變頻給水的節能原理及相關參數選取原則分析

肖 悅 何 飛 陳心鳳

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引言

建筑給水系統的節能設計作為目前國家衡量高層建筑工程設計質量的關鍵指標，其在設計的過程中，進行分區節能設計，能夠取得良好的設計節能效果，且能有效減少設計周期。此外，在實際的設計過程中，合理化的進行給水系統的能量利用率的設計，同時根據給水系統設計周期，通過合理設計來減少無效耗能，減緩高層建筑設計過程中資源緊缺現象，不斷提升人們的環保意識。

1 高層建筑給水系統設計特點分析

從我國城市市政用水供水總量可看出，居民住宅的生活用水占據城市總用水量的很大比例，且居民用水差額主要與市政管網設計、建筑內部的管網設計及用水設備的采購等方面因素有關，相比普通的建筑形式而言，高層建筑給水系統設計過程中存在如下特點。

高層建筑的給水管線較長，且給水系統的壓力較大，為有效的將水輸送到更高的樓層，需要確保供水系統中水壓的穩定性，同時應結合給水能力，確保給水系統管線中的水封不會遭到破壞。此外在供水管道上，應采用機械強度較高的管道材料，確保供水系統的穩定性。

由于輸水管道較長，且水壓較大，因此如何有效的控制和減少供水管道系統中的輸水噪聲，成為當前研究的重要內容；由于高層建筑中用水需求用戶多，在實際應用及操作過程中，如果排水系統發生堵塞，那么會使整個系統癱瘓，給用戶造成用水不便。此外在進行相應的供水系統設計過程中，應采用相應的豎向分區設計，以有效的減弱靜水壓力。

2 高層建筑給水系統能耗分析

2.1 能耗構成

首先是各樓層在最不利狀態下配水點所能達到的正常出流必須的最低能耗(N1)，整個過程中主要的影響因素為：各個樓層配水支管的位置高差Zi及最不利配水點的流出水頭H0；還有各樓層流量克服沿線和局部的阻力損失所消耗的能量(N2)，其主要與沿線和局部的水頭損失之和∑hi有關，同時結合流體力學理論及能量平衡關系，計算出∑hi的值。此外，各樓層中的流量剩余水壓所消耗的能量值(N3)，主要與配水點的剩余水頭ΔHi有關。

2.2 高層建筑給水系統能耗分析

有關高層建筑給水系統中的能耗值N1，N2，N3的含義及其影響因素等如表1所示。

從表1可以看出，由于N3所反映的節能能耗的關聯性較大，因此其耗能的空間及應用程度較大，因此在超出的配水點正常的出流過程及剩余水壓的節能效果是多余的，在與流體力學的水壓和水量的分析中，可以看出剩余水壓能夠有效的結合供水流量的關系，使得剩余水量以噴濺的形式出流，這樣不僅造成了水量的浪費，同時給供水系統的檢修帶來了較大的困難，由于不能正常的進行出水分配，會造成配水點非正常性的出流或者不能出流。因此在整個的供水系統中有效的減小剩余水頭，是實現節約水量、節能降耗等的有效途徑。

表1 高層建筑給水系統能耗構成與分析

3 高層建筑給水系統節能措施分析

3.1 分區給水

從圖1高層建筑分區給水系統的能耗構成上進行分析，剩余水頭所占的能耗比例是最大的，而剩余水頭的大小主要是由對應的需求供水的高度及相應的水頭損失決定的，且在整個的應用過程中，應結合實際的最高樓層的層數和高度，進行高度差的計算，如果高度差減小，那么相應的分區給水的壓力也會逐漸的減小。因此在實現相應剩余水壓的過程中，能夠達到節省給水能耗的目的。如圖1所示，對于低于5層樓的剩余水頭均減少的情況下，應充分的結合現有的低于5層的分區給水總揚程進行相應分析，給水總揚程為H′。

3.2 選取合適的分區方式

主要的分區方式可以分為并聯、串聯和減壓分區，不同的分區方式其供水效率及供水需求是不同的，使用不同的分區方式產生的能耗也是不同的，為了盡可能的減小給水分壓產生的剩余水頭，本文對并聯、串聯和減壓分區這三種給水方式進行分析如下。

3.2.1并聯分區給水方式

并聯分區給水方式主要分為水泵并聯和高位水箱并聯給水，水泵并聯主要是對水泵的位置設置進行設計，需要設置在相應建筑的底部，在實際的工程應用中，常常用到的是變頻泵并聯給水系統，且在實際應用過程中，需要進行底部水泵位置的設計；此外，高位水箱的設計主要以各分區上部結構應用為主，對使用面積和相應的建筑結構負荷進行分析，其增加了相應的使用面積，因此也增加了建筑負荷和經濟投入。

從整個的公式分析看，當m值逐步增大，節能量也會不斷的增大，在實際應用過程中，節能量的逐步增大會影響到總能耗的變化，因此可得出如下結論：分區越多對于節能的效果越加明顯。

因此在實際的工程應用的過程中，應找出給水分區與經濟之間的平衡點，進而找到最佳的分區區域。

3.2.2串聯分區給水方式

在串聯式的分區給水方式應用過程中，以實際的分區中的水泵設置及水箱的位置設計為依據，上區的水泵在應用的過程中往往需要結合下區的水箱中的抽水進行分析。根據實際計算結果分析得出，在串聯給水和并聯給水的過程中，節能效果是相同的，針對串聯供水方式，其在應用過程中可保持在高區工作，且能耗較少，同時給水設備對于建筑面積的占用率相對較低，但由于整體性建筑負荷的作用，會使整體建筑增加結構負荷，進而增加了成本。

3.2.3減壓分區給水方式

減壓分區給水需要對水泵的位置進行設計，原則上是設計在建筑的底部，結合水泵將用水進行提升，至屋頂的水箱，此過程中的減壓設置依次進行，且在應用的過程中，整個減壓方式并不節能，原因主要為：實際的剩余水壓結構及對應的能耗減壓裝置相關聯，水泵在使用過程中的能耗并沒有降低。

因此在實際工程設計中，為達到最佳的節能效果，應合理分區，同時結合以上三種給水方式進行分析，得出節能效果中最好的方式為并聯分區給水方式。

4 結語

在高層供水系統方式的選擇中，應合理分析各給水方式的優缺點，目前，水泵并聯方式給水節能效果較好且工程應用最多，變頻給水技術雖然具有節能的效果，但是在實際的工程應用中，仍需考慮水泵合理選型及系統控制及運行等因素，并應根據具體工程具體分析。