無負壓供水系統在高層建筑中的節能應用

陳風華 林京 蔡澤

【摘要】為貫徹執行資源節約和環境保護的國家發展戰略政策，引導綠色建筑健康發展 ，本文以浙江影視后期制作中心綜合大樓為背景，通過幾種供水系統優缺點進行對比，透過無負壓變頻供水系統的組成、供水原理、適用范圍、系統優點及無負壓技術和變頻技術等分析無負壓供水設備在高層建筑中所帶來的經濟效益以及社會效益。在解決傳統二次供水系統存在水資源浪費、能耗浪費、水質二次污染等問題。

【關鍵詞】無負壓供水系統、高層建筑、節能

一、緒論

1.1 引言

水是人類生命之源。隨著我國城市化進程的加速，城市規模的膨脹，居民小區不斷增加，高樓大廈鱗次櫛比，致使本來不堪重負的自來水管網更顯不足；很多城市在用水的高峰期樓房高層屢屢出現缺水的現象。

近年來，隨著經濟的快速增長，城市化建設的不斷加快，人口的不斷增加，土地需求日益緊張，高層建筑層出不窮。為滿足建筑內部用水點對水量、水壓和水質的要求，必須對自來水進行二次加壓，因此，選擇一種既能節水節能，又能保障供水安全的供水方式，這對降低建筑耗能、提高供水安全可靠性具有重要意義[1]。

1.2課題研究背景與意義

現代通常的供水方式都是將自來水放在蓄水池，然后由水泵將水從蓄水池抽到屋頂的高位水箱，再由高位水箱向用戶供水。這種供水方式存在嚴重的資源浪費問題：第一、將原本具有壓力能的水放到水箱變成無壓力和勢能的水，使得二次供水時需要更多的能量；第二、由于水量隨著時間變化，大多數水泵并未工作在高效區，低效率的運轉使得水泵浪費大量的能量；另外，二次供水還存在著大量的污染問題。

傳統的供水方式離不開蓄水池，蓄水池中的水一般自來水管供給，這樣有壓力的水進入水池后變成零，造成大量的能源浪費。

隨著二次供水加壓技術的發展，無負壓供水設備從根本上解決了這些問題。據“供水設備推廣中心”的資料顯示，無負壓供水設備不需建造水塔，投資小、占地少，采用水氣自動調節、自動運轉、節能與自來水自動并網，停電后仍可供水，調試后數年不需看管。比建造水塔節約投資70%，比建造高位水箱節約投資60%，大大節約土建投資。

無負壓供水系統主要應用于住宅區及農村的生產、生活、辦公用水。供水戶在20-2000戶，日供水量在20-50000m?，供水高度達150米，即50層樓房。無負壓供水設備即無負壓管網增壓設備。該設備全封閉描繪，可直接與自來水管網銜接，經過主動補氣設備和流量調理器維護自來水管網不構成負壓，包管了自來水管網穩壓（無負壓）、安全、清潔的向用戶供水，避免了建筑混凝土蓄水池或設水箱的費事。無負壓供水設備充分利用了自來水管網的原有壓力，在原有壓力的基礎上完成壓力疊加，完成差多少，補多少，使二次加壓設備的選型減小，節約出資，一起在運用過程中也可大大節能，是當前最領先最新型的二次供水方法。

1.3 課題研究內容

本文首先對傳統供水系統進行了分析，并對幾種供水系統優缺點進行對比，得出傳統供水系統存在水資源浪費、能耗浪費、水質二次污染等問題，而無負壓供水系統解決了這些問題。然后對無負壓供水系統的組成、供水原理并結合實際工程中的應用進行了分析。

目前，無負壓供水系統作為最先進的供水系統，具有節能、節水、節地等方面的顯著優勢，在更多的地方發揮著越來越多的作用。本文中，無負壓供水系統在浙江影視后期制作綜合大樓工程的應用，分析出了此系統在實際中節能節資。

二、無負壓供水系統的工作原理

2.1供水系統的發展階段

二次供水的發展先后經歷了四個階段，分別為采用“儲水池+水泵+高位水箱”的方法、“儲水池+水泵+壓力罐”的方法、“儲水池+恒壓無負壓供水系統”的方法、管網疊壓供水時代。目前國內二次供水主要前三種形式，經過多年的運行使用，其存在的問題讓人擔憂。

第一階段是采用“儲水池+水泵+高位水箱”的方法，市政來水進入儲水池，然后由水泵加壓后送至高位水箱，由高位水箱向用戶供水，蓄水池起到高峰用水時調節作用。這種供水方式雖然可以節省一定的的造價成本，但是水箱會占用一定的建筑空間，并且水箱會造成二次污染，要定期清洗和消毒。水由水泵打到高位水箱，再由水箱向下供水，對底層壓力過大，可能要加減壓閥，造成能量的浪費。

第二階段是采用“儲水池+水泵+壓力罐”的方法，市政來水進入儲水池，然后由水泵加壓后送至壓力罐，由壓力罐向用戶供水，蓄水池起到高峰用水時調節作用；這種供水方式取消了高位水箱，消除了高位水箱二次污染的弊病，也節約了很多的能源，但是還需要增加一些調頻設備，這樣會增加工程的機電投資。

第三階段采用“儲水池+恒壓無負壓供水系統”的方法，設定了系統的供水壓力后，在系統的控制下，水泵的轉速和投入運行的水泵數量隨供水量的變化而改變，輸出壓力的恒定，一定程度上節省了電耗。這種供水方式的優點就是有蓄水池，當市政管網因檢修停止供水時，其仍能保持一定供水能力，使供水在時間上保持著穩定性，但是因為水池的存在，還是會存在二次污染的問題，并且占用了很大的建筑空間。

第四階段管網疊壓供水時代，設備直接連接在市政來水管網上，不需要修儲水池，充分利用了市政來水管網的壓力，設備具有高效節能、環保無二次污染、自動化程度高、易維修等特性，逐步成為現代建筑的理性的供水方式。

2.2 無負壓供水系統的分析

目前，城鎮供水的泵站和小區供水泵站，按出口工況不同水泵運行方式分為三種：恒速運轉、變頻調速出口恒壓運行、變壓變流調速。圖2.1為壓力-流量曲線，如下：

圖2.1 壓力-流量曲線

第一種為恒速運行，當管網中流量Qs將為Qa時，根據水泵恒速運行特性曲線則此時水泵的供水壓力降為設計壓力Hs升高至Hs，理論上水泵此時需要消耗的功率為Qa*Hs，但是此時管網所需要消耗的功率為Qa*Hs。實際上Qa*Hs-Qa*Ha多余的能量由于管網壓力升高無效地消耗于管網之中。

第二種為變頻調速出口恒壓運行，當管網中流量從設計流量Qs降到Qa時，由于水泵變頻調速從n變成n2，使水泵的壓力仍然維持在Hs，理論上水泵此時消耗的功率為Hs*Qa，此時能耗有所減少，但是仍大于管網所需要的功率Ha*Qa，仍然有無效功率消耗于管網中。

第三種為變壓變流運行，當管網中的流量從設計流量Qs降為Qa時，由于水泵變頻調速從n變成n2，并使水泵的供水壓力剛好等于Ha。這種模式消耗的功率Ha*Qa，所以這種方式最節能。

2.2.1 無負壓供水設備應用范圍

1、新建的住宅小區、別墅、寫字樓、綜合樓生活供水；

2、高層建筑、消防用水、高級賓館、飯店等的生活供水；

3、各種礦企業的生產、生活用水、管網穩壓；

4、氣壓給水、地面水池加壓等傳統供水系統改造；

5、自來水壓力不能滿足要求的生活、消防加壓供水等；

6、各種類型的循環水、冷卻水供應系統；

各種鍋爐冷水供水系統、鍋爐熱水。

2.2.2無負壓供水設備的種類

1、罐式無負壓供水設備

此供水設備可直接與供水管網連接，不產生負壓，且能夠穩定流量和調節壓力的設備，主要由穩壓補償罐、真空抑制器、增壓水泵基礎、變頻控制柜、壓力傳感器等組成。

2、密封式供水設備

此供水設備將電機、水泵等設備完全密封在不銹鋼容器內，杜絕設備的二次污染，占地少，安裝靈活，施工周期短，但無儲備水量，城市公共供水管網停水時會出現斷水現象。

3、箱式無負壓供水設備

此供水設備可直接與供水管網連接，確保供水管網不產生負壓，在高峰時將

密閉水箱 的水增壓可補償供水管網供水量的不足，滿足用戶用水需要。主要由密閉水箱、主泵機組、變頻控制柜、增壓裝置、引水裝置、穩流罐、無負壓流量控制器、保壓裝置及壓力傳感器等組成。

本工程選用罐式無負壓供水設備。

2.3 無負壓供水系統的工作原理

2.3.1 無負壓技術

無負壓供水設備采用微機控制變頻調速，負壓處理技術實現無負壓供水。無負壓供水系統主要由變頻調速水泵、穩流補償器、真空抑制器、壓力和流量傳感器、預壓自平衡器、控制柜、過濾器、倒流防止器等設備組成。通過微機監測管網壓力，用負壓反饋來調節變頻器的頻率。首先根據實際情況，設定用水點的壓力，檢測出水管實際壓力并與設定壓力進行比較，如果實際壓力低于設定壓力，則升高變頻器頻率，反之降低變頻器頻率，使管網壓力始終保持在設定值之上。

當自來水水壓不足導致壓力下降時，該設備通過真空抑制器及穩流補償器中的檢測裝置采集穩流補償器中的真空度及水位信號，實時反饋，通過微機控制真空抑制器及穩流補償器中的特殊裝置動作，抑制負壓產生，保證該設備不對室外管網產生影響。其原理如圖2.2所示。

設定壓力 微機 變頻器 水泵電機 管網 用戶

反饋電壓

反饋控制 負壓反饋 負壓檢測

圖2.2 控制原理圖

控制系統實物原理圖如圖2.3所示。

圖2.3 控制系統實物原理圖

2.3.2 變頻調速供水技術

變頻調速供水設備是在利用壓力或流量傳感器反饋恒定的情況下，由變頻器控制電機不斷改變水泵轉速，從而不斷改變水泵的流量來適應用戶用水量的需求的裝置。變頻調速控制裝置由傳感器、計算機控制器和執行器三個主要功能塊組成。

用戶用水多少是經常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發生。而用水的供水的平衡問題集中反映在供水的壓力上。變頻供水方式通過改變水泵葉輪的轉速來保持水壓力的恒定，可使用水和供水之間保持平衡，從而提高了供水的質量和穩定。

2.4無負壓供水優點

2.4.1無負壓供水系統設備的優點：

1、經濟效益顯著：運行該設備，可不締造水塔、不設樓頂水箱，既減短工程的施工周期，又解決了工程造價費用高的缺點，還克服了氣壓不穩定，水泵啟動緩慢等不足之處。

2、供水壓力穩定：該設備選用水泵變頻恒壓操控，無論體系用水量怎么改動，均能使管道出口堅持安穩。

3、作業牢靠：該設備選用變頻調速器和國內優質水泵，具有完善的保護功用和主動、手動改換功能，使作業非常牢靠。

4、高效節能：該設備能根據用戶用水量的改動來調度水泵轉速，使水泵一向作業在高效區，比恒速水泵可節電35%。

5、操作簡略：操作人員只需改換電控柜開關，就能夠完結用戶所需工況，完結全主動無人值守。

6、保護功能徹底：具有完美的過載、短路、過壓、欠壓、缺相、過流、短路、水源缺水等主動保護功用。

7、占地少、設備便當。

8、延伸水泵及電機的運行壽數。

9、主動化程度高、智能化作業。

10、操作合理：選用多臺泵循環軟發動操作方法，削減直接發動對電網的沖擊和攪擾。

11、清潔節能：替代傳統屋頂水箱供水方法，消除二次污染。經過變頻操作改動電機轉速到達用戶管網壓力穩定，節能功率高達60%。

12、長途監控（備選功能）：在充分研討國內外商品、用戶需要的基礎上，聯系專業技術人員多年的主動化經歷而描繪的供水智能化操作體系，對體系水量、水壓、液位等進行長途在線監控、監測，經過強大的組織軟件能夠直接監督和記載體系的作業狀況，反應實時信息。并能夠經過互聯網進行異地操作、監控、毛病剖析和信息共享。

2.4.2 智能變頻供水設備的優點

1、保護功能齊全：具有完美的過載、短路、欠壓、缺相、缺相、過流、水源缺水等自我保護；

2、環保衛生：設備全封閉運行，徹底消除水源二次污染；

3、高效節能，運行成本低：該設備能根據用戶用水量的改動來調度水泵運轉，使水泵一向作業在高效區，比恒速水泵可節電35%；

4、節省投資：節省投資50%左右，變頻供水設備無需修建蓄水池或屋頂水箱，減少設備初期投資；

5、智能化程度高，操作簡單，節省人力：變頻供水設備由全自動智能化控制器控制，自行根據用戶的用水量和管網的自來水壓力進行調節，實行無人值守。并且采用人機界面（文本、數字）顯示，使顧客更加直觀的看到設備的運行狀態。

6、設備使用壽命高：決定供水設備使用壽命的因數主要體現在其核心部件的使用壽命和焊縫的抗腐蝕壽命及控制系統的穩定性上，而供水設備的核心部件有水泵、管件、罐體、閥門及控制系統，智能化供水設備選用都是世界知名品牌的高性能水泵，根據水泵技術性能和材質本身的運行壽命就能達到20年以上，水泵在設備上使用時由于智能化控制和變頻技術的控制下，水泵不但能交替運行，還能軟啟低頻運行，使泵的使用壽命能提高50%以上，從而達到30年以上。

三、無負壓供水系統在高層建筑中的實際應用

通過既有工程的實際應用，將傳統供水系統及無負壓供水系統相比較，進行原理、效益等方面的分析比對。

3.1 工程概況

項目簡介：浙江影視制作中心及影視文化綜合服務大樓，此工程包括A、B兩棟樓，給水分七個區，根據原設計要求低區總流量為144m3/h；中-1區總流量為100m3/h；中-2區總流量為100m3/h；中-3區總流量為100m3/h；高-1區總流量為45m3/h；高-2區總流量為45m3/h；別墅生活區總流量為40m3/h。

以本工程為背景，本著改善現存給水現狀，節省資源力求節能經濟環保，設備占地面積小，運行費用低，便于維護管理，技術先進合理，運行安全可靠等原則，結合設計與業主的要求，并根據現場的實際情況，獲得了市政集團的批準，本工程的A樓低區2～5層、A樓中-1區5～13層、B樓中-2區4～12層和使用罐式無負壓供水設備；考慮到如果在高區也使用無負壓供水設備，由于高區的樓層比較高，將會增加該設備的楊程，由此對設備的要求將會增加，與此同時整個管網系統的壓力不可避免的也會增加，故會增加系統對管道承壓能力的要求，還會增加許多不必要的成本。，由此分析得到B樓中-3區13～21層、A樓高-1區15～22層、A樓高-2區23～29層任然使用傳統的“儲水池+水泵+壓力罐”給水設備系統。

3.2水泵揚程計算

按照《建筑給水排水排水設計規范》的規定，水泵直接供水

時所需揚程進行計算，（以滿足最不利用水點要求時水泵所需揚程為計算依據）：

Hb≥1.2Hy+Hc+Ho （3-1）

Hb--水泵滿足最不利點所需水壓；

Hy--最不利配水點與引入管的標高差；

Hc--最不利配水點所需流出水頭，10m；

Ho--市政最小服務水壓；

注：該項目采用變頻加壓供水，故Ho的值為0；

1.2--給水管網在最不利點流量分配情況下，克服水泵出口至最不利點用水間的水頭損失而考慮的系數；

通過上述計算：用水高峰時水泵滿足最不利點所需的水壓：

揚程：低區 H=1.2*（23.3+10.5）+10=50m

中-1區 H=1.2*（57.1+10.5）+10=91m

中-2區 H=1.2*（49.8+10.5）+10=82m

中-3區 H=1.2*（81.3+10.5）+10=120m

高-1區 H=1.2*（90.7-57.1）+10=50m

高-2區 H=1.2*（116.2-57.1）+10=80m

別墅生活區 H=1.2*（57.1+10.5）+10=91m

3.3無負壓供水設備節能原理

無負壓供水設備通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達到調節交流電動機轉速的目的。根據流體力學的基本定律可知：水泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速N與流量Q、壓力（揚程）H以及軸功率P具有如下關系：

--Q1/Q2=N1/N2； （1）

--H1/H2=（N1/N2）2； （2）

--P1/P2=（ N1/N2）3 ；（3）

-- Q1、H1、P1-----水泵在N1轉速時的流量、壓力（或揚程）、軸功率；

--Q2、 H2、 P2------水泵在N2轉速時的相似工礦條件下的流量、壓力（或揚程）、軸功率。

--.將供電頻率由50HZ降為45HZ，

--則P45/P50=（45/50）3= 0.729，即P45=0.729 P50；

將供電頻率由50HZ降為40HZ，則P40/P50=（40/50）3= 0.512，即P40=0.512 P50。

無負壓供水設備水泵一般是按供水系統在設計時的最大工況需求來考慮的，而用水系統在實際使用中有很多時間不一定能達到用水的最大量，一般用閥門調節增大系統的阻力來節流，造成電機用電損失，而采用變頻器可使系統工作狀態平緩穩定，通過改變轉速來調節用水供應，并可通過降低轉速節能收回投資。

3.4設備節能節資分析

3.4.1 水泵的節能分析

所選水泵都是采用了當今世界上最先進的水利設計，結構緊湊裝配集裝免維護機械軸封，主要部件全是采用激光全焊接技術，強度大，抗腐蝕性強，使用了德國進口“雙重鎖定”驅動角接觸軸承和采用碳化鎢材料的集裝式軸承，耐磨耐用，提高了水泵的效率和使用壽命，節能效果顯著，效率比常規泵高至少30%以上。

3.4.2 變頻技術的節能

因與自來水管網直接串接，可以充分利用自來水管網的壓力，采用供水專用變頻器，采用循環軟起技術，多點U/F曲線技術，超越模式技術，大大降低了對電能的耗損。變頻調速使水泵在微機變頻控制下，根據供水的壓力來智能化調節水泵的運行頻率，從而起到智能化調節水泵的運行頻率，從而起到智能化調整水泵運載負荷的作用，與其他供水設備相比，節能可達30%-60%以上。

3.4.3 控制系統的節能

控制系統采用自主研發的多模塊互聯檢測智能多點控制系統，避免了一點出現故障整機停機的弊端，尤其是主要的控制部件，除了都能獨立控制系統運行外，他們之間也有聯系，互相檢測運行狀態，減少失誤率，并且一個控制器故障時，另一個無間隙控制，不影響設備的運行，還采用了多點檢測控制技術，采集信號范圍廣，精確率高，解決了單點采集的弊端，提高了設備控制精度。同時利用了信息技術、網絡技術、智能控制技術、新型傳感技術、集成檢測技術及納米技術，使該設備完全模擬人腦智能技術對設備進行全自動控制，優化的控制方案，使水泵交替運行，不但提高了泵的使用壽命還能始終讓泵保持在高效區運轉，降低耗電達20%以上，控制系統的綜合調節，使水泵、變頻器等主要部件減少了無效運行的時間高達35%以上。

3.4.4 水資源的節約

設備為全封閉結構，徹底杜絕了傳統供水方式的跑、冒、滴、漏現象，同時也節省了定期清洗用水，通過對8個地區105家用戶進行統計比較，節水可達33%以上。

設備為全封閉系統，取消了傳統供水方式二次污染的主要環節，保證了水質穩定性，并且所有與水接觸的部件全部采用食品級304不銹鋼材質，保證了不會產生新的污染。

3.4.5 小流量的節能

小流量保壓及微量用水調節技術，在設備上配置了小流量保壓系統，在用水量低于高峰用水量70%時自動啟動小流量保壓供水系統，進入小流量保壓供水狀態，大流量供水系統停止運行，從而達到節能目的，據長期的科學測試，節能達20%以上。

3.4.6 運行設備及投資費用的節約

設備可以直接串接到市政自來水管網上進行二次加壓供水，不需要建水池水塔，省掉了水池水塔的修建費用，少則幾萬，多則十幾萬。同時，因沒有二次污染，可以省掉水處理設備，同時每年省去了至少四次清洗水池，進一步節省了投資。設備全自動運行，不需專人值守，節省人力物力；還省去了平時水池定期清洗、消毒的費用；設備的自動化程度較高，還有遠程監控能力，無需人員值班，節省了不少的管理費用。

3.5 節能體現

3.5.1運行費用的比較

1.設備節能方面，規定設備運行時間為一年，下面先對低區進行分析，由設計計算得到低區的設計流量和水泵的楊程分別為Qg=144 m3/h；H=1.2*（23.3+10.5）+10=50m。市政管網的供水壓力為H=30m。當我們使用常規的水池型供水設備時，市政管網的壓力進入水池之后，其壓力勢能由原來的10m變為0m，而低區的供水所需要的壓力勢能為50m，所以當我們把由從水池中勢能為0m水打到50m，變為直接把市政管網中勢能為10m的水打到50m時，顯而易見，我們將節省30m的壓力勢能，也就是將節省60%的能量。而且在相同的流量的情況下，水泵的楊程將變小，根據水泵的特性曲線和管網的特性曲線，水泵更容易工作在高效段，所以所需要的能量也將大大的減少，這樣一來，我們達到了節能減排的的目標，也提高了經濟效益。

這樣一來，低區在設備方面的節能約為：

11KW×2臺×365天×24小時×60%×0.6元/度=69379.2元

依此類推得到中-1區、中-2區、別墅生活區在設備方面的節能分別約為：38120.4元、42304.4元、38120.4元。四個區一年所節約的電費約為187924.4元。

從以上對比可以得知無負壓供水系統相對于傳統供水系統單從經濟上所帶來的效益。

2.無負壓設備具有小流量保壓運行功能，避免水泵長時間低速消耗運行，假設該水泵在一天內處于低速保壓狀態的時間為8小時，者以低區為例，一年內機組的節能約為：11KW×2臺×365天×8小時×60%×0.6元/度=23126.4元 依此類推得到中-1區、中-2區、別墅生活區在設備方面的節能分別約為：12706.8元、14101.5元、12706.8。

四、結論與存在問題

4.1 結論

本文首先對傳統供水系統進行了分析，并對幾種供水系統優缺點進行對比，得出傳統供水系統存在水資源浪費、能耗浪費、水質二次污染等問題，而無負壓供水系統解決了這些問題。然后對無負壓供水系統的組成、供水原理并結合實際工程中的應用進行了分析。

本文以浙江影視后期制作中心綜合大樓為實例工程，針對無負壓供水系統實際應用在工程中的節能節資進行了系統分析，進而得出結論，為實際工程供水系統的運行參數和類似工程供水系統設計提供了參考[9]。

4.2 無負壓供水存在的問題

雖然無負壓供水系統具有諸多優點，但在實際中也存在以下問題：

1、供水可靠性低。無負壓供水系統取消了貯水池，當市政管網壓力小于用戶瞬時用水量時，穩流補償器內水位會下降。目前無負壓供水設備的穩流補償器的容積一般較小，存水量有限，故無負壓功能的實現以停泵或減少供水量為代價，降低了系統的連續性供水能力。

2、影響周圍用戶用水。一般的無負壓供水設備僅解決了水泵吸水口處的壓力臨界于負壓時水泵如何停止吸水的問題，但未對使用時對管網可能產生的影響做全面的分析。如果系統高程設置不正確，將導致室外管網壓力低于必須保證的最低壓力，影響周圍用戶的用水。

3、水泵難以在高效區運行。市政管網和用戶用水變化較大時，水泵難以在高效區運行。

參考文獻

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