智慧供水泵房設(shè)計及運行優(yōu)化

吳義軍 周 蜜 余 聰 崔新強 楊 旭

（深圳市安之聯(lián)置業(yè)有限公司，廣東 深圳 518001）

1 研究背景

隨著城市的發(fā)展，城市人口大幅增加，為滿足隨之而來的居住需求，城市中高層建筑不斷涌現(xiàn)。為適應(yīng)快速發(fā)展的城市系統(tǒng)，相應(yīng)的配套輔助設(shè)施也需要及時更新。城市的供水一般使用管道集中式供水，但在供水需求高的地方，為了滿足高層小區(qū)居民的生活用水需求，會加裝二次供水設(shè)施。二次供水泵房作為小區(qū)供水系統(tǒng)的重要組成部分，對小區(qū)的水資源管理和保障起著重要作用。從經(jīng)濟效益方面來講，住宅小區(qū)二次供水泵房的建設(shè)可以優(yōu)化小區(qū)的供水系統(tǒng)，減少水資源的浪費，降低小區(qū)的用水成本。通過智慧化管理，可以實現(xiàn)對泵房的實時監(jiān)測和控制，進一步提高供水系統(tǒng)的效率，降低運營成本。從實際效益方面來講，住宅小區(qū)二次供水泵房的建設(shè)可以保障居民的用水需求，提高供水的品質(zhì)和穩(wěn)定性。通過建設(shè)智慧化泵房，可以實現(xiàn)對水質(zhì)、水量等多個指標的實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，確保居民用水安全和健康。同時，智慧化管理還可以提高泵房的自動化程度，減少人工干預(yù)，提高運行的安全性和穩(wěn)定性。

城鎮(zhèn)居民的二次供水設(shè)施將集中供水管道里的水再次加壓和另行存儲，以滿足居民供水需求[1]。廣州市二次供水用戶占比60%以上，上海市二次供水占比50%以上。二次供水的需求提升，二次供水的產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。據(jù)資料顯示，2022年我國二次供水設(shè)備產(chǎn)量約18萬套，市場規(guī)模約達到380億元。目前，二次供水設(shè)施還存在許多需要解決的問題[2]，二次供水泵房發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)擁有了一套相對完善的運行體系，泵房規(guī)模相對較小，運行時產(chǎn)生的風(fēng)險也可控，維護難度也相對較小。但由于不同管理人員采取的管理措施不同，導(dǎo)致管理成本波動較大，需要維護管理人員根據(jù)運行狀況及時調(diào)整，以降低成本。建設(shè)缺陷或后期管理維護不當(dāng)會導(dǎo)致供水管道被污染[3]，二次供水設(shè)施在運行中會造成電力資源浪費現(xiàn)象[4]。同時由于城市發(fā)展，居民的供水需求增大，二次供水泵房面臨升級改造的問題，嚴重制約了二次供水設(shè)施的正常運營，必須采取有效措施解決當(dāng)前狀況[5]。通過現(xiàn)代計算機智能算法、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及可視化技術(shù)設(shè)計建設(shè)而成的智慧化標準泵房為解決上述問題提供了重要思路與方案[6]。

為了縮短二次供水設(shè)施的維護管理時間[7]，降低二次供水設(shè)施的故障率和維護成本，減少二次供水設(shè)施的電力資源消耗，城鎮(zhèn)智慧供水理念[8]逐漸被人們認可并推廣。智慧水務(wù)[9]的出現(xiàn)實現(xiàn)了節(jié)能減耗，保障了供水需求，提升了供水服務(wù)質(zhì)量。文章以深圳安聯(lián)尚璟府項目智慧泵房為研究對象，詳細介紹了智慧泵房的組成部分，分析了泵房的運行機制和智能管理措施，為智慧泵房的進一步推廣應(yīng)用提供了參考。

2 智慧泵房的組成要素

二次供水智慧泵房通過對用戶的感知、智能識別、供電保障、人機互動、水質(zhì)保障、能耗管理、降噪減震等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)視頻實時采集、存儲、傳輸、處理等功能。智慧泵房由供水設(shè)施、控制系統(tǒng)和相應(yīng)的管理系統(tǒng)組成。深圳安聯(lián)尚璟府項目智慧泵房平面圖如圖1所示。

圖1 深圳安聯(lián)尚璟府項目智慧泵房平面圖

2.1 供水設(shè)施

供水泵房的供水設(shè)施要有與監(jiān)控運行互相匹配的監(jiān)測儀表，同時預(yù)留流量、壓力、水質(zhì)、液位等儀表的安裝位置，方便供水泵房建設(shè)施工時的現(xiàn)場操作。泵房中預(yù)留監(jiān)控點位，覆蓋泵房中需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)。泵房里的供水泵組應(yīng)采用變頻調(diào)速供水泵組，可以根據(jù)用水需求峰谷工況使供水泵組一直運行在高效區(qū)間，節(jié)約電力資源。在水泵進出口水量和水壓力波動時，水泵應(yīng)自行調(diào)整，保持水泵運行在一個穩(wěn)定的工作區(qū)間。供水泵組各個水泵之間需要定時輪換運行且可以自動巡檢，水泵突發(fā)故障而不能正常運行時，備用水泵能夠立刻自動運行，保證供水的連續(xù)性。二次供水泵房還應(yīng)具有開源的數(shù)據(jù)傳輸接口，使用開放式的通信協(xié)議，使泵房里的相關(guān)數(shù)據(jù)可以高效傳輸管理。

2.2 控制系統(tǒng)

智慧泵房的控制系統(tǒng)要保持良好的穩(wěn)定性和魯棒性，使二次供水智慧泵房能夠安全持續(xù)運行?？刂葡到y(tǒng)需要具備遠程手動、自動運行和現(xiàn)場手動、自動運行以及現(xiàn)場工頻運行的功能，保障在各種突發(fā)緊急情況下控制系統(tǒng)能夠良好運行。二次供水智慧泵房應(yīng)安裝能夠檢測進出水壓力、水箱液位、水泵運行參數(shù)等數(shù)據(jù)的控制裝置，并在上述位置和市政供水管道入口處、二次供水泵房出口等重要部位安裝相應(yīng)的水位、流量和壓力傳感器，一旦出現(xiàn)水泵故障、進出水壓力異常、水箱液位異常以及其他各種故障，立即警報，通知維護管理人員迅速處理故障。控制系統(tǒng)還應(yīng)具有設(shè)備保護動作的功能，設(shè)備機組系統(tǒng)斷水時能夠自動停機，充水后自動開機，復(fù)電后自動啟動，保證供水系統(tǒng)在經(jīng)歷突發(fā)情況后能夠及時恢復(fù)正常運行。

2.3 管理系統(tǒng)

智慧泵房的管理系統(tǒng)是實現(xiàn)智慧泵房的關(guān)鍵。智慧泵房的管理系統(tǒng)應(yīng)具有智慧感知、智慧分析和展現(xiàn)的功能。智慧感知依賴安裝的傳感器和控制系統(tǒng)，傳感器的信息可以及時反饋給分析軟件，包括供水壓力、供水流量、水質(zhì)參數(shù)、水箱液位、能耗信息、運行狀態(tài)和相關(guān)設(shè)備信息等內(nèi)容。智慧泵房的管理系統(tǒng)需要有水力模型分析模塊，自動繪制管路特性曲線和水泵特性曲線，還應(yīng)具有水泵高效區(qū)分析、工作情況監(jiān)測和分析、成本評價、數(shù)據(jù)篩選等分析功能，可以用實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析和預(yù)測；智慧泵房的管理系統(tǒng)應(yīng)展現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、流量、電能、壓力、安防等內(nèi)容，同時也應(yīng)展示水質(zhì)、管路特性曲線、水力模型、水泵特性曲線和其他模型等，方便后期維護。

2.4 安全措施

智慧泵房的管理系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)具有保密功能和防止死機功能。可以通過設(shè)置密碼的方式進行管理，防止非專業(yè)人員由于失誤操作而造成損失。管理系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)均應(yīng)可以導(dǎo)出或復(fù)制備份，防止數(shù)據(jù)丟失，硬件或軟件需要具有防病毒和防攻擊的機制。智慧泵房里的電氣控制設(shè)備具有相應(yīng)的絕緣等級與防水等級，最好設(shè)置獨立的控制室與供水設(shè)施隔離，防止電路進水故障?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)具有防止電磁干擾功能和可靠的防雷擊功能，做好接地防護。智慧泵房也需要設(shè)置安防措施，如在泵房出入口、設(shè)備室、控制室安裝監(jiān)控報警系統(tǒng)，預(yù)防突發(fā)事故，保護生命財產(chǎn)安全。

3 智慧泵房的運行優(yōu)化

為了解決傳統(tǒng)供水泵房在功能運行方面存在的監(jiān)測弱、水質(zhì)保障不穩(wěn)定、供電不足、故障預(yù)警機制不健全等問題，需要采用智慧化手段對供水泵房進行運行優(yōu)化。

3.1 監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集運行優(yōu)化

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集成為智慧泵房運行優(yōu)化的重要手段。在傳統(tǒng)的泵房監(jiān)測中，人工巡查的方式存在諸多問題，如監(jiān)測頻率低、監(jiān)測精度低、監(jiān)測成本高等?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧泵房運用了各種傳感器、監(jiān)測設(shè)備等智能化手段，實現(xiàn)了對泵房運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，如在智慧泵房中，安裝水流量計、水壓傳感器和水質(zhì)傳感器等設(shè)備，可以實時監(jiān)測水流量、水壓和水質(zhì)，及時發(fā)現(xiàn)泵房中水流量、水壓、水質(zhì)的變化，提高了泵房監(jiān)測的精度和效率。同時，可以根據(jù)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)，及時調(diào)整泵房的水泵出水量、水泵開啟時間等，在水質(zhì)異常情況下，還可以及時采取措施，提高了供水的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

3.2 故障與維護管理運行優(yōu)化

在智慧泵房中，通過安裝設(shè)備運行狀態(tài)檢測傳感器實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，如電機轉(zhuǎn)速、溫度、電流等。通過數(shù)據(jù)分析和處理，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和異常情況，提前預(yù)警和處理，減少了設(shè)備停機時間和維護成本。還可以根據(jù)設(shè)備的實時運行狀態(tài)，進行智能化的設(shè)備調(diào)度和維護管理，提高設(shè)備的可靠性和運行效率。

智慧泵房通過監(jiān)測泵房各項參數(shù)，如水流量、水壓、水質(zhì)、設(shè)備運行狀態(tài)等，對數(shù)據(jù)進行分析和處理，建立故障預(yù)測模型，預(yù)測泵房可能出現(xiàn)的故障類型和故障時間。當(dāng)系統(tǒng)檢測到泵房出現(xiàn)故障預(yù)警信號時，可以及時通知工作人員進行檢修和維護，避免故障的擴大和影響供水。

在泵房的設(shè)備維護管理中，通常采用計劃性維護和預(yù)防性維護兩種方式。計劃性維護指根據(jù)設(shè)備的使用壽命或規(guī)定時間進行定期維護；預(yù)防性維護是通過實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，預(yù)測設(shè)備故障和磨損程度，提前進行維護保養(yǎng)，避免設(shè)備的意外故障和長時間停機。預(yù)測設(shè)備的磨損程度和維護周期，可以及時發(fā)出維護預(yù)警信號，啟動相應(yīng)的維護方案，以保障設(shè)備的正常運行。

3.3 能源與調(diào)度系統(tǒng)運行優(yōu)化

泵房是一個能源密集型的設(shè)施，消耗大量的電力和燃料。智慧泵房通過對泵房的能源消耗進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，可以建立能源消耗模型，分析和識別能源消耗的主要因素和影響因素，制定相應(yīng)的能源管理策略，如可以控制泵的啟動和停止時間，調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速和流量，減少泵的能耗。通過智慧泵房的能源管理，可以提高泵房的能源效率，降低能源成本和環(huán)境負擔(dān)。

智慧泵房中的智能化技術(shù)手段可以實現(xiàn)泵房的優(yōu)化調(diào)度，通過建立泵房的運行模型，預(yù)測泵房的供水需求和供水壓力，制定運行策略，如可以根據(jù)不同的供水需求，調(diào)整泵的運行速度和流量，保證泵房的供水安全和穩(wěn)定；根據(jù)不同的時間段和節(jié)假日等因素，調(diào)整泵房的運行時間和運行狀態(tài)，實現(xiàn)泵房的節(jié)能和降耗，提高泵房的運行效率和穩(wěn)定性，減少能源消耗和運行成本。

4 智慧泵房的智能管理

智能管理系統(tǒng)的組織架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能管理系統(tǒng)的組織架構(gòu)

4.1 遠程監(jiān)控與自動化控制

智慧泵房的遠程監(jiān)控和自動化控制是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑自動化中的重要應(yīng)用。遠程監(jiān)控使建筑管理人員能夠使用基于網(wǎng)絡(luò)的門戶或移動應(yīng)用程序，從任何地方訪問關(guān)于泵房狀態(tài)的實時信息。通過遠程監(jiān)控泵房，樓宇管理人員可以減少現(xiàn)場維護和維修的需求。自動化控制是智慧泵房的另一個關(guān)鍵特征，通過自動調(diào)整泵速、閥門位置和流速優(yōu)化泵房的性能，以匹配建筑中的用水需求。系統(tǒng)使用算法和實時數(shù)據(jù)進行調(diào)整，有助于降低能耗，提高效率，延長泵和其他設(shè)備的壽命。

4.2 數(shù)據(jù)分析與決策支持

數(shù)據(jù)收集和分析：智慧泵房配有傳感器和其他設(shè)備，可以生成大量關(guān)于泵、閥門和管道性能的數(shù)據(jù)，應(yīng)實時收集和分析數(shù)據(jù)，以識別問題并優(yōu)化泵房的性能。

分析工具：樓宇管理人員需要高級分析工具分析智慧泵房生成的數(shù)據(jù)，識別數(shù)據(jù)中的趨勢和模式。

預(yù)測性維護：分析工具可以用于預(yù)測泵房設(shè)備需要維護的時間，有助于減少意外設(shè)備故障導(dǎo)致的停機時間，降低維護成本。

決策支持：數(shù)據(jù)分析可以為建筑管理人員提供所需的信息，決策支持工具可以幫助確定泵和閥的最佳設(shè)置，提供提高系統(tǒng)效率的建議。

4.3 集成管理與人機交互

智慧泵房的集成管理和人機交互能夠優(yōu)化系統(tǒng)的性能，確保其滿足建筑物居住者的需求。智慧泵房應(yīng)通過中央控制站進行集中控制，為建筑管理人員提供有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)的實時信息。集中控制使樓宇管理人員能夠快速輕松地識別和排除系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的問題。人機交互使建筑管理人員可以使用平板電腦、智能手機和筆記本電腦等各種設(shè)備與系統(tǒng)進行交互，能夠遠程控制系統(tǒng)，監(jiān)控其狀態(tài)。智慧泵房配備警報和通知，允許建筑物管理者設(shè)置閾值和警報級別，提醒建筑管理系統(tǒng)中的任何問題或異常情況。

5 結(jié)語

文章介紹了智慧泵房的基本組成，分析了智慧泵房運行中的缺陷并提出了相對應(yīng)的優(yōu)化措施，探討了實現(xiàn)智慧泵房智能管理的方法。通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能計算機算法相融合，實現(xiàn)了傳統(tǒng)泵房的數(shù)據(jù)的自動化采集、分析展示和處理，保證泵房的安全持續(xù)運行，降低日常維護成本，節(jié)約了能源，提升了經(jīng)濟效益，為智慧城市的發(fā)展提供了支撐。