變頻供水與水泵水箱聯合供水的能耗對比分析

高瑞斌

（九源〈北京〉國際建筑顧問有限公司銀川分公司 寧夏 銀川 750002）

0 引言

目前，變頻供水在國內的應用已經很普遍，但是也出現很多令開發商和物業管理公司頭疼的問題，逐漸對這一技術產生了懷疑，其主要原因是加壓電費過高及容易產生噪音。隨著科技的發展、新技術的應用，我們應該抱積極態度。但是變頻供水技術的應用效果卻令人疑惑，變頻供水技術究竟是否節能？這個技術到底是否成熟？本文將對此進行研究。

1 計算模型

設工程條件為：一棟8層住宅樓，共128戶。1-4層由市政自來水直接供水，5-8層采用二次加壓供水。住宅層高為3m，底層室內外高差為0.6m，每戶居住5人，用水量標準按qd=150L/人。取時變化系數Kh=2.5，每戶衛生器具當量數Kg=10（為便于計算，暫不考慮消防用水）。根據上述條件可知，該棟住宅4-8層需加壓供水的最大日用水量為：

最高日最大時用水量為：

給水設計秒流量qg=5.5L/s（由總當量數查表可得）。

2 方案比較

2.1 定速泵-高位水箱聯合供水方式

水箱容積按最高日最大時用水量的50%計算，V=2.5m3，選用3m3標準水箱，其尺寸長×寬×高=2×1.4×1.4m，水箱最低水位標高Hmin=25.6m，最高水位高Hmax=26.6m，選用40LG6-15×2水泵二臺，其性能參數為Q=6m3/h,H=30m，N=2.65kW。

由上式計算水泵最大日耗電量：

式中：T為水泵最大日工作時間，單位為h，T=Qd/Q=48/12=4h。

2.2 變頻調速恒壓裝置供水

由于生活用水的不均勻性，在采用變頻調速供水設備時，若系統沒有流量調節裝置，水泵裝置應按滿足系統設計秒流量的需要來選擇，本工程系統設計秒流量為qg=5.5 L/s，選擇40LG6-15×2水泵三臺，三臺泵并聯工作時，滿足秒流量qg=5.50 L/s的要求。分析全日用水曲線，用水一般都集中在早晨6-8時，中午11-13時，下午17-19時，晚上22-24時這8個小時，為用水高峰，而0-6點這6個小時用水量很少，為用水低峰，其它10個小時為供水中峰，狀態如表1所示。

表1 水泵運行狀態

為簡化計算我們假定變頻泵（由變頻器驅動的水泵）在供水高峰和供水中峰期間均運轉在額定負荷的60%，而在供水低峰期間則運轉在額定負荷的80%，工頻運轉的水泵可近似看作額定負荷下工作。平均每天耗電計算：

供水高峰耗電：W1＝（2.65kW×0.6＋2.65×2kW）×8＝55.12 kWh

供水中峰耗電：W2＝（2.65kW×0.6+2.65）×10＝42.4kWh

供水低峰耗電：W3＝2.65kW×0.8×6＝12.72 kWh

一天的總耗電為：W＝W1＋W2＋W3＝55.12＋42.4+12.72＝110.24kWh

由上面的例子可以看出，對于單一的水泵水箱聯合供水比單一變頻恒壓供水要節能許多。其原因有以下幾個方面：

1）目前，變頻供水系統在實際中應用較多的是普通循環軟啟動變頻供水設備，該系統由水泵機組、循環軟啟動變頻柜、壓力儀表、管路系統等構成。變頻柜由變頻調速器，PLC（或變頻控制器），低壓電器等構成。系統一般選擇同型號水泵2-4臺，以3臺泵為例，系統的工作情況如下：平時1臺泵變頻供水，當1臺泵供水不足時，先開的泵轉為工頻運行，變頻柜再軟啟動第2臺泵，若流量還不夠，第2臺泵轉為工頻運行，變頻柜再軟啟動第3臺泵。若用水量減少，按啟泵順序依次停止工頻泵，直到最后1臺泵變頻恒壓供水。

而變頻恒壓供水設備水泵泵型是根據設計秒流量選取的，當系統需水量極小甚至為零，或系統需水量略大于定速泵在設定壓力下流量的整數倍時，調速泵出水量極小甚至為零，調速泵工況點嚴重偏離高效區，效率極低甚至為零，造成電能的浪費。

為了解決小流量時的節電問題，最近又有了以下四種方案：（1）變頻主泵+工頻輔泵；（2）變頻主泵+工頻輔泵+氣壓罐；（3）變頻主泵+氣壓罐；（4）變頻主泵+變頻輔泵+氣壓罐。第一種方案在變頻主泵需小流量供水時自動切換到輔泵（小流量高揚程）高效段運行，從而提高系統輸水效率；第三種方案則是在系統需水量極小或系統需水量略大于定速泵在設定壓力下流量的整數倍時，盡量保持調速主泵的流量不變，多余水量進入氣壓罐，保持調速主泵在高效段運行，當氣壓罐壓力達到設計最高壓力時停泵，由氣壓罐供水；而第二種方案和第四種方案兼具上述兩種功能，尤其是第四種方案，在原變頻主泵基礎上，再配備1-2臺小泵專用在夜間或平時小流量時變頻供水，是相對來說最節能的方案。這四種方案通過提高小流量時水泵的輸水效率，能減少小流量時消耗的電能。

圖1 調速泵轉速改變時效率的偏移

2）即使采用上述措施解決系統在小流量時的節電問題，變頻調速恒壓供水設備也不能保證水泵在最高效率點運行。如圖1，設調速泵在轉速 n=n1 時，在最高效率點（η=η1）運行，工況點為 1 點（Q1，H1）。 當流量Q由Q1減小為Q2時，轉速下降為n2，特性曲線由（Q-H）1變為（Q-H）2，此時工況點為水平線 H=H1與（Q-H）2之交點 2（Q2，H1），過 2 點作等效率曲線 H=K2Q2與轉速 n1 時的特性曲線（Q-H）1交于 3 點，3 點效率 η=η3。 顯然，2 點效率 η2= η3＜η1，水泵效率降低。所以，變頻調速恒壓供水裝置不能在高效點穩定運行，在大多數時間里η＜η1，而采用定速泵-高位水箱聯合供水方式卻很容易做到這一點。

由最大日耗電量計算公式 可知，當變頻調速恒壓供水方式和定速泵-高位水箱聯合供水方式的水泵選型和出口壓力H皆相同時，兩者耗電量大小只取決于兩者之η值。而在泵房只為單棟建筑或由單棟高層建筑和多棟多層建筑組成的小區域服務，只需在最高建筑物頂部設單個水箱時，因水箱供水的最不利計算管路只需到頂層供水點，比采用變頻調速恒壓供水方式的最不利計算管路要短的多，因此完全可以使水泵出口壓力值與采用變頻供水方式相同甚至小于其泵房出口壓力值。

因此，變頻調速恒壓供水方式比定速泵-高位水箱聯合供水方式節能的說法是不合理的。

3 結束語

建筑節水節能是一個系統工程，除應制定有關節水的法律法規、加強日常管理和宣傳教育、利用價格杠桿促進節水工作外，還應采取有效的技術措施，以保證建筑節水工作全面深入的開展。建筑住宅的蓬勃發展必然需要與之相配套的給排水設施作為輔助，所有新建和擬建住宅都是潛在節水及節能點。

［1］李亞峰，蔣白懿.高層建筑給水排水工程[M].北京：化學工業出版社，2004.

［2］劉振印.建筑給排水節能節水技術探討[J].給水排水，2007，33(1)：61-71.