二次供水設備節能措施

陳英華

國內大中型水廠泵站的能耗指標，一般可達0.40kw·h/m3MPa左右，通常二次供水泵站 （二供設備）能耗指標是水廠泵站能耗指標的兩倍以上。

兩者能耗差異巨大的主要原因如下：

其中輕載低效運行是二供設備高能耗的最主要原因，是長期未能解決的突出問題，運行工況的復雜性還導致目前各類二供設備產品標準均無能耗指標要求，這與當前節能減排的迫切需求太不相稱。

如何解決中小流量低效運行問題，以往人們主要考慮多泵并聯代替1、2臺大泵，但由于并聯泵臺數多了以后，降低了配泵本身的額定流量，其額定工況效率也會比大泵降低，因此還是難以解決高能耗問題，本文從系統應用考慮，提出一些新的節能技術措施，以供參考。

一、標準二供設備能耗簡要估算

通常二供設備 （標準二供設備）能耗相對值的簡要估算基于下述考慮：

（1）各類二次增壓供水一般為全流量變化型，大流量時間短，小流量時間長，設大、中、小流量供水分別占一天總供水量的1/3。

（2）二供設備配套水泵變工況運行，大、中、小流量工況，配泵效率典型值分別為70%、55%、35%。電機效率分別為87%、86%、79%。

（3）所計算的能耗相對值是指設備實際能耗W2與假想的額定工況能耗 （理想值）W1的比值。W2/W1=（We2/η2） /（We1/η1）， 兩種工況供水量相同時， 有效能耗We1=We2， W2/W1=η1/η2(We1、η1是額定工況的有效能耗與總效率；We2、η2是實際工況的有效能耗與總效率)。標準二供設備能耗相對值估算如下表：

考慮設計流量可能冗余過大或入住率低，再考慮夜間零微流量因素，實際工程中標準二供設備能耗值往往更高。

例：假設由于二次供水設計流量過大或入住率低，導致實際工程中大、中、小變流量供水，分別占總供水量的0、50%、50%。則能耗相對值估算結果為：實際運行總能耗3.49，與假想的額定工況運行總能耗2.0相比，多耗能74.5%。是水廠泵站能耗（約1.46）的2.39倍。

二、節能新技術 （方案1）

1、技術原理

該技術方案原理如圖1所示，設備中配置一個氣壓罐 （看作中間水箱），小流量工況采用兩級增壓供水：先由主泵做前級增壓，其目的是給中間水箱補水并獲得中間壓力；再以中間水箱為水源由輔泵做后級增壓，其目的是滿足設備出口供水壓力及水量需求。

本方案中由于前級增壓的運行工況不受出口小流量限制，可以自動變壓、變流量、沿水泵額定效率線運行 （圖2），因此可以大幅提高前級泵運行效率。

2、能耗相對值估算

仿照前述能耗估算方法，采用方案1的二供設備，僅考慮小流量做兩級增壓，設前級泵增壓70%，后級泵增壓30%，輔泵效率按35%其電機效率按79%考慮，則其能耗相對值估算如下：

小流量供水比重越大，采用本技術的二供設備節能效果越好。若中流量工況也作兩級增壓運行，按上述方法估算比標準二供設備節能30%左右，或者采用特制高效能輔泵也可獲得30%左右節能效果。

實際工程中設計流量可能冗余過大，或入住率低，再考慮夜間零微流量因素，采用本技術方案的二供設備，可能節能效果比估算值更高。

例：假設由于二次供水設計流量過大及入住率低，導致實際工程中大、中、小變流量供水分別占總供水量的0、50%、50%。則能耗相對值估算結果為：實際運行總能耗2.65，與假想的額定工況運行總能耗2.0（理想值）相比，多耗能32.5%。但與標準二供設備能耗3.49相比，可節能31.7%。

3、技術經濟性

本技術方案中的氣壓罐可以作為多功能罐使用，通過控制程序可以很容易實現分時復用、一罐三用：

（1）零流量時：作為二供設備出口氣壓罐，用于停機保壓。

（2）小流量時：作為中間氣壓水箱，用于小流量節能運行。

（3）大流量時：作為疊壓供水補償罐，用于防止過度抽吸。

對間歇型供水流量場合，氣壓罐本來就是設備中不可缺少的，本技術方案擴展了氣壓罐用途，具有良好的技術經濟性。

圖1 節能方案一：1用1備+節能輔泵

圖2 水泵變壓變流量運行示意圖

表1

三、節能新技術 （方案2）

1、技術原理

該技術方案原理如圖3所示，高、低區二供設備的出口串接一臺增壓輔泵，其揚程取高、低區供水壓力之差。串聯輔泵的意義在于把本來獨立的兩個分區關聯起來，這種關聯使得流量合并與分解成為可能。

其節能原理在于：各分區中、小流量供水時，只需啟動一臺低區主泵 （高區主泵不用運行），該泵可稱為公用泵，在滿足低區供水的同時，兼作高區的前級增壓 （高區壓力由輔泵再次增壓滿足），該泵流量擴展為高低兩區流量之和，對各分區而言的中、小流量，對該泵來說已成為大、中流量，因此該泵效率大幅提高。

圖3 方案2原理示意圖

圖4 標準二供設備示意圖

表2

與采用兩臺標準二供設備 （圖4）相比，可以說本技術方案節能原理在于：采用一臺公用的高效泵代替了兩臺獨立低效泵，從而有效避免或減少了二供設備的輕載低效工況，其節能效果是顯而易見的。

2、能耗相對值估算

該技術方案特別適用于豎向多分區的高層建筑供水系統，以豎向兩分區為例，仍按各分區考慮大、中、小流量分段，并假設高低區流量變化同步，仿照前述方法，能耗相對值估算如下：

各分區中、小流量供水量越大，采用本技術的二供設備節能效果越好。考慮實際工程中設計流量可能冗余過大，或考慮入住率低，采用本技術方案的二供設備，可能節能效果比估算值更高。

例：假設由于二次供水設計流量過大及入住率低，導致實際工程中高、低區始終處于中小流量供水工況，大、中、小流量分別占總供水量的0、50%、50%。則能耗相對值估算結果為：實際運行總能耗2.29，比理想設備 （總能耗2.0）多耗能14.5%，但與兩臺標準二供設備總能耗3.49相比，可節能52%。

3、技術經濟性

采用本技術方案的設備具有良好的技術經濟性：

（1）輔泵故障停機時，方案2設備變為高低區兩臺相互獨立的設備，只是不能節能運行了，不影響高低區供水的持續性。

（2）方案2改變了設備配置思路，低區備用泵可兼做高區備用泵，可省去一臺高區主泵，節省了成本、減少了占地面積，并不太影響可靠性。

（3）方案2改變了設備配置思路還體現在氣壓罐配置上，從各分區考慮不宜取消的氣壓罐，從總流量總戶數考慮，實際工程常常可考慮取消氣壓罐，節省成本、減少占地面積。

4、設備配置

本技術方案將高層建筑二次供水系統的總流量與各分區流量關聯起來，因此實際工程中設備配置非常靈活，需統籌考慮高低區流量分配與設備參數配置的有機結合，需考慮最節能與最經濟原則的協調，還需考慮與之相配的運行調度規則及其易實現性。從技術經濟性考慮，應特別注意節能原則、公用泵、備用泵原則，可遵循如下思路：

（1）各分區配泵一般考慮1用1備、2用1備，泵效率較高；且考慮所有主泵流量相同，便于配套維修；還便于任一低區泵兼作兩區公用泵、備用泵，節省一臺高區主泵。常用配套方案如下：

（2）串聯輔泵的流量可做兩種選擇：一是單純考慮節能，可按高區主泵流量的50%左右配泵；二是節能的同時還考慮節省一臺高區主泵，需按高區主泵流量配輔泵。

（3）高、低區主泵流量相同但過大時，或高、低區主泵流量不同且低區主泵流量過大時，可考慮增設較小流量的公用輔泵2（見圖5）；以確保本方案提升中小流量運行效率的節能意義。輔泵2參數的考慮因素仍然是節能原則、公用泵、備用泵原則。

（4）高低區合并總流量80m3/h以上或總戶數大于1000時可以考慮不配氣壓罐，以節省成本。

（5）考慮特小流量節能運行，考慮零微流量停機保壓功能時，可將方案1與方案2節能技術復合應用。

（6）對高、中、低三分區，設備配置考慮更為靈活，仍可遵循上述思路。

5、運行調度

例：對圖5所示的雙出口雙壓力供水設備，用4位數字表示泵的運行：4位數字順序分別代表：低區泵、1#輔泵、2#輔泵、高區泵，數字取1表示運行，0表示停止。設備配置與運行調度規則見表3。

四、小結

本文從系統節能考慮，通過分解或人為制造不同工況時二供設備內部的流量分配關系，巧妙配置并利用人們不常使用的串聯泵，提出了一些新的節能技術措施，除了前述的方案1、方案2，還可以有方案3，就是將前兩方案復合起來，它們在實際應用中各有特點，小結如下：

表3 設備配置與運行調度舉例

圖5 雙出口雙壓力供水設備示意圖

二次供水由于工況復雜，設備規格系列眾多，一直難以建立設備的能效分級標準，現有的各類二供設備產品標準也均無能耗指標要求。而現實情況，從泵、閥、罐、管路、電機、系統配置、運行調度等各方面考慮，有很多節能技術措施可以用于二供設備，如果能早日建立能效分級標準，鼓勵采用推廣各種節能技術，對解決二供設備高能耗問題具有重要意義，對目前大力提倡的節能減排、低碳社會具有重要意義。

本文針對二供設備，一方面提出一些節能措施，另一方面也是希望對建立節能產品標準和試驗方法作些探討，文中對能耗的分析估算粗糙且設置條件可能與實際不符，由此產生的錯誤、不當之處，歡迎批評指正、交流探討。