建筑給水二次增壓系統節能設計

周 駿

（甘肅宏圖建筑設計有限公司，甘肅 蘭州 730000）

從目前情況來看，建筑的給水主要包括“串聯供水”“并聯供水”等方式，其中串聯供水方式主要是在建筑的各個分區分別設置水泵，從市政供水管網抽水加壓之后提供給相應分區進行應用。雖然此種供水方式投入的費用較少、管道設置簡單、能源消耗較少，但是由于采取的是分散式泵房且存在較大運行噪聲，所以會對居民造成一定影響；并聯供水方式就是在建筑的底層或者地下室等設置獨立的水泵，能夠對不同分區單獨供水。此種供水方式能夠對每個分區單獨供水，具有較高的穩定性，同時由于采取的是集中布置方式，更便于對其進行管理。但是缺點在于水泵供水高壓管線較長，整體費用相對較高?？偟膩碚f，無論采取何種供水方式，都要按照工程實際情況設計出最為合適的節能供水系統，實現能源節約。

1 案例基本情況概述

某建筑工程總體建筑面積為3 885.35 m2，共有29 層，地下1 層，地上28 層。其中地上1 層為商戶，2~28 層為普通住宅。該建筑的給水系統主要包括：生活給水系統、消防栓給水系統、污廢水系統、雨水系統、噴淋滅火系統等等。其中生活給水系統主要采取市政供水，但是通過統計可知此建筑的最高日用水量超過71 m3/d，市政供水壓力以及供水量無法有效滿足住宅用水的需要。所以為了保證業主正常用水，需要進一步詳細計算供水能耗，并且進行給水系統的二次增壓設計。

2 建筑給水常見供水方式

2.1 建筑給水方式分析

總的來說，建筑給水二次增壓主要采取如下幾種方式進行供水：

（1）“水池-水泵-高位水箱-用水點”的方式。此種方式主要為集中性供水，此種方式更多主要應用在單幢次高層、高層建筑等類型建筑，此種方式需要在建筑下設計水池，之后利用水泵將水抽送到高位水箱，再通過高位水箱將水傳送到不同用水點。

（2）“水池-水泵-管網系統-用水點”的方式。此種方式主要為集中性供水，此種供水方式更多應用在建筑一、二層為商戶群房、裙房之上設計多幢住宅建筑的形式。此種方式也要在建筑地下設置生活水池，但無需設置屋頂水箱，通過集中恒壓變頻的方式進行供水。一般要設置3 臺主水泵，采取“二開一備”的方式，采取小流量泵作為付泵，在用水量較小的情況下可自動切換到付泵運行，以此來確保整個系統的壓力穩定。

（3）“單元水箱-單元增壓泵-單元高位水箱-各單位無水點”的方式。此種方式主要采取的是單元總水表進水的方式，主要采取單元增壓器（單元水箱和單元增壓泵融為整體）進行作用，隨著技術水平的進步，單元增壓器也在隨著進步，能夠擴大此種供水方式的應用范圍。

2.2 給水方式對比分析

（1）“水池-水泵-管網系統-用水點”的方式從技術方面來看，恒壓變頻的供水方式是較為先進的，通過恒壓變頻的供水可以確保出水壓力的恒定，可以按照用水量的具體情況控制頻率，能夠大大節省電能，減緩對于電網造成的沖擊，進一步延長水泵的使用壽命。此種方式也可以按照使用時間控制水泵的運行階段，能夠確保各臺水泵均衡應用，從而保證每一臺水泵壽命的均衡性，若是某一臺水泵出現故障，系統就會自動跳過故障泵運行。此種方式的總體投資相對較少，其中硬件成本費用約13 萬元/套，同時只要投入變頻供水設備的費用以及地下蓄水池的費用即可，無需在屋頂設置水箱，不但費用較低，同時也可以降低水箱污染。

但是此種方式在具體應用時也存在一定問題，會影響應用的效果。一方面，由于采取的是集中供水方式，所以計量地下水入水量的水表歸屬自來水公司，在費用收取時只是按照總水表讀數來進行，表內管網情況并沒有人關心。但是管網內部往往存在著跑冒滴漏等情況，必然會造成每個單元分表度數和地下水池總水表存在誤差，對于每一個分戶來說誤差會更大，此種誤差由誰承擔是需要研究的，住戶并不愿承擔此費用，所以造成水電費收取比較困難。即使由開發公司承擔此部分費用，短期內可行，長期很難持續下去，整體費用是無法估算的；另一方面，雖然此種給水方式可以采取自動化的方式來運行，并不用人工過多干預，但是還存在一定缺陷，包括：在進行水泵切換的短時間內水泵的供水壓力比較低，無法正常供水。尤其是系統自動判定存在故障需要跳過故障泵運行時消耗的時間更長，此階段無法正常供水。另外，隨著使用時間的延長，受到潮濕環境的影響，運行中的很多設備會發生老化，同時水管路中的止回閥等也無法正常工作，其對于故障的應對時間也相對較長，最終影響到頂層住戶的用水體驗。由于壓力的下降其無法正常用水，若是想啟動備用泵則會增大壓力，因此對于頂層住戶來說用水體驗非常差。除了上述內容外，集中供水另一主要問題在于若是供水系統出現問題，整個區域的住戶都無法正常用水，并且因為通過變頻控制水泵的運行狀態，一旦控制系統出現故障很難通過一般工人進行處理，一定要通過專業人員進行處理，容易因為設備維護不及時而無法供水。

（2）“水池-水泵-高位水箱-用水點”的方式屬于相對成熟的供水方式，控制系統相對簡單，即使發生故障也可以快速維修，并且費用相對較低。同時，由于設置了高位水箱能夠有效避免因為停電而造成的停水，可靠性更高。但是此種方式也面臨著單幢次高層建筑收繳水電費困難的情況。

（3）“單元水箱-單元增壓泵-單元高位水箱-各單位無水點”的方式是在融合了以上兩種方式的基礎上形成的，此種方式的前期投入相對較大，主要費用包括：每個單元都要設增壓器（約1 萬元／臺），增加單元屋頂水箱（約1500 元／只），增加進水總表安裝費（約4000 元／只），單元泵電表安裝費（約4000 元／只），還有各單元小水泵房土建費用等，總費用比上兩種方式增加一、二十萬元，但是能夠有效提升管理效果。一方面相關水電費用每個單元之間不存在交叉，若是水泵發生故障不會影響大面積住戶。另一方面，因為在屋頂設置了水箱，可以在高水位停泵、低水位啟泵，不但能夠有效節約水泵運行的電費，同時能夠延長水泵的運行壽命，整體效益要高于前兩種。但是此種設備一旦出現故障需要維修是比較麻煩的，因此重點在于選取高質量的單元供水設備。

3 建筑給水二次增壓系統設計

3.1 日供水能耗計算

在對每個分區供水能耗進行計算時可以采取24 h用水量變化曲線逐時疊加的方式來進行，根據實際情況可以設定間隔時間為1 h，那么可以通過如下公式表示日供水能耗情況：

其中γ 表示水容重，單位為kg/m3；Hi表示供水系統總水頭，單位為m；Qi 表示供水流量，單位為m3/s。不同的供水方式在能耗方面有所區別，對于串聯的供水方式來說，水泵揚程以及能耗都是穩定不變的，其具體可以用如下公式進行表示：其中表示平均供水量。但是對于采取變頻方式控制的并聯供水方式來說，隨著水流量的變化，水泵的出力特性以及管道特性都會發生改變，但是供水設備的壓力并沒有發生變化，此種方式的能耗可以用如下公式進行表示：

其中Hb表示供水設備出口壓力，單位為MPa。對于變頻供水方式來說，往往都是通過極限供水壓力作為要求，一旦流量出現改變就會引發水泵的轉速發生變化，從而造成其出力特性產生變化，供水系統工況滿足建筑供水的基本要求。

針對此工程來說，通過以上對比分析，最終要采取并聯供水變頻供水的方式，能夠滿足每個分區、每個時間段的用水需要。

第一，高峰期的供水節能。為了滿足用水高峰階段的用水要求，需要在額定水泵正常運行的同時啟動變頻水泵，根據該工程的實際情況（19~23 點用水高峰階段整個管網的流量設定為1.87 m3/s）設定增壓水泵出口壓力為0.846 MPa，高區水泵的實際壓力設定為0.73 MPa，其已經超出了系統對于壓力的要求（0.691 MPa），可以有效滿足此建筑每個分區的實際用水需要。

第二，最小流量用水計算。從以上內容統計分析能夠得知，該建筑區域最小流量用水階段主要集中在當日的23 點到次日的5 點，在確保供水條件穩定不變的基礎上，在變頻調速分區要根據額定流量（設定為4 m3/h）進行供水，若是特殊情況下供水流量要在4 m3/h 以上就可以將變頻泵啟動進行調速供水。這樣就能夠通過“額定泵+變頻泵”的方式根據時間、流量進行調整，在滿足供水要求的基礎上也能夠實現資源的節約，達到節能降耗的目的。

3.2 給水設備的選型

在對此建筑給水設計以及具體需求進行分析的基礎上，最終采用WDV 矢量變頻供水設備進行供水。通過實際應用計算分析可知，此變頻供水設備相對于其他變頻供水設備可以實現20%以上的節能效果，每一個分區變頻供水設備選型情況具體如表1 所示。對于此建筑工程來說，生活供水系統水泵主要是從地下二層的市政管網供水的生活水箱進行吸水，之后通過二次增壓之后將水輸送到每一個分區的橫干管當中，上行下給用戶進行供水。由于存在重力的影響，所以從上到下每一層的支管所受到的壓力會不斷增加，支管壓力大于0.35 MPa 的情況下就會觸動支管減壓閥進行工作，能夠減緩壓力的影響，更便于整個建筑的供水節能。為了保證此建筑總體供水的穩定性，可以通過額定功率的水泵實施供水，隨著供水流量的逐漸增加，水泵的功率也在快速上升，直到供水流量達到0.089 m3/s（此時水泵的功率保持在11 kW）情況下，供水壓力也保持在穩定狀態，此時電機的功率保持在7 kW 情況，具有非常顯著的節能效果。

表1 供水設備選型以及具體參數

3.3 節能率計算

通過對上述建筑給水二次增壓系統節能方案的分析，對于額定供水方式和按時間優化壓力控制方案的對比分析，能夠得到不同情況下供水泵功率的情況，具體如表2 所示。通過實際的計算分析可知，按時間段所實施的變壓供水方式具有更好的節能效果，能夠達到18%左右，不但可以充分滿足此建筑的實際供水需求，同時也可以大大節約能源，達到較好的應用效果。

表2 供水方案功率分析

4 結束語

對于現代建筑來說，給水系統是非常關鍵的組成部分，同時也是能耗較大的部分，特別是對于高層以及超高層建筑來說，往往需要通過二次增壓系統來滿足供水需要，對其進行節能設計是非常關鍵的。文章主要以某建筑為例闡述了給水二次增壓系統節能設計方面的內容，通過介紹能夠對建筑給水二次增壓系統節能設計提供一定參考和幫助，對于推動建筑發展具有現實意義。