變頻泵組合供水與節能減排

余小明 / 趙煜靈

(廣東省建筑設計研究院，廣州 510010)

變頻泵組合供水與節能減排

余小明 / 趙煜靈

(廣東省建筑設計研究院，廣州 510010)

本文以住宅項目高低峰流量設計為例，通過對不同變頻泵組進行配比得出全年能耗及水泵高效段時間，闡述了設計秒流量、平均時流量、最大時流量等因素對選擇變頻泵組的重要性及合理配比副泵、氣壓罐的必要性。通過對比分析，筆者認為國家應在給排水專業增加變頻泵組合的相應規范，以促進節能減排設計。

變頻泵 節能 高效段 副泵 氣壓罐

0 引言

目前，為了避免高位水箱二次污染，大部分住宅或辦公樓均廣泛采用變頻泵組供水。建筑給排水規范只對設計秒流量給出了計算依據，節水規范也只對末端供水壓力給出了要求，對于選用的變頻泵組臺數配比、控制方式均無涉及，實際上這些因素均會影響泵組節能。

1 變頻器調速原理

變頻調速主要是通過改變供電電源頻率對異步電動機進行調速，電動機調動轉速進而帶動水泵葉輪的轉速，影響水泵的流量、揚程及功率。按照交流異步電機理論，其轉速公式為：

(1)

式中，n為電動機的轉速，f為異步電動機定子電勢頻率，P為電動機的極對數，S為轉差率。

由式(1)可知，只要均勻電動機定子繞組頻率，電動機的轉速n即與之成正比變化。

根據《民用建筑工程設計技術措施/給排水》(第2.7.16)規定，變頻泵組調速存在一個高效范圍，變頻泵一般要求調轉速在75%～100%范圍內，效率因數為0.75～0.80。當變頻調速泵低于50%時，效率因數為0.3～0.5。由于流量與轉速存在關系：Q1/Q2=n1/n2，本文通過對調速后的流量分析來判斷轉速的范圍及效率因子。

2 設計規模與參數

下面以香雪公館1～6棟的13F～22F(每層5戶，共300戶)的供水計算來實際探討這一問題。項目22F層高68.20m、13F層高38.20m、生活水泵房設置在負2層，標高-8.50m。

根據《廣州市住宅試行規范》，每戶按3.5人、每人400L用水計算，時變換系數k=2.4，戶內裝修按二衛一廚一洗衣機配比，每戶當量N=6.25。根據建筑給排水規范，計算得出：

最高時流量:Qh=4.86×2.4=11.67L/s；

衛生器具平均出流概率：

查閱《建筑給排水設計規范》，采用內插閥計算:αc=[(3.11-3.0)×0.023 74+(3.5-3.11)×0.019 39]/(3.5-3.0)=0.020 347；

衛生器具同時出流概率：

設計秒流量：

qg=0.2×4.1959%×6.25×300=15.73L/s。

3 供水曲線假設

根據以上計算結果，設計全天給水供水曲線應是介于平均數流量4.86L/s上下波動的曲線、最高用水段應是介于11.67L/s上下波動的曲線。廣州市一般早上7：30～8:30，中午12:30～13:30，晚上21:00～23:00為供水最高時段。按此計算，除去此3個時段，其余20個時段的平均流量系數為：(4.86×24-11.67×4)/20=3.5L/s。

實際上供水曲線是多變的，無法按實際測試的曲線來選擇泵組配比和水泵。設計只能根據現有的計算數據來計算整日消耗的能量，假設全天只按兩個工況運行：高峰時段：Q2=11.67L/s,H=95m，運行時間4h；低峰時段：Q3=3.5L/s,H=95m，運行時間20h。初步討論選泵對全日耗能量影響。

4 變頻泵組配比能耗對比

設計時，根據設計秒流量選擇水泵流量參數。因本項目設計秒流量較少，實際上一臺主泵即可。以下分別按一用一備、二用一備、三用一備、三用一備一副泵+氣壓罐模式計算各耗能量及高效流量時段。

1)一用一備變頻組合情況

采用一用一備變頻泵進行設計，選用主泵2臺：q=16L/s、H=95m、N=22kW，在此組合下，變頻調速高效流量段為：0.75×16≈16L/s，即在12L/s以下運行均為低效段運行，整個低效段持續時間20h以上。

2)二用一備變頻組合情況

采用二用一備變頻泵進行設計，選用主泵3臺：q=8L/s、H=95m、N=11kW，在此組合下單臺泵運行高效流量段：0.75×8≈8L/s，組合后即：6L/s～8L/s以及12L/s～16L/s。

用戶在高峰時段，變頻流量調節到11.67L/s，此時與最高值流量比Q2/Q1=0.72，此時效率值同一用一備為72%(實際上考慮高峰時段的波動性,二用一備可調節的范圍更廣、效率更高)。

功率為：ρgqh/η=15.09kW。

3)三用一備變頻組合情況

采用三用一備變頻泵進行設計，選用主泵4臺：q=5.3L/s、h=95m、N=7.0kW。在此組合下單臺泵運行高效段：0.75×5.3≈8L/s：組合后：3.975L/s≈5.3L/s、7.95L/s≈10.6L/s、11.93L/s≈15.9L/s

14.88×4+4.92×20=157.92kwh。

4)采用三用一備一副泵組合情況

采用三用一備變頻泵進行設計，選用主泵4臺：q=5.3L/s、h=95m、N=7.0kW，副泵1臺：3.5L/s、h=95m、N=4.5kW，副泵在小流量下啟動運行，在此組合下單臺泵運行高效段：0.75×5.3≈8L/s，0.75×3.5≈3.5L/s：組合后高效流量段：2.63L～3.5L、3.98L～5.3L、7.95L～10.6L、11.93L～15.9L。

在高峰時段三臺變頻調節至11.67L/s，此時與最高值流量比Q2/Q1=0.73，此時效率73%，功率為ρgqh/η=14.88kW。

在低峰時段一臺副泵運行，采用變頻調節至3.5L/s，此時與最高值流量比Q3/Q1=1.0，此時功率為4.5kW；全日耗電量： 14.88×4+4.5×20=149.52kwh。

5 方案優化與調整

1)氣壓罐調節

根據以上對比，在兩個工況假設的情況下，采用三用一備一副泵是最經濟節能的，實際上夜間可能存在零流量的情況，不可能長期在低峰段一個效率下運行；在高峰時段，存在一些流量段變頻調速低于75%轉速的情況。在三用一備一副泵的組合下，可增加氣壓罐的調節控制，增加高效段。

氣壓罐計算參照建筑給排水設計規范：

選用主泵：q=5.3L/s、h=95m、N=7.0(三用一備)，副泵：3.5 L/s、h=95m、N=4.5kW,配套隔膜式氣壓罐:φ×H=1200×2600，滿足容積要求，氣壓罐工作壓力介于0.85MPa～1.05MPa，調節容積511L。

2)變頻器調節控制

變頻器調節一對一水泵控制，每次調速先將一臺泵調到低轉速或高轉速，再調節另外一臺水泵機組，可方便水泵的控制及維持水泵高效段，使得流量成線性增加或減少。

本項目水泵采用壓力控制，壓力低于0.85Mpa，啟動新泵或調高變頻泵轉速；壓力高于1.0Mpa，關閉一臺主泵或調低變頻泵轉速。所有調節不得使水泵調速比高于0.75，當一臺主泵調速達到0.75時，壓力仍高于1.0Mpa，則關閉主泵開啟副泵，副泵工作時，壓力超過1.05Mpa時，關閉所有泵組，由氣壓罐調節。

通過此調節可使得在供水0≈15.9L/s時，水泵均可以處于高效段運行狀態，全日耗能可取平均值75%效率計算：ρgqh/η=(1000×9.8×0.00486×95)/75%=6.0kW，全天耗能：6×24=144kWh。

6 經濟對比分析

經過方案優化后(詳見表1)，對比開始采用一用一備變頻泵組，全年節省電量：

229.56-144×365=31 229.4kWh。

廣州市住宅電費按0.66元/kWh計算,則本方案全年耗電費相對一用一備節省20611.4元。

然而在實際設計中，因為增加泵組會增加投資，尤其是房地產開發商會對成本嚴格控制，且后續的水電費均已經公攤給各住戶所有，對于開發商來講不愿意再追加投資。針對此點，筆者認為給排水方面應該出臺相關規范(或在節水規范中增加)限制。設計的變頻泵組均在高效段運行。

7 結論

1)進行變頻供水系統給排水設計時，應盡量結合設計平均時流量、最大時流量及秒流量來選擇變頻泵組的配比，必要時多配備幾臺主泵，同時需配備小流量副泵與氣壓罐調節，使得整個變頻泵組維持高效段。

表1 方案組合對比

2)變頻供水因泵的選擇不同，造成的電費消耗出入較大，給排水方面應制定相關標準促使變頻泵組運行在高效段，促進國家的節能減排政策實行。

[1] 李超文.現代建筑給水工程中變頻水泵的應用[J].山西建筑,2009,35(3)：196-197.

[2] 巴曉曼，王希斌.談變頻泵臺數的確定[J].包鋼科技，2007,35(3):32-33.

[3] 郭乃溶，劉志強，劉洪海，葛學偉.基于用水規律的住宅二次供水系統優化及節能分析[J].給水排水，2013,39(11)：146-149.

余小明

工程師,注冊公用設備工程師(給排水)，2006年畢業于廣州大學給排水專業，同年進入廣東省建筑設計研究院從事給排水設計至今，參與住宅、公寓、學校、辦公、酒店、醫院、商業綜合體、市政交通等項目，累計完成建筑面積200多萬m2。

我國首個智慧城市國家標準將出臺

據悉，住建部正在編制智慧城市評價模型以及基礎評價標準體系的國家標準，該標準將是國內第一個指導與評價智慧城市的國家標準，預計將在今年內完成相關的編制工作并提交評審。該標準將第一次對國內的智慧城市建設管理進行科學的規范、建立統一合理的智慧城市模型和建設管理的指標，為各地進行智慧城市的建設程度、水平和效率的評估提供統一的依據。住建部將現有的國家標準以及行業標準相融合，梳理出正在制定的標準，以及根據實際需求進行優先規劃標準，以突出共性標準為主，兼顧特殊要求，目的要做到“智慧城市的規劃有指南，共建平臺建設有標準，協同應用開發有依據，實現標準在智慧城市建設當中的有效應用”。 并且，我國的57個智慧城市建設指標中，會綜合考慮不同城市的行政級別、所屬區域、發達程度等因素，采用“一城一策”。

Combinations of Variable Frequency Pump and Energy Conservation

Yu Xiaoming / Zhao Yuling

Take the example of the level of high or low flow assumption, through a residential project design process, we can get the annual pump's energy consumption and efficient pump segment about different combinations of variable frequency pump. The design flow rate, average flow, maximum flow are all important for the combination of variable frequency pumps, and it is necessary for the designers to choose vice pump and pressure tank in the supply and drainage design. Through comparative analysis, we believe that our country should improve standards about combinations of variable frequency pump in order to promote energy conservation design.

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