城市居民小區(qū)二次供水系統(tǒng)節(jié)能研究與優(yōu)化

趙婷

（大同市水星給排水設(shè)計有限責(zé)任公司，山西大同 037006）

0 引言

在環(huán)境問題不斷惡化，資源急劇減少的情況下，我國開始大力興建海綿城市，也就是將城市視作海綿，不論是干旱還是洪水，都具有“釋放”和“吸收”的能力。可以采用種植草溝、鋪設(shè)透水瀝青等方式來增強(qiáng)蓄水、滲透、吸收等能力。在海綿城市興建的背景下，居民小區(qū)也應(yīng)該隨之改進(jìn)和優(yōu)化，重視節(jié)水能力的增強(qiáng)，尤其要加強(qiáng)二次供水的改造。所謂二次供水，就是指單位或個人將城市公共供水或自建設(shè)施供水采用儲存、加壓的方式，利用管道再為用戶提供水源。二次供水主要解決市政供水管線壓力不足的問題，保障生活在高層建筑中的人群可以正常用水。二次供水常用設(shè)施包括水箱、水泵等。在二次供水系統(tǒng)設(shè)計的過程中，要加強(qiáng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計，保障供水質(zhì)量，同時減少水資源的浪費(fèi)問題，滿足海綿城市建設(shè)要求，促進(jìn)我國可持續(xù)發(fā)展。

1 二次供水設(shè)施現(xiàn)狀分析

1.1 水質(zhì)二次污染問題嚴(yán)重

以某城市為例進(jìn)行調(diào)查，在二次供水行業(yè)中，很多供水設(shè)施都采用傳統(tǒng)水箱和變頻泵供水結(jié)合的方式。這種供水方式雖然可以保障供水安全，但也存在問題，例如，水池和水箱的占地面積較大，土建工程難度隨之增加；施工設(shè)計不合理和管理不恰當(dāng)，造成水池、水箱等設(shè)施功能受到影響。雖然采用了多級處理的方式，如水廠、加壓泵站都是重要的處理層級，水質(zhì)可以滿足生產(chǎn)、生活的使用需求，但由于泵房管理不足，依舊存在較為嚴(yán)重的自來水水質(zhì)污染問題。在二次供水設(shè)備數(shù)量不斷增多的情況下，管理水平并沒有隨之提升，二次供水水質(zhì)污染問題亟待解決。在早期，我國頻繁出現(xiàn)水污染事故，其中有1/3 的問題源于二次供水系統(tǒng)。即使在發(fā)達(dá)國家中，二次供水設(shè)施污染的問題也經(jīng)常會出現(xiàn)。

1.2 供水壓力設(shè)計比較保守

調(diào)查顯示，低位水池和水泵結(jié)合的供水系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中存在浪費(fèi)情況，因為水池貯水的過程中，將原本具有市政管網(wǎng)壓力的自來水釋放出來，二次供水的過程中，再將水池中水的壓力從0 增加到設(shè)計水頭的壓力，沒有對市政管網(wǎng)壓力有效利用，造成能量的浪費(fèi)。例如，在8 層樓供水的過程中，當(dāng)?shù)厥姓芫W(wǎng)壓力可以滿足1~6 樓水頭要求，7~8 層需要額外壓力，這樣才能符合設(shè)計要求。通常，設(shè)計人員為了解決這種情況，會根據(jù)面積條件進(jìn)行設(shè)計，如果面積充足，則增加低位水池，造成本來只要在7~8 層加壓，調(diào)整后需要1~8 層全部二次加壓供水。

1.3 二次供水設(shè)施管護(hù)問題

在二次供水設(shè)施管理的過程中，主要從小區(qū)用水用戶收取水費(fèi)和日常設(shè)施維護(hù)兩個方面著手。在水費(fèi)收取方面，隨著城市高層、小高層建筑數(shù)量不斷增多，二次供水價格并沒有進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，因為二次供水設(shè)備的使用情況和物業(yè)管理方式存在差異，所以難以統(tǒng)一。不僅如此，經(jīng)過二次加壓獲取自來水的用戶根據(jù)總表進(jìn)行水費(fèi)計量，小區(qū)物業(yè)公司收費(fèi)依據(jù)入戶管前的分戶水表進(jìn)行計量，需要另外計算二次加壓供水成本，最后將總稅費(fèi)疊加計算而出。在設(shè)施維護(hù)方面，由于政策不統(tǒng)一，所以管理主體不統(tǒng)一，造成服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)存在差異，且二供泵房通常比較隱蔽，所以物業(yè)很難開展管理工作。在設(shè)計施工、水質(zhì)消毒、后期維護(hù)等方面也存在問題。到目前為止，二次供水的管理方式依舊不統(tǒng)一，很多設(shè)施并沒有得到有效的管理，操作人員的技術(shù)水平也有待提升。

2 居民小區(qū)二次供水系統(tǒng)用水量變化規(guī)律

2.1 日用水量變化

在二次供水系統(tǒng)設(shè)計的過程中，經(jīng)常會使用日最高用水量、小時變化系數(shù)、最大設(shè)計流量等設(shè)計值，這些設(shè)計值的取值范圍對系統(tǒng)設(shè)計、能耗水平有直接影響。通常，設(shè)計人員在選擇二次加壓水泵泵組時，要對最高日用水量、設(shè)計流量兩個設(shè)計值進(jìn)行分析。泵組運(yùn)行應(yīng)該根據(jù)實際用水情況來調(diào)度，否則會出現(xiàn)實際運(yùn)作與需要用水量不相匹配的情況[1]，所以，要對各項設(shè)計值進(jìn)行檢測。以某個小區(qū)為例，對最高日用水量變化情況進(jìn)行分析。

通常，早間和傍晚會出現(xiàn)用水高峰，分別在上午7：00—9：00 和下午6：00—10：00，因為晨間是起床洗漱時間，用水量較大，傍晚則是下班做飯、清潔的時間，用水量也會增加。午間12：00 左右也會出現(xiàn)增長變化，因為午間做飯、清潔用水，但由于大部分人會外出上班，所以相較于早晚間變化較小。凌晨用水量較低，但并沒有完全不用水的情況，用水量約5m3/h，可以適當(dāng)多采用配泵方案。該小區(qū)最高時用水量為21.83m3/h，其中凌晨23：00—7：00區(qū)間的用水量為54.51m3，在每日總用水量中占比為16.98%，因為這個時段居民在休息，所以用水量相對較小。白天則處于生活狀態(tài)，所以用水量相對較多，約266.49m3，占83.02%。

2.2 周和月用水量變化

以1 周作為單位進(jìn)行測量，通過監(jiān)測對比分析1 周水量的變化情況和影響因素，為了充分了解變化趨勢，主要對5—12 月的用水量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，然后按照每周7d 進(jìn)行歸類計算，獲得平均值。通常，周一到周五的用水量平均為139.47L/（P·d），周末用水量相對較多，因為周末人們休息在家，所以用水量約為144.04L/（P·d），7 月份用水量周變化比較穩(wěn)定，因為這個時期處于校園暑假階段，所以一周用水量差距并不是十分明顯。9 月、10月有節(jié)假日等原因，用水量會上升，日用水量平均137.41L/（P·d），可見節(jié)假日會影響用水量。

月用水從5—12 月進(jìn)行分析，6—8 月用水量較大，夏季對水的需求量較高，日用約131.33L/（P·d），7 月用水量最高，日用137.78L/（P·d）。實驗顯示，進(jìn)入秋季之后，耗水量也會增加，但隨著氣候的變化，用水量會逐漸降低。所以，用水量與天氣、溫度也有一定的關(guān)系。

3 居民小區(qū)二次供水系統(tǒng)的優(yōu)化分析

3.1 供水方式優(yōu)化

從目前的情況來看，高層居民樓較多，所以對高層建筑的二次供水方式進(jìn)行分析，主要有3 種，分別是：疊壓供水、高位水箱、水泵水箱聯(lián)合。通常，居民樓住戶較多，所以用水量也比較大，馬桶、花灑、浴缸、洗菜盆等都需要與水管連接，不僅用水器具類型較多，用水耗時也比較長，根據(jù)全天用水時長，居民樓通常會采用比較獨特的二次供水方式。從安全的角度分析，疊壓供水會有負(fù)壓產(chǎn)生，進(jìn)而影響管網(wǎng)水壓，所以很少應(yīng)用[2]。氣壓罐容積固定，無法供給大型住宅區(qū)，所以采用水箱和變頻泵組合的方式進(jìn)行供水最佳。加壓泵房中設(shè)有低位生活水箱，在該水箱中設(shè)置變頻泵，可以保障安全，同時也具有人性化的特點，可以滿足大部分居民的供水需求。本文所述小區(qū)原本采用AKK 疊壓給水設(shè)備，根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)定設(shè)定具體的壓力保護(hù)值，如果設(shè)備運(yùn)行正常，給水系統(tǒng)產(chǎn)生壓力變化較大，在設(shè)定值范圍外的情況下，控制裝置會根據(jù)變化自動切換，通過調(diào)節(jié)溫流補(bǔ)償器對水壓、流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果供水流量較小，則自動切換到停機(jī)保壓的狀態(tài)。加壓地區(qū)的水泵出口的壓力恒定，一些超壓樓層設(shè)置減壓閥，入戶壓力保持在0.2MPa 以下。根據(jù)原本的設(shè)計圖紙進(jìn)行改造，生活給水泵房的面積為8.1m×8.1m，與水箱設(shè)置要求不符，所以采用疊壓增壓設(shè)備進(jìn)行供水。根據(jù)小區(qū)所在城市的要求規(guī)范，在條件允許的情況下，采用生活水箱聯(lián)合變頻泵供水的方式最佳。可以與開放商、設(shè)計單位進(jìn)行溝通，擴(kuò)大生活給水泵房的面積，擴(kuò)大到約130m2，使不銹鋼裝配式水箱有足夠的設(shè)置空間。

3.2 變頻恒壓供水

變頻恒壓供水就是保持出口壓力不變，根據(jù)建筑用水量自動調(diào)節(jié)出口流量。為了確保變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠發(fā)揮作用，要對出口壓力進(jìn)行嚴(yán)格控制，在出水口設(shè)置壓力傳感器，根據(jù)水泵出口最差狀態(tài)下的壓力值設(shè)計設(shè)定值，結(jié)合泵組特性曲線和系統(tǒng)原理，水泵揚(yáng)程會隨水泵流量變小而增加。如果揚(yáng)程不變，則需要調(diào)小流速。先確定最不利的工況，然后根據(jù)用水量數(shù)據(jù)設(shè)定管網(wǎng)壓力值P。在滿足用水量的條件下，調(diào)速系統(tǒng)會改變水泵速度，如果管網(wǎng)中水壓比正常值P 大，則變頻系統(tǒng)會調(diào)小水泵功率，使轉(zhuǎn)速隨之減少，保持內(nèi)部恒壓。如果給水系統(tǒng)中，因為用水量增加出現(xiàn)壓力迅速下降的情況，則自動控制設(shè)備會將P 值增加，增加系統(tǒng)n 值。如果增壓系統(tǒng)f 增加到一定頻率但并沒有穩(wěn)定壓力，則通過調(diào)整可以使水泵保持最佳運(yùn)作頻率，同時另一臺水泵也會隨之運(yùn)轉(zhuǎn)，水泵機(jī)組的頻率、速度都隨之提高，管網(wǎng)壓力值可以保持正常[3]。通過變頻的方式，可以達(dá)到較好的節(jié)能效果。一方面，降低功率節(jié)能，根據(jù)比例定律，流量根據(jù)轉(zhuǎn)速變化保持正比，揚(yáng)程隨轉(zhuǎn)速平方變化而變化，二者保持正相關(guān)，功率則與轉(zhuǎn)速的立方保持正比。如果同時使用變頻泵和工頻泵，則水泵耗能會隨之降低，揚(yáng)程能量會隨之增加，具有節(jié)能的效果。另一方面，功率因素節(jié)能。在交流電路中，做功會損耗有功功率，進(jìn)而變?yōu)楣狻岬刃问剑瑹o功功率則可以轉(zhuǎn)換電與磁。后者是能量轉(zhuǎn)換的過程，產(chǎn)生磁場使互感器等設(shè)備可以保持運(yùn)行，同時也會出現(xiàn)無功功率，進(jìn)而降低系統(tǒng)效率。在變頻技術(shù)的應(yīng)用下，無功功率可以轉(zhuǎn)化為0，等同于有功功率，在電機(jī)運(yùn)行中消耗所有能量，使水泵效率達(dá)到最高。

4 居民小區(qū)二次供水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化方案

4.1 原有供水方式概述

要確保改造的合理性，要先對原有供水方式進(jìn)行分類分析。目前，根據(jù)城市用水管理要求，確定二次供水設(shè)施的改造方向和內(nèi)容。以某城市為例，該城市二次供水設(shè)施多達(dá)數(shù)百處，每天供水量在10 萬m3以上，普遍在高地勢地區(qū)或處在高地勢的建筑小區(qū)內(nèi)。目前主要采用普通高位水池、水箱供水、疊壓供水的方式。可以將該城市二次供水區(qū)域劃分A-F6 個區(qū)，A 區(qū)扁平泵和水池聯(lián)合的數(shù)量超過80；B 區(qū)為50，其余在30~40 之間。A 區(qū)疊壓供水的數(shù)量為58；B 區(qū)為49，其余在20~35 之間；A 區(qū)管道泵為8 個，B 和 C 區(qū)只有 1 個；D 和 E 區(qū)有 4 個；F 區(qū)有 2 個。

4.2 節(jié)能改造方式分析

在設(shè)備型號選擇的過程中，應(yīng)該將節(jié)能降耗放在首位，選擇匹配改造需求的設(shè)計方案和設(shè)備，采用先進(jìn)的技術(shù)工藝，保障節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。通常，需要對水泵、閥門等設(shè)施進(jìn)行選擇，根據(jù)能耗改造要求，對水泵、疊壓供水等設(shè)施進(jìn)行更換，確保節(jié)水節(jié)電的效果。在實際選擇的過程中，要選擇阻力系數(shù)較小的閥門，包括蝶閥和止回閥，對水頭損失進(jìn)行控制；電源裝置要選擇新型無功電源，使功率因素有所提升；選擇節(jié)能燈具降低電耗；采用PLC 技術(shù)控制水泵工況，滿足低耗要求。對比各項供水方式，包括高位水箱供水、變頻調(diào)速供水、疊壓供水3 種。高位水箱供水的泵組設(shè)備比較簡單，所以運(yùn)行成本相對較低，同時也便于維護(hù)保養(yǎng)；變頻調(diào)速供水應(yīng)該根據(jù)建筑用水時段內(nèi)，實際用水量來確定具體的水泵數(shù)量，可以采用一用一備或兩用一備的方式運(yùn)作，但增加水泵的同時，成本費(fèi)用也會增加。如果選擇增壓裝置，則要選擇相同裝置，確保操作便捷，但可控區(qū)域會縮小[4-5]。如果泵組類型不同，則將固定轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的泵組合在一起，額定轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值時，可以在最大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行[6]。通常，新建住宅會采用恒壓供水的方式；疊壓供水是一種新型方式，被廣泛推廣和使用。但早在20 世紀(jì)80 年代，就有人根據(jù)用水量和揚(yáng)程調(diào)控給水裝置，對水量變化規(guī)律進(jìn)行分析，獲得管道壓力特性曲線，然后優(yōu)化加壓泵組，達(dá)到控制水系統(tǒng)變頻變壓的效果。疊壓供水以變頻恒壓供水方式為基礎(chǔ)，目前廣泛應(yīng)用在各個城市小區(qū)供水中，具有良好的應(yīng)用效果。

4.3 改造案例分析

以A 小區(qū)為例，該小區(qū)為三期住宅，每期有1 個二次供水泵房。一期住宅為7 層住宅，共計41 棟，戶數(shù)為2382 戶；二期為10層住宅，共計8 棟，戶數(shù)為492 戶，前3 層采用市政管網(wǎng)直供的供水方式，上7 層采用混凝土清水池變頻水泵加壓供水的方式，消防和生活設(shè)備間合并使用，但清水池保持獨立；三期層數(shù)為18和24，各有2 棟，共計772 戶居民，前3 層采用直供的方式，3~14層、15~24 層都采用中高區(qū)加壓供水的方式，消防、生活設(shè)備間公用，清水池保持獨立。根據(jù)實際情況進(jìn)行改造，對現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)的勘察，分析供水格局、后期服務(wù)兩項要求，先明確具體的改造方向。將直供區(qū)居民與多層加壓站合并，供水能力可以滿足需求[7-8]。高層和小高層在二次供水方面進(jìn)行合并，共計836 戶需要供水，高區(qū)供水有180 戶。將原有的水池、泵房保留，加裝不銹鋼內(nèi)襯、隔離圍墻在清水池中，更換相關(guān)機(jī)組設(shè)備，對控制室進(jìn)行隔離改造，設(shè)備不需要隔離。更換所有管線，采用3120m 的DN63~DN200PE 管、586m 的 DN108~DN325 鋼管以及 949m 的DN150~DN300 球墨鑄鐵管。清水池選擇DN200 作為進(jìn)水管，多層加壓站與之連接，采用DN300 進(jìn)水管，達(dá)到雙路進(jìn)水的效果，確保供水的安全性、穩(wěn)定性。經(jīng)過計算，本次改造需要420 萬元改造費(fèi)。

B 區(qū)建筑均為11 層，總計16 棟，共有1283 戶居民。內(nèi)部采用生消合用的二次供水泵房，以水池與變頻水泵聯(lián)合的方式，所有層都采用加壓供水的方式，水池為400m3混凝土結(jié)構(gòu)。原本水池體積較大，但改造會對水池結(jié)構(gòu)造成破壞，同時也會導(dǎo)致供水安全受到影響。小區(qū)進(jìn)水與DN600 供水管線連接，市政管網(wǎng)供水水頭25m 水柱，采用疊壓供水的方式。對原本的泵房加以利用，隔離生活和消防泵房并且設(shè)置防火門，進(jìn)出通道可以共用，改造費(fèi)用約400 萬元。

C 小區(qū)住宅為 29 層，共計 13 棟，1813 戶居民，采用一戶一表的方式，原本為泵房生消合用，采用不銹鋼水池與變頻水泵聯(lián)合的方式，前9 層采用市政供水的方式，用戶有650 戶，10~20 層采用中區(qū)供水的方式；21~29 采用高區(qū)供水的方式。將不銹鋼水池作為基礎(chǔ)，增加變頻泵，將水池尺寸縮小，并且增加自動清洗系統(tǒng)改造加壓管線，采用DN100~DN200 鋼管。改造費(fèi)約330 萬元。

D 區(qū)住宅分別為 6 層、3 層和 18 層，分別有 2 棟、6 棟和 3棟。采用清水池和變頻水泵、局部高位水箱聯(lián)合供水的方式。在改造的過程中，主要對設(shè)備和管線進(jìn)行優(yōu)化。采用DN63-DN200PE 管和DN108 鋼管。改造費(fèi)用約220 萬元。

分析上述四個方案，運(yùn)行中都存在耗能過多的問題，通過改造可以達(dá)到良好的節(jié)能效果，不論是用水量還是耗電量都明顯下降，符合綠色建筑的設(shè)計要求，同時也為后期管理提供便利，減少了業(yè)主的物業(yè)費(fèi)，滿足各個住戶的要求。可以將該項目改造資料保存，作為日后改造的參考依據(jù)。

5 結(jié)語

綜上所述，在住宅小區(qū)二次供水的過程中，如果沒有做好系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計，則會導(dǎo)致水資源、電能的損耗，不僅增加居民用水、用電的費(fèi)用，還會造成資源浪費(fèi)。所以，要根據(jù)實際情況改造二次供水系統(tǒng)。首先要了解原本的供水系統(tǒng)，分析各種節(jié)能措施，然后根據(jù)實際情況，從節(jié)能、經(jīng)濟(jì)兩個角度分析，選擇最有效的節(jié)能改造方案，從本文A、B、C、D 四個改造項目分析結(jié)果可知，通過改造可以達(dá)到理想的節(jié)能效果。