高層住宅轉(zhuǎn)輸供水設計

摘 要：本文以某高層住宅小區(qū)為研究背景，采用流體力學計算軟件模擬了2種不同供水方式下的流量、揚程、功率和節(jié)能率，并分析了不同管網(wǎng)壓力下和增加小流量泵時供水系統(tǒng)的表現(xiàn)。結果表明，高區(qū)轉(zhuǎn)輸水箱+變頻恒壓供水系統(tǒng)能滿足用水需求，但耗能大，同等條件下，采用高區(qū)無負壓變頻恒壓供水系統(tǒng)更節(jié)能。管網(wǎng)余壓增加，揚程高度和節(jié)能功率降低，節(jié)能效率增加。用水低谷期間，使用小流量水泵在滿足需求的同時更節(jié)能。

關鍵詞：高層；住宅；供水設計

中圖分類號：TU 892" " " " " " " " 文獻標志碼：A

隨著城市化進程加快和人口快速增長，高層住宅在現(xiàn)代城市中具有重要作用。作為現(xiàn)代建筑工程的代表之一，高層住宅涉及眾多方面的技術挑戰(zhàn)，其中之一便是轉(zhuǎn)輸供水設計[1-3]。隨著建筑高度增加，水在垂直方向上的輸送難度加大，供水系統(tǒng)面臨更高的壓力和挑戰(zhàn)[4]。因此，在高層住宅的轉(zhuǎn)輸供水設計中，充分考慮建筑的高度和供水需求至關重要。本文以某住宅小區(qū)為研究背景，通過模擬軟件探究了不同供水系統(tǒng)的流量、揚程高度、功率和節(jié)能率的變化情況，突出了無負壓供水方式在優(yōu)化節(jié)能改造中的應用。

1 工程概況

本項目位于某地高層住宅小區(qū)，共15棟住宅，最高樓層為26層，高83m。該小區(qū)有7棟為一個單元，每一棟有17層；4棟為2個單元，每一棟有25層；剩下的4棟為一個單元，每一棟有26層。所有樓棟每單元均有3個住戶，該小區(qū)共1269戶。小區(qū)二層及以下由市政管網(wǎng)供水；3～10層由地下室I區(qū)恒壓變頻供水泵供水，供水設備的流量為92m3/h，水壓為1.13MPa，功率為44kW；11～18層由地下室II區(qū)恒壓變頻供水泵供水，供水設備的流量為92m3/h，水壓為0.82MPa，功率為30kW；19～26層由地下室I區(qū)、II區(qū)的恒壓變頻供水泵同時供水。

2 建模方法和模型參數(shù)

FLOWMASTER是一種功能強大的計算流體力學（CFD）軟件，專門用于供水系統(tǒng)的建模與分析。FLOWMASTER具有靈活的網(wǎng)格建模特點、多物理模擬的能力并支持多組件模型建模等一系列特點和相對于其他軟件的明顯優(yōu)勢，使其成為供水系統(tǒng)工程師的首選工具。它能夠準確模擬供水系統(tǒng)中各種關鍵組件，如管道、閥門、泵站和儲水池等，并能夠考慮它們之間的互動和水位/壓力變化。工程師可全面分析供水系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，優(yōu)化其運行參數(shù)和結構設計。本次模擬主要將壓力源元件、管道元件、離散損失元件、水泵元件、閥門元件、控制器元件和穩(wěn)流罐等元件分別用于模擬市政供水管網(wǎng)余壓、剛性圓管道、水頭損失、徑流泵、3種類型的閥門、水泵控制以及膨脹水箱。生活水箱的液面高1.5m，管網(wǎng)直徑為150mm，長600m，3臺水泵的楊程為113m，流量為46m3/h，模型時間為40s，穩(wěn)流罐的壓力取值為0.2MPa～0.6MPa，所有止水閥的開啟時間設定為1s。具體建模流程如下所示。

采用FLOWMASTER的幾何建模工具創(chuàng)建供水系統(tǒng)的幾何模型，包括管道、閥門和泵站等組件。可以通過繪圖界面或?qū)隒AD文件實現(xiàn)。設定供水系統(tǒng)的邊界條件，如入口流量、出口壓力和閥門開度等。這些參數(shù)將影響系統(tǒng)的運行狀態(tài)和水流特性。在模擬軟件中指定模擬的時間步長、求解器選項和其他相關參數(shù)。這些參數(shù)將影響模擬的準確性和計算效率。軟件將根據(jù)定義的幾何模型和邊界條件計算水流在系統(tǒng)中的行為和各組件的水位、壓力等參數(shù)的變化情況。

3 結果與討論

3.1 轉(zhuǎn)輸水箱+變頻恒壓供水系統(tǒng)

轉(zhuǎn)輸水箱+變頻恒壓供水系統(tǒng)的模擬結果如圖1所示。由圖1可知，隨著流量增加，揚程高度從120m逐漸降至110m，兩者間呈負相關但非線性。在模擬的40s時間內(nèi)，前10s水泵流量基本為0，在10s～20s快速增加并趨于穩(wěn)定，最終為0.0128m3/s。其揚程在前10s快速增至最大值，經(jīng)歷一段時間波動后，22s時穩(wěn)定在108m。在模擬過程中，變頻水泵的轉(zhuǎn)速隨時間逐漸增大，22s時達2900r/min，并保持穩(wěn)定，此時功率為21.8kW。在水泵運行過程中，13s以后水泵的效率降至50%以下。由此可知，采用該系統(tǒng)進行供水時，應注意以下5個方面。1）根據(jù)高層住宅的層數(shù)和住戶數(shù)量確定適當?shù)乃淙萘浚淇筛鶕?jù)空間限制選擇垂直或水平布置，并考慮合理的布置位置，如頂部樓層、底部樓層或中部樓層，確保穩(wěn)定的供水壓力和均勻的水分布。2）采用變頻控制技術的恒壓供水系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶需求自動調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)穩(wěn)定的供水壓力，根據(jù)設計需求確定供水系統(tǒng)的最佳變頻控制策略，如壓力傳感器反饋控制或流量反饋控制，以滿足不同用戶用水量的變化。3）設計供水管道網(wǎng)絡時，需要合理配置主管道、分支管道和支管道，保證足夠的水流量和穩(wěn)定的供水壓力。4）對于高層建筑，水錘效應可能會對供水系統(tǒng)造成沖擊和損壞，在轉(zhuǎn)輸供水系統(tǒng)設計中應考慮合適的防水錘設計，如設置減壓閥、泄壓裝置和水錘消除器等措施，以減少水錘效應對系統(tǒng)的不利影響。5）在高層住宅供水系統(tǒng)設計中，備用水泵和備用水箱的配置比較重要。備用設備能夠在主設備維修或故障情況下持續(xù)供水，確保居民日常生活不受影響。

3.2 高區(qū)無負壓變頻恒壓供水系統(tǒng)

高區(qū)無負壓變頻恒壓供水系統(tǒng)的模擬結果如圖2所示。由圖2可知，在模擬的40s時間內(nèi)，前13s水泵流量基本為0，在13s～25s快速增加并趨于穩(wěn)定，最終為0.0122m3/s。其揚程在前13s快速增至最大值，經(jīng)歷一段時間波動后，25s時穩(wěn)定在81m。在模擬過程中，變頻水泵的轉(zhuǎn)速隨時間逐漸增大，25s時達2900r/min，并保持穩(wěn)定，此時功率為14.8kW。在水泵運行過程中，16s以后水泵的效率降至50%以下。與圖1相比，高區(qū)無負壓變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能率為32%，采用無負壓變頻恒壓供水系統(tǒng)比轉(zhuǎn)輸水箱+變頻恒壓供水系統(tǒng)更節(jié)能。

3.3 市政供水管網(wǎng)余壓對供水系統(tǒng)的影響

市政供水管網(wǎng)余壓對供水系統(tǒng)的影響如圖3所示。由圖3可知，管網(wǎng)余壓為0.2MPa、0.35MPa和0.38MPa下的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)出在前5s快速增加，5s～22s緩慢增加，22s以后趨于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速維持在2900r/min附近。管網(wǎng)余壓為0.35MPa時，流量穩(wěn)定為0.0128m3/s，揚程穩(wěn)定為80m；管網(wǎng)余壓為0.38MPa時，流量穩(wěn)定在0.013m3/s，揚程穩(wěn)定為77m；管網(wǎng)余壓為0.2MPa時，流量穩(wěn)定在0.011m3/s，無法滿足高峰時期的用水需求。隨著余壓增加，揚程高度降低，功率降低，節(jié)能效率增加。市政供水管網(wǎng)的余壓越大，即供水系統(tǒng)的供水壓力越高，可以降低水泵的揚程要求。水泵在供水過程中需要克服管道阻力和高差，其揚程與供水壓力有直接關系。當供水壓力較高時，水泵只需要提供較小的揚程，就能夠輕松地將水送達目標地點，因此揚程較小。另外，當供水壓力較高時，水泵所需功率較小。水泵的功率、流量與揚程有關。供水壓力較高時，相同流量的水泵所需揚程較小，所需功率也較小。供水壓力的增加降低了水泵克服管道阻力、水泵的工作負荷和能耗。

3.4 增加小流量泵對供水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的影響

節(jié)能優(yōu)化比較如圖4所示。增加小流量泵對供水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的影響結果表明，在第23s，系統(tǒng)流量穩(wěn)定在0.0032m3/s，揚程穩(wěn)定在78m。通過系統(tǒng)計算可知16s時效率降至50%，節(jié)能率為55%，用水低谷期間供水需求相對較低，使用小流量水泵可以更好地匹配負載，即以更適當?shù)牧髁縼頋M足較低的供水需求，避免使用過大的水泵造成能源浪費。而且小流量水泵在設計上更適合低負載運行，其設計工況更接近用水低谷期的實際需求。相比下，普通的變頻供水水泵可能在用水低谷期過于強勁，其效率反而較低。小流量水泵能夠更有效地提供所需流量，實現(xiàn)更高能效。此外，普通的變頻供水水泵在用水低谷期可能需要頻繁啟停，該啟停過程會消耗較多能源。而小流量水泵的流量需求較低，運行相對穩(wěn)定，可避免頻繁啟停帶來的不必要的能量損耗。此外，小流量水泵在用水低谷期間通常處于較小的負荷狀態(tài)，流量較小。由于較小的流量會降低水泵槽和導葉等內(nèi)部部件的摩擦阻力，避免泵的沉積物、磨損和泵效降低等問題，因此能提高水泵的工作效率和壽命。

4 結論

本文以某住宅小區(qū)為研究背景，通過流體力學軟件進行仿真模擬，研究了高層住宅中傳輸供水中不同供水系統(tǒng)對其產(chǎn)生的影響和不同供水方式的節(jié)能率，得出以下4個主要結論。1）隨著流量的增加，高區(qū)轉(zhuǎn)輸水箱+變頻恒壓供水系統(tǒng)的揚程高度從120m逐漸降至110m，兩者間呈負相關但非線性，該供水系統(tǒng)能滿足用水需求，但耗能大。2）高區(qū)無負壓變頻恒壓供水系統(tǒng)的流量穩(wěn)定在0.0122m3/s，25s時其揚程穩(wěn)定在81m，節(jié)能率為32%。3）管網(wǎng)余壓越大，揚程高度和節(jié)能功率越低，節(jié)能效率越高。4）使用小流量泵揚程穩(wěn)定在78m。通過系統(tǒng)計算可知，16s時效率降至50%，節(jié)能率為55%，用水低谷期間使用小流量水泵，可在滿足需求的同時更節(jié)能。

參考文獻

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