淺析恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)性能

摘 要：恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)在近十余年里已成為我國(guó)城市生活供水不可或缺的一部分，隨著科技的發(fā)展與節(jié)能壓力日益增大，我國(guó)居民對(duì)于二次供水在節(jié)能性與安全性上要求也越來(lái)越高，但通過(guò)對(duì)恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)其節(jié)能性并不如我們所預(yù)期的那樣有效節(jié)能，而且在供水品質(zhì)與安全性上也不盡如人意。

關(guān)鍵詞：恒壓變頻；無(wú)負(fù)壓供水；節(jié)能

我國(guó)是一個(gè)缺水很嚴(yán)重的國(guó)家，時(shí)至今日，還有許多城市常年水資源供應(yīng)不足甚至嚴(yán)重缺水，有效節(jié)約用水成為城市供水必須要考慮的問題，正因如此，為了向城市小區(qū)居民提供必要的水資源供應(yīng)，與市政自來(lái)水管網(wǎng)接駁的二次供水系統(tǒng)的重要性日益凸顯。以往，常常采用建設(shè)水塔供水或者是高位水箱去制造一定的水壓來(lái)保證供水，確保小區(qū)有一個(gè)水壓恒定的供水系統(tǒng)。隨著科技的日新月異，在二次供水應(yīng)用方面，慢慢從無(wú)塔上水器發(fā)展到變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)備等新技術(shù)，新的多學(xué)科交叉應(yīng)用使得新的供水系統(tǒng)日益完善且越來(lái)越普及。我國(guó)曾對(duì)城市供水系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)改進(jìn)，恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)從2003年開始在我國(guó)普及起來(lái)，但在有效節(jié)能、水資源供應(yīng)品質(zhì)、安全性方面并沒有達(dá)到預(yù)期效果。

一、工作原理

恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)的系統(tǒng)屬性是開式直流系統(tǒng)，與原來(lái)的開式進(jìn)水池相比，除了體積更小，更為封閉之外，更主要區(qū)別在于，在蓄水罐中安裝了一部壓強(qiáng)自調(diào)節(jié)器，平衡罐內(nèi)壓強(qiáng)以達(dá)到市政自來(lái)水管網(wǎng)的要求，即二次供水單位需要自調(diào)節(jié)自身用水用戶高峰期水壓波動(dòng)，不能影響或者干涉到市政自來(lái)水網(wǎng)供水壓力的變化。這個(gè)波動(dòng)主要由于不通用水時(shí)段，有用水高峰期及用水低谷期，會(huì)產(chǎn)生供水壓頭浮動(dòng)的幅度峰值與低值，供水量的大小隨時(shí)對(duì)供水壓頭產(chǎn)生嚴(yán)重影響。而安裝在蓄水罐內(nèi)的壓強(qiáng)自調(diào)節(jié)器通過(guò)對(duì)蓄水罐內(nèi)空氣進(jìn)出量調(diào)節(jié)來(lái)改變蓄水罐內(nèi)壓強(qiáng)，以消除用水高峰期致使市政自來(lái)水管網(wǎng)被蓄水罐內(nèi)的負(fù)壓直接抽吸。

壓強(qiáng)自調(diào)節(jié)器還需使蓄水罐內(nèi)壓強(qiáng)與市政自來(lái)水管網(wǎng)的壓強(qiáng)保持一致，蓄水罐內(nèi)的壓強(qiáng)自調(diào)節(jié)器會(huì)設(shè)有壓強(qiáng)上限與壓強(qiáng)下限，當(dāng)蓄水罐內(nèi)的壓強(qiáng)高于上限時(shí)，壓強(qiáng)自調(diào)節(jié)器要排出一部分蓄水罐內(nèi)空氣來(lái)降低壓強(qiáng)；當(dāng)蓄水罐內(nèi)的壓強(qiáng)在壓強(qiáng)上限與下限波動(dòng)時(shí)，壓強(qiáng)符合市政自來(lái)水管網(wǎng)壓強(qiáng)要求不需要吸入或排除空氣；當(dāng)蓄水罐內(nèi)壓強(qiáng)小于設(shè)定的壓強(qiáng)下限，壓強(qiáng)自調(diào)節(jié)器要向蓄水罐內(nèi)抽入空氣，使蓄水罐內(nèi)壓強(qiáng)增大。即蓄水罐內(nèi)壓強(qiáng)在閾值范圍之內(nèi)，蓄水罐保持封閉，壓強(qiáng)可小范圍波動(dòng)；當(dāng)超過(guò)或低于閾值，吸入或排出空氣來(lái)調(diào)節(jié)壓強(qiáng)，使其跟隨市政自來(lái)水管網(wǎng)壓強(qiáng)變化。

市政自來(lái)水管網(wǎng)在進(jìn)入小區(qū)灌水時(shí)通過(guò)變頻水泵時(shí)支援了小區(qū)供水20mH2O左右的揚(yáng)程，主要由于水泵是變頻，所以20mH2O左右的壓頭在此環(huán)節(jié)沒有被損失，所以達(dá)到了節(jié)能的作用。流程圖如下：

二、恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)在部分負(fù)荷時(shí)的性能分析

恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)從流程結(jié)構(gòu)上來(lái)看，屬于開式直流水系統(tǒng)，最不利的用水點(diǎn)至少要有3-5mH2O的供水水頭。要考慮不同時(shí)段會(huì)有差異較大的用水量，且顧忌設(shè)計(jì)工況方面的某些問題，在工程計(jì)算中，對(duì)供水系統(tǒng)的用水量要選擇不同的供水壓頭。我們不得不考慮到市政供水提供的壓頭在高峰用水時(shí)期會(huì)出現(xiàn)峰值，而提供二次供水的恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)也同樣受到不同時(shí)段用水用戶量影響供水壓頭出現(xiàn)波動(dòng)。在大多數(shù)情況下，二次供水的恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)在供水過(guò)程中，水龍頭的壓力會(huì)增大即靜壓在水龍頭上，最簡(jiǎn)單的做法就是關(guān)小水龍頭，使水龍頭的壓力減小以避免壓力過(guò)大從而造成二次供水的恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)出現(xiàn)噪聲和水錘效應(yīng)，而且也不得不考慮到壓力過(guò)大與供水系統(tǒng)的安全性的相關(guān)程度。減小壓力的過(guò)程就是節(jié)流的過(guò)程，市政供水網(wǎng)提供的靜壓又被浪費(fèi)掉了，普通的恒壓變頻供水系統(tǒng)在本質(zhì)上與恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)在節(jié)能方面并無(wú)區(qū)別，變頻水泵供水工效低損耗大，使供水質(zhì)量與供水系統(tǒng)安全性降低的缺點(diǎn)在恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)同樣存在。恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)不節(jié)能，問題出在結(jié)構(gòu)上，唯一不同就是系統(tǒng)龍頭被加載上了市政供水系統(tǒng)的20mH2O左右的壓頭，本質(zhì)問題沒有得到解決，恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)只是將缺點(diǎn)轉(zhuǎn)移甚至放大。解決此問題就要從根本入手，即消除用水量變化對(duì)二次供水系統(tǒng)工況的影響。

三、恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上優(yōu)化

為了更清晰的理解恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上能否節(jié)能，我們要從本質(zhì)上了解恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)的特性，同時(shí)還要顧及二次供水的安全節(jié)能的特質(zhì)，下面對(duì)恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)進(jìn)行更深層次、更本質(zhì)的分析。能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其它物體，而能量的總量保持不變。能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。如果一個(gè)系統(tǒng)處于孤立環(huán)境，即不可能有能量或質(zhì)量傳入或傳出系統(tǒng)，水、電系統(tǒng)也不例外。它們?cè)诒举|(zhì)上是一致的，即有了水電相似比擬原理。根據(jù)該原理，水壓、水勢(shì)、水阻、水流分別與電壓、電勢(shì)、電阻一一對(duì)應(yīng)；固定水阻元件比擬為于定值電阻，調(diào)節(jié)閥對(duì)應(yīng)為變值電阻。利用更加便于理解與計(jì)算的電路原理知識(shí)對(duì)水路進(jìn)行計(jì)算與分析，值得注意的是水阻綜合阻力系數(shù)與固定水阻的區(qū)別，導(dǎo)致在水系統(tǒng)當(dāng)中，阻值是變化的，在帶入電系統(tǒng)利用歐姆定律、基爾霍夫回路電壓定律、基爾霍夫支路電流定律計(jì)算時(shí)，要格外注意。從能量角度分析，和水路分析結(jié)論是相同的。

二次供水供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要在結(jié)構(gòu)上與技術(shù)上符合現(xiàn)代生活要求，必須從如下三個(gè)方面同時(shí)入手。

（1）供水性能品質(zhì)優(yōu)良。

（2）供水蓄水安全性高。

（3）可節(jié)約能源，供水系統(tǒng)可持續(xù)優(yōu)化。

恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)失敗在于只重視水量的變化而忽略了壓力變化，導(dǎo)致以上三點(diǎn)尤其是在節(jié)能方面有所欠缺。

保持最不利的用水點(diǎn)至少要有3-5mH2O的供水水頭，現(xiàn)對(duì)恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行如下優(yōu)化：

（1）采用全變頻系統(tǒng)+壓力傳感器。將壓力傳感器置于該供水系統(tǒng)中最不利的用水點(diǎn)，隨時(shí)由電子電路監(jiān)控，通過(guò)最不利用水點(diǎn)壓力反饋結(jié)果控制水泵，使流量隨時(shí)隨地跟隨信號(hào)的變化而變化，始終處在最高效率的工況。并且根據(jù)連通器原理，系統(tǒng)中各個(gè)龍頭壓力起伏平穩(wěn)。在今后維護(hù)過(guò)程中，可對(duì)電子電路算法進(jìn)行不斷優(yōu)化。符合供水性能品質(zhì)優(yōu)良、供水蓄水安全性高、可節(jié)約能源，供水系統(tǒng)可持續(xù)優(yōu)化的要求。

（2）全變頻水泵+經(jīng)驗(yàn)化數(shù)字化模型。用水量的變化與壓力的變化呈現(xiàn)出周期性，利用這一特性，可以建立根據(jù)近期各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用數(shù)字化模型通過(guò)計(jì)算時(shí)間參數(shù)，達(dá)到定時(shí)調(diào)節(jié)水泵變壓變流。符合供水性能品質(zhì)優(yōu)良，供水蓄水安全性高，可節(jié)約能源，供水系統(tǒng)可持續(xù)優(yōu)化的要求。

（3）全變頻水泵+高位封閉水箱。類似水塔原理，水箱處于高處，相當(dāng)于市政自來(lái)水提供的20mH2O左右的壓頭轉(zhuǎn)換成勢(shì)能儲(chǔ)存在高位水箱當(dāng)中，它可以無(wú)視用水量變化產(chǎn)生的峰值，用水量產(chǎn)生的波動(dòng)對(duì)供水水泵不產(chǎn)生巨大影響，運(yùn)行工況平穩(wěn)，管道阻力是一定的，水泵得以持續(xù)在最高效率點(diǎn)運(yùn)作。該方法最大的弊端是對(duì)所處建筑環(huán)境有要求，空間位置要配套。

四、結(jié)論

綜上所述，目前市面上應(yīng)用的恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)并不能做到前期宣傳的節(jié)約能源，而且水質(zhì)與安全性也受到恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面的影響。

本文通過(guò)分析恒壓變頻無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)性能，從供水性能品質(zhì)優(yōu)良，供水蓄水安全性高、可節(jié)約能源，供水系統(tǒng)可持續(xù)優(yōu)化三個(gè)方面入手提出了三種新的二次供水方案以供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 秦曾煌.電工學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2] EC20系列PLC在無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].可編程控制與工廠自動(dòng)化，2008（6）.

[3] 黃明.變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].變頻器世界，2006，（3）：101-105.

[4] 劉慕雙，楊榮章，安東升.高層無(wú)負(fù)壓供水設(shè)備選型和容量的計(jì)算[J].承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2015（05）.

[5] 王金航.水幕控冷過(guò)程中供水系統(tǒng)的進(jìn)化建模與控制研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2002.

[6] 錢繼春.高層供水系統(tǒng)減振降噪研究[D].天津科技大學(xué)，2002.

[7] 王艷斌.建筑給排水節(jié)水措施探討[J].河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007 （01）.

[8] 劉振印.建筑給排水節(jié)能節(jié)水技術(shù)探討[J].給水排水，2007 （01）.

[9] 郭超.變頻供水系統(tǒng)在超高層建筑中的應(yīng)用[J].上海水務(wù)，2006 （02）.

[10] 唐芬南，譚超毅，劉建龍，劉揚(yáng).在集中設(shè)備層安裝水泵實(shí)現(xiàn)高層建筑低揚(yáng)程供水[J].節(jié)能，2006 （09）.

作者簡(jiǎn)介：

金鑒（1960-），男，江蘇南京人，淮陰師范學(xué)院電工技師，研究方向：弱電維修。