管網疊壓供水水頭影響及節能框算

張敏， 胡詩苑， 高金良

（1.東營市東營區住房和城鄉建設局，山東 東營 257100；2.哈爾濱工業大學環境學院，哈爾濱 150090）

0 引言

2013年王世功等［1］便提出對市政管網疊壓供水節能開展實驗研究，隨著經濟的高速發展，城市規模的擴大，市政供水水壓不能滿足高層的用水需求，二次供水的技術的研究顯得尤為突出。2017年宋玲等［2］人對管網疊壓供水能耗分析并提出節能措施。陳晨［3］在多水源優化調度角度通過基于PDD的水力模型指導節能及分區。疊壓供水將增壓設備直接與市政管網相連，在管網壓力的基礎上進行增壓供水，市政管網出流不再為傳統水箱供水方式的液位閥控制，二次加壓水泵的靜揚程也發生變化，取決于管網水壓和用戶用水水壓需求。市政管網的流量、水壓、管道直徑等水力參數及周邊用戶的用水情況都會對疊壓供水系統產生影響，同時由于取消水箱，疊壓系統的流量變化也會對周邊用戶用水產生影響。文中針對疊壓系統對其自身可利用余壓及其對周邊用戶的影響進行分析，同時對疊壓供水系統與傳統“水箱+變頻泵”聯合供水系統能耗進行了分析，以便推廣疊壓系統的使用。

1 傳統水箱變頻泵聯合供水與疊壓供水比較

水箱與變頻泵聯合供水及疊壓供水為現有高層建筑二次供水中比較成熟的兩種方式。水箱與變頻泵聯合供水系統中，市政管網中的水進入水箱，再由變頻泵供給到用戶，水箱能起到一定的調節作用，并能夠貯備一定的水量；而疊壓供水直接從市政供水管網中取水，供給到用戶，減少水箱，能夠充分利用管網余壓［4，5］。二者優缺點如下表1所示。

表1 水箱與變頻泵聯合供水及疊壓供水系統優缺點

2 疊壓設備在管網中的位置的影響

傳統水箱與變頻泵聯合供水系統由于水箱的存在，具有一定的調蓄削峰作用，小區節點流量相對比較穩定，而疊壓供水不具備調蓄能力，其需水量取決于用戶用水，存在峰平谷的水量波動，會造成管網中流量及水力條件的變化［6］。文中探究管網中不同位置小區由傳統水箱變頻泵聯合供水改造為疊壓供水方式的管網余壓變化及其對供水管網周圍用戶的影響。

假設管網中存在遠中近三個小區，小區A、小區B和小區C。假定水廠水壓恒定，分別對小區A、小區B和小區C進行疊壓供水改造。由于傳統的水箱能夠儲蓄一定的水量，具有調蓄作用，其需水量相對穩定，假設三個小區采用水箱變頻泵聯合供水時，流量分別為QA、QB、QC。而改為疊壓供水后，其需水量波動較大，假定三個小區相對于水箱變頻泵聯合供水時變化的用水量分別為QA'、QB'、QC'。在不考慮水箱與變頻泵和疊壓供水附件局部水頭損失影響的情況下，對管道的阻力系數S進行假設，如圖1所示。

圖1 算例管網示意圖

2.1 水箱變頻泵聯合供水水頭損失。

當小區A、B、C均采用傳統水箱與變頻泵用水時，從水廠至小區A、B、C的水頭損失分別為：

從水廠至小區A的水頭損失。

從水廠至小區B的水頭損失：

從水廠至小區C的水頭損失：

2.2 疊壓改造后水頭損失

疊壓供水的情況下，需水量取決于用水流量，分別對小區A、B、C進行疊壓供水改造，其由于疊壓供水分別造成流量的變化分別為QA'、QB'、QC'，以探究在供水管網不同位置處進行疊壓改造的水頭損失，以確定疊壓供水用戶可利用余壓。

在小區A進行疊壓供水時，從水廠至3個小區的水頭損失分別為：

小區A：

小區B：

小區C：

在小區B進行疊壓供水時，從水廠至三個小區的水頭損失分別為：

小區A：

小區B：

小區C：

在小區C進行疊壓供水時，從水廠至3個小區的水頭損失分別為：

小區A：

小區B：

小區C：

通過分析可知，距離水廠越近的用戶，在用水高峰時可利用余壓越大，且可利用余壓波動越小；距離水廠越遠的用戶，在用水高峰時可利用余壓越小，且可利用余壓波動越大，應匹配特性曲線較陡且高效區揚程范圍較大的水泵。

2.3 疊壓供水改造相比于傳統水箱變頻泵聯合供水水頭損失差值

為探究疊壓供水對相比于水箱供水，對周圍用戶的影響，故計算相對于傳統水箱變頻泵聯合供水時，各個小區水頭損失差值為：

小區A進行疊壓改造時各小區水頭損失差值：

小區B進行疊壓改造時各小區水頭損失差值：

小區C進行疊壓改造時各小區水頭損失差值：

由計算可知，疊壓用戶與水廠的距離影響會對周圍用戶用水水壓產生影響。由ΔhB1=ΔhC1可知，疊壓用戶靠近水廠時，對于后續用戶水頭的影響相同，在用水高峰時，均會造成用戶水頭的降低。同時，由ΔhA3＞ΔhB3可知，疊壓用戶遠離水廠時，距離水廠越近的用戶受到疊壓用水用戶的影響越小。

3 疊壓設備節能分析

在疊壓設備中，采用最多的為離心泵。根據泵的性能理論，離心泵在某段時間內電耗公式如下所示。

式中，W為水泵運行的電耗，kW·h；γ為水的密度，kg/m3；η1為水泵效率；η2為電機效率；t為時間段長，h。

在水泵運行過程中，影響能耗的主要因素包括供水量Q，供水揚程H，水泵運行時間t及水泵與電機的效率，簡化計算時，η1、η2可取70%。而“水箱+變頻泵”與變頻疊壓的區別主要在于變頻疊壓能利用市政供水管網余壓，供水揚程相對于“水箱+變頻泵”較小，同一小區使用變頻疊壓和“水箱+變頻泵”的能耗。

（1） 水箱+變頻泵日電耗。

式中，W變為“水箱+變頻泵”運行1d電耗，kW·h；Qht為第t個小時內用戶用水量，m3/s；Qd為用戶最高日用水量，m3/d；P出為水泵出口設定壓力；HD為變頻調速泵供水時，貯水池內滿水水位與水泵中心的高程差，m。

（2） 疊壓供水電耗。

式中，W疊為疊壓設備運行一天電耗，kW·h；Qht為第t個小時內用戶用水量，m3/s；P出為水泵出口設定壓力；H市進為市政進水管余壓，m。Hc為變頻調速泵供水時，市政進水管與水泵中心的高程差。

式中，ΔW為水箱加變頻能耗與疊壓供水能耗差值，即可表達疊壓供水節能的多少。

4 應用展望

在后續工程應用中，可根據用戶與水廠距離判斷選擇供水方式及水泵的選型。

在二次供水中，主導因素受高差影響較大，疊壓供水是否采用高位水箱及水泵工作情況分析，可作為后續研究開展。

5 結語

疊壓用戶與水廠的距離影響周圍用戶用水水壓，及疊壓用戶可利用余壓。疊壓用戶靠近水廠時，對于后續用戶水頭的影響相同，同時疊壓用戶遠離水廠時，距離水廠越近的用戶受到疊壓用水用戶的影響越小。距離水廠越遠，疊壓用戶用水波動影響越大。

通過“水箱+變頻泵”與變頻疊壓的能耗分析，期區別主要在于變頻疊壓能利用市政供水管網余壓，供水揚程相對于“水箱+變頻泵”較小。

疊壓供水節能與用戶流量有關及市政進水水壓有關，且恒大于H市進minQd/179.33。