生活用水量的1%，實際直飲水用水量約是生活用水量的2%，這也是直飲水單位能耗比生活二次供水單位能耗相對較大的原因所在，但直飲水供水水質更為重要，循環與循環流量是保證水質的關鍵，全循環能耗與流量無關，只與系統本身有關，這為直飲水的安全運行提供保證。
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