淺析恒壓變頻無負壓供水系統性能

摘 要：恒壓變頻無負壓供水系統在近十余年里已成為我國城市生活供水不可或缺的一部分，隨著科技的發展與節能壓力日益增大，我國居民對于二次供水在節能性與安全性上要求也越來越高，但通過對恒壓變頻無負壓供水系統的結構分析，發現其節能性并不如我們所預期的那樣有效節能，而且在供水品質與安全性上也不盡如人意。

關鍵詞：恒壓變頻；無負壓供水；節能

我國是一個缺水很嚴重的國家，時至今日，還有許多城市常年水資源供應不足甚至嚴重缺水，有效節約用水成為城市供水必須要考慮的問題，正因如此，為了向城市小區居民提供必要的水資源供應，與市政自來水管網接駁的二次供水系統的重要性日益凸顯。以往，常常采用建設水塔供水或者是高位水箱去制造一定的水壓來保證供水，確保小區有一個水壓恒定的供水系統。隨著科技的日新月異，在二次供水應用方面，慢慢從無塔上水器發展到變頻恒壓供水系統設備等新技術，新的多學科交叉應用使得新的供水系統日益完善且越來越普及。我國曾對城市供水系統進行過改進，恒壓變頻無負壓供水系統從2003年開始在我國普及起來，但在有效節能、水資源供應品質、安全性方面并沒有達到預期效果。

一、工作原理

恒壓變頻無負壓供水系統的系統屬性是開式直流系統，與原來的開式進水池相比，除了體積更小，更為封閉之外，更主要區別在于，在蓄水罐中安裝了一部壓強自調節器，平衡罐內壓強以達到市政自來水管網的要求，即二次供水單位需要自調節自身用水用戶高峰期水壓波動，不能影響或者干涉到市政自來水網供水壓力的變化。這個波動主要由于不通用水時段，有用水高峰期及用水低谷期，會產生供水壓頭浮動的幅度峰值與低值，供水量的大小隨時對供水壓頭產生嚴重影響。而安裝在蓄水罐內的壓強自調節器通過對蓄水罐內空氣進出量調節來改變蓄水罐內壓強，以消除用水高峰期致使市政自來水管網被蓄水罐內的負壓直接抽吸。

壓強自調節器還需使蓄水罐內壓強與市政自來水管網的壓強保持一致，蓄水罐內的壓強自調節器會設有壓強上限與壓強下限，當蓄水罐內的壓強高于上限時，壓強自調節器要排出一部分蓄水罐內空氣來降低壓強；當蓄水罐內的壓強在壓強上限與下限波動時，壓強符合市政自來水管網壓強要求不需要吸入或排除空氣；當蓄水罐內壓強小于設定的壓強下限，壓強自調節器要向蓄水罐內抽入空氣，使蓄水罐內壓強增大。即蓄水罐內壓強在閾值范圍之內，蓄水罐保持封閉，壓強可小范圍波動；當超過或低于閾值，吸入或排出空氣來調節壓強，使其跟隨市政自來水管網壓強變化。

市政自來水管網在進入小區灌水時通過變頻水泵時支援了小區供水20mH2O左右的揚程，主要由于水泵是變頻，所以20mH2O左右的壓頭在此環節沒有被損失，所以達到了節能的作用。流程圖如下：

二、恒壓變頻無負壓供水系統在部分負荷時的性能分析

恒壓變頻無負壓供水系統從流程結構上來看，屬于開式直流水系統，最不利的用水點至少要有3-5mH2O的供水水頭。要考慮不同時段會有差異較大的用水量，且顧忌設計工況方面的某些問題，在工程計算中，對供水系統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期會出現峰值，而提供二次供水的恒壓變頻無負壓供水系統也同樣受到不同時段用水用戶量影響供水壓頭出現波動。在大多數情況下，二次供水的恒壓變頻無負壓供水系統在供水過程中，水龍頭的壓力會增大即靜壓在水龍頭上，最簡單的做法就是關小水龍頭，使水龍頭的壓力減小以避免壓力過大從而造成二次供水的恒壓變頻無負壓供水系統出現噪聲和水錘效應，而且也不得不考慮到壓力過大與供水系統的安全性的相關程度。減小壓力的過程就是節流的過程，市政供水網提供的靜壓又被浪費掉了，普通的恒壓變頻供水系統在本質上與恒壓變頻無負壓供水系統在節能方面并無區別，變頻水泵供水工效低損耗大，使供水質量與供水系統安全性降低的缺點在恒壓變頻無負壓供水系統同樣存在。恒壓變頻無負壓供水系統不節能，問題出在結構上，唯一不同就是系統龍頭被加載上了市政供水系統的20mH2O左右的壓頭，本質問題沒有得到解決，恒壓變頻無負壓供水系統只是將缺點轉移甚至放大。解決此問題就要從根本入手，即消除用水量變化對二次供水系統工況的影響。

三、恒壓變頻無負壓供水系統結構上優化

為了更清晰的理解恒壓變頻無負壓供水系統在結構上能否節能，我們要從本質上了解恒壓變頻無負壓供水系統的特性，同時還要顧及二次供水的安全節能的特質，下面對恒壓變頻無負壓供水系統進行更深層次、更本質的分析。能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到其它物體，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。如果一個系統處于孤立環境，即不可能有能量或質量傳入或傳出系統，水、電系統也不例外。它們在本質上是一致的，即有了水電相似比擬原理。根據該原理，水壓、水勢、水阻、水流分別與電壓、電勢、電阻一一對應；固定水阻元件比擬為于定值電阻，調節閥對應為變值電阻。利用更加便于理解與計算的電路原理知識對水路進行計算與分析，值得注意的是水阻綜合阻力系數與固定水阻的區別，導致在水系統當中，阻值是變化的，在帶入電系統利用歐姆定律、基爾霍夫回路電壓定律、基爾霍夫支路電流定律計算時，要格外注意。從能量角度分析，和水路分析結論是相同的。

二次供水供水系統的設計要在結構上與技術上符合現代生活要求，必須從如下三個方面同時入手。

（1）供水性能品質優良。

（2）供水蓄水安全性高。

（3）可節約能源，供水系統可持續優化。

恒壓變頻無負壓供水系統失敗在于只重視水量的變化而忽略了壓力變化，導致以上三點尤其是在節能方面有所欠缺。

保持最不利的用水點至少要有3-5mH2O的供水水頭，現對恒壓變頻無負壓供水系統結構上進行如下優化：

（1）采用全變頻系統+壓力傳感器。將壓力傳感器置于該供水系統中最不利的用水點，隨時由電子電路監控，通過最不利用水點壓力反饋結果控制水泵，使流量隨時隨地跟隨信號的變化而變化，始終處在最高效率的工況。并且根據連通器原理，系統中各個龍頭壓力起伏平穩。在今后維護過程中，可對電子電路算法進行不斷優化。符合供水性能品質優良、供水蓄水安全性高、可節約能源，供水系統可持續優化的要求。

（2）全變頻水泵+經驗化數字化模型。用水量的變化與壓力的變化呈現出周期性，利用這一特性，可以建立根據近期各項數據進行數學建模，利用數字化模型通過計算時間參數，達到定時調節水泵變壓變流。符合供水性能品質優良，供水蓄水安全性高，可節約能源，供水系統可持續優化的要求。

（3）全變頻水泵+高位封閉水箱。類似水塔原理，水箱處于高處，相當于市政自來水提供的20mH2O左右的壓頭轉換成勢能儲存在高位水箱當中，它可以無視用水量變化產生的峰值，用水量產生的波動對供水水泵不產生巨大影響，運行工況平穩，管道阻力是一定的，水泵得以持續在最高效率點運作。該方法最大的弊端是對所處建筑環境有要求，空間位置要配套。

四、結論

綜上所述，目前市面上應用的恒壓變頻無負壓供水系統并不能做到前期宣傳的節約能源，而且水質與安全性也受到恒壓變頻無負壓供水系統產生負面的影響。

本文通過分析恒壓變頻無負壓供水系統性能，從供水性能品質優良，供水蓄水安全性高、可節約能源，供水系統可持續優化三個方面入手提出了三種新的二次供水方案以供參考。

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作者簡介：

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