管網(wǎng)疊壓供水水頭影響及節(jié)能框算

張敏， 胡詩苑， 高金良

（1.東營市東營區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，山東 東營 257100；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150090）

0 引言

2013年王世功等［1］便提出對市政管網(wǎng)疊壓供水節(jié)能開展實(shí)驗(yàn)研究，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市規(guī)模的擴(kuò)大，市政供水水壓不能滿足高層的用水需求，二次供水的技術(shù)的研究顯得尤為突出。2017年宋玲等［2］人對管網(wǎng)疊壓供水能耗分析并提出節(jié)能措施。陳晨［3］在多水源優(yōu)化調(diào)度角度通過基于PDD的水力模型指導(dǎo)節(jié)能及分區(qū)。疊壓供水將增壓設(shè)備直接與市政管網(wǎng)相連，在管網(wǎng)壓力的基礎(chǔ)上進(jìn)行增壓供水，市政管網(wǎng)出流不再為傳統(tǒng)水箱供水方式的液位閥控制，二次加壓水泵的靜揚(yáng)程也發(fā)生變化，取決于管網(wǎng)水壓和用戶用水水壓需求。市政管網(wǎng)的流量、水壓、管道直徑等水力參數(shù)及周邊用戶的用水情況都會對疊壓供水系統(tǒng)產(chǎn)生影響，同時(shí)由于取消水箱，疊壓系統(tǒng)的流量變化也會對周邊用戶用水產(chǎn)生影響。文中針對疊壓系統(tǒng)對其自身可利用余壓及其對周邊用戶的影響進(jìn)行分析，同時(shí)對疊壓供水系統(tǒng)與傳統(tǒng)“水箱+變頻泵”聯(lián)合供水系統(tǒng)能耗進(jìn)行了分析，以便推廣疊壓系統(tǒng)的使用。

1 傳統(tǒng)水箱變頻泵聯(lián)合供水與疊壓供水比較

水箱與變頻泵聯(lián)合供水及疊壓供水為現(xiàn)有高層建筑二次供水中比較成熟的兩種方式。水箱與變頻泵聯(lián)合供水系統(tǒng)中，市政管網(wǎng)中的水進(jìn)入水箱，再由變頻泵供給到用戶，水箱能起到一定的調(diào)節(jié)作用，并能夠貯備一定的水量；而疊壓供水直接從市政供水管網(wǎng)中取水，供給到用戶，減少水箱，能夠充分利用管網(wǎng)余壓［4，5］。二者優(yōu)缺點(diǎn)如下表1所示。

表1 水箱與變頻泵聯(lián)合供水及疊壓供水系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

2 疊壓設(shè)備在管網(wǎng)中的位置的影響

傳統(tǒng)水箱與變頻泵聯(lián)合供水系統(tǒng)由于水箱的存在，具有一定的調(diào)蓄削峰作用，小區(qū)節(jié)點(diǎn)流量相對比較穩(wěn)定，而疊壓供水不具備調(diào)蓄能力，其需水量取決于用戶用水，存在峰平谷的水量波動，會造成管網(wǎng)中流量及水力條件的變化［6］。文中探究管網(wǎng)中不同位置小區(qū)由傳統(tǒng)水箱變頻泵聯(lián)合供水改造為疊壓供水方式的管網(wǎng)余壓變化及其對供水管網(wǎng)周圍用戶的影響。

假設(shè)管網(wǎng)中存在遠(yuǎn)中近三個(gè)小區(qū)，小區(qū)A、小區(qū)B和小區(qū)C。假定水廠水壓恒定，分別對小區(qū)A、小區(qū)B和小區(qū)C進(jìn)行疊壓供水改造。由于傳統(tǒng)的水箱能夠儲蓄一定的水量，具有調(diào)蓄作用，其需水量相對穩(wěn)定，假設(shè)三個(gè)小區(qū)采用水箱變頻泵聯(lián)合供水時(shí)，流量分別為QA、QB、QC。而改為疊壓供水后，其需水量波動較大，假定三個(gè)小區(qū)相對于水箱變頻泵聯(lián)合供水時(shí)變化的用水量分別為QA'、QB'、QC'。在不考慮水箱與變頻泵和疊壓供水附件局部水頭損失影響的情況下，對管道的阻力系數(shù)S進(jìn)行假設(shè)，如圖1所示。

圖1 算例管網(wǎng)示意圖

2.1 水箱變頻泵聯(lián)合供水水頭損失。

當(dāng)小區(qū)A、B、C均采用傳統(tǒng)水箱與變頻泵用水時(shí)，從水廠至小區(qū)A、B、C的水頭損失分別為：

從水廠至小區(qū)A的水頭損失。

從水廠至小區(qū)B的水頭損失：

從水廠至小區(qū)C的水頭損失：

2.2 疊壓改造后水頭損失

疊壓供水的情況下，需水量取決于用水流量，分別對小區(qū)A、B、C進(jìn)行疊壓供水改造，其由于疊壓供水分別造成流量的變化分別為QA'、QB'、QC'，以探究在供水管網(wǎng)不同位置處進(jìn)行疊壓改造的水頭損失，以確定疊壓供水用戶可利用余壓。

在小區(qū)A進(jìn)行疊壓供水時(shí)，從水廠至3個(gè)小區(qū)的水頭損失分別為：

小區(qū)A：

小區(qū)B：

小區(qū)C：

在小區(qū)B進(jìn)行疊壓供水時(shí)，從水廠至三個(gè)小區(qū)的水頭損失分別為：

小區(qū)A：

小區(qū)B：

小區(qū)C：

在小區(qū)C進(jìn)行疊壓供水時(shí)，從水廠至3個(gè)小區(qū)的水頭損失分別為：

小區(qū)A：

小區(qū)B：

小區(qū)C：

通過分析可知，距離水廠越近的用戶，在用水高峰時(shí)可利用余壓越大，且可利用余壓波動越小；距離水廠越遠(yuǎn)的用戶，在用水高峰時(shí)可利用余壓越小，且可利用余壓波動越大，應(yīng)匹配特性曲線較陡且高效區(qū)揚(yáng)程范圍較大的水泵。

2.3 疊壓供水改造相比于傳統(tǒng)水箱變頻泵聯(lián)合供水水頭損失差值

為探究疊壓供水對相比于水箱供水，對周圍用戶的影響，故計(jì)算相對于傳統(tǒng)水箱變頻泵聯(lián)合供水時(shí)，各個(gè)小區(qū)水頭損失差值為：

小區(qū)A進(jìn)行疊壓改造時(shí)各小區(qū)水頭損失差值：

小區(qū)B進(jìn)行疊壓改造時(shí)各小區(qū)水頭損失差值：

小區(qū)C進(jìn)行疊壓改造時(shí)各小區(qū)水頭損失差值：

由計(jì)算可知，疊壓用戶與水廠的距離影響會對周圍用戶用水水壓產(chǎn)生影響。由ΔhB1=ΔhC1可知，疊壓用戶靠近水廠時(shí)，對于后續(xù)用戶水頭的影響相同，在用水高峰時(shí)，均會造成用戶水頭的降低。同時(shí)，由ΔhA3＞ΔhB3可知，疊壓用戶遠(yuǎn)離水廠時(shí)，距離水廠越近的用戶受到疊壓用水用戶的影響越小。

3 疊壓設(shè)備節(jié)能分析

在疊壓設(shè)備中，采用最多的為離心泵。根據(jù)泵的性能理論，離心泵在某段時(shí)間內(nèi)電耗公式如下所示。

式中，W為水泵運(yùn)行的電耗，kW·h；γ為水的密度，kg/m3；η1為水泵效率；η2為電機(jī)效率；t為時(shí)間段長，h。

在水泵運(yùn)行過程中，影響能耗的主要因素包括供水量Q，供水揚(yáng)程H，水泵運(yùn)行時(shí)間t及水泵與電機(jī)的效率，簡化計(jì)算時(shí)，η1、η2可取70%。而“水箱+變頻泵”與變頻疊壓的區(qū)別主要在于變頻疊壓能利用市政供水管網(wǎng)余壓，供水揚(yáng)程相對于“水箱+變頻泵”較小，同一小區(qū)使用變頻疊壓和“水箱+變頻泵”的能耗。

（1） 水箱+變頻泵日電耗。

式中，W變?yōu)椤八?變頻泵”運(yùn)行1d電耗，kW·h；Qht為第t個(gè)小時(shí)內(nèi)用戶用水量，m3/s；Qd為用戶最高日用水量，m3/d；P出為水泵出口設(shè)定壓力；HD為變頻調(diào)速泵供水時(shí)，貯水池內(nèi)滿水水位與水泵中心的高程差，m。

（2） 疊壓供水電耗。

式中，W疊為疊壓設(shè)備運(yùn)行一天電耗，kW·h；Qht為第t個(gè)小時(shí)內(nèi)用戶用水量，m3/s；P出為水泵出口設(shè)定壓力；H市進(jìn)為市政進(jìn)水管余壓，m。Hc為變頻調(diào)速泵供水時(shí)，市政進(jìn)水管與水泵中心的高程差。

式中，ΔW為水箱加變頻能耗與疊壓供水能耗差值，即可表達(dá)疊壓供水節(jié)能的多少。

4 應(yīng)用展望

在后續(xù)工程應(yīng)用中，可根據(jù)用戶與水廠距離判斷選擇供水方式及水泵的選型。

在二次供水中，主導(dǎo)因素受高差影響較大，疊壓供水是否采用高位水箱及水泵工作情況分析，可作為后續(xù)研究開展。

5 結(jié)語

疊壓用戶與水廠的距離影響周圍用戶用水水壓，及疊壓用戶可利用余壓。疊壓用戶靠近水廠時(shí)，對于后續(xù)用戶水頭的影響相同，同時(shí)疊壓用戶遠(yuǎn)離水廠時(shí)，距離水廠越近的用戶受到疊壓用水用戶的影響越小。距離水廠越遠(yuǎn)，疊壓用戶用水波動影響越大。

通過“水箱+變頻泵”與變頻疊壓的能耗分析，期區(qū)別主要在于變頻疊壓能利用市政供水管網(wǎng)余壓，供水揚(yáng)程相對于“水箱+變頻泵”較小。

疊壓供水節(jié)能與用戶流量有關(guān)及市政進(jìn)水水壓有關(guān)，且恒大于H市進(jìn)minQd/179.33。