給水排水 |二次供水節(jié)能研究及直飲水供水相關(guān)思考

導(dǎo) 讀

中國質(zhì)量認(rèn)證中心（china quality certification centre，cqc）于2015年6月推出《二次供水設(shè)備節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》（cqc 3153-2015）對二次供水設(shè)備進(jìn)行節(jié)能認(rèn)證，技術(shù)規(guī)范中規(guī)定當(dāng)采用2泵設(shè)備（1用1備），流量大于15 m3/h的供水工況下（實際工程中最常見），設(shè)備節(jié)能指標(biāo)應(yīng)為單位供水能耗≤880 kw·h/（km3·mpa），基于此，對比了在二次供水改造項目中采用變頻供水與新型密閉可伸縮蓄水容器供水（簡稱工頻供水）兩種不同模式下的供水能耗，發(fā)現(xiàn)變頻供水單位能耗是3 180 kw·h/（km3·mpa），而工頻供水單位能耗僅為660 kw·h/（km3·mpa），相對節(jié)能79.2%。通過對比實測運行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)工頻供水在運行過程中單位供水能耗與用水量的多少并不相關(guān)，而采用變頻供水模式單位供水能耗與用水量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。采用變頻供水模式下白天與夜間的耗電總量基本相同，均為25 kw·h左右，與用水量無關(guān)。對于直飲水供水，循環(huán)流量是保證分質(zhì)供水水質(zhì)的關(guān)鍵因素，循環(huán)流量的大小與能耗不相關(guān)對直飲水推廣有指導(dǎo)性。

關(guān)鍵詞: 二次供水;節(jié)能認(rèn)證; 單位能耗; 管道直飲水系統(tǒng); 分質(zhì)供水; 全循環(huán)

引用本文：王偉博，石景東，孫文俊. 二次供水節(jié)能研究及直飲水供水相關(guān)思考［j］. 給水排水，2022，48（4）：86-92.

1 二次供水

1.1 二次供水的方式及發(fā)展

在我國相關(guān)法律中對二次供水的表達(dá)稍有不同但意義相近，《城市供水水質(zhì)管理規(guī)定》中定義：“二次供水是指單位或者個人使用儲存、加壓等設(shè)施，將城市公共供水或者自建設(shè)施供水經(jīng)儲存、加壓后再供用戶的形式?！薄抖喂┧こ碳夹g(shù)規(guī)程》（cjj 140—2010）中定義：“當(dāng)民用與工業(yè)建筑生活飲用水對水壓、水量的要求超過城鎮(zhèn)公共供水或自建設(shè)施供水管網(wǎng)能力時，通過儲存、加壓等設(shè)施經(jīng)管道供給用戶或自用的供水方式?！?二次供水的發(fā)展經(jīng)歷了四個發(fā)展階段，分別為以水塔供水、樓頂水箱供水為主要特征的傳統(tǒng)二次供水，變頻恒壓供水，無負(fù)壓供水，以及本文所采用的密閉可伸縮式蓄水容器二次供水方式，表1列出了上述二次供水方式的特點及優(yōu)缺點。

表1 二次供水的方式、特點及優(yōu)缺點

1.2 二次供水單位能耗因素分析

二次供水單位供水能耗指二次供水設(shè)備將1  m3生活用水提升100 m所消耗的電能，單位為kw·h/（m3·mpa）?！抖喂┧O(shè)備節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》(cqc 3153-2015)中規(guī)定的單位供水能耗值見表2。

表2 《二次供水設(shè)備節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》中單位供水能耗值

1.2.1 二次供水理論單位供水能耗計算

理論單位供水能耗即為不考慮其他因素，僅考慮克服水的重力所需做的功，如式（1）所示:

式中 w——克服重力所做的總功，j；

g——所提升水的重力，n；

h——將水所提升的高度，m。

將g=9 800 n，h=100 m，代入公式（1）計算得，w=9.8×105 j=0.272 kw·h，則理論單位供水能耗為0.272 kw·h/（m3·mpa）。

理論能耗是節(jié)能認(rèn)證能耗的30.9%。

1.2.2 二次供水單位能耗推算

水泵效率按60%（η泵=0.6），電機(jī)效率95%（η電機(jī)=0.95），推算二次供水能耗=理論能耗/η泵/η電機(jī)=0.272/0.6/0.95=0.477［kw·h/(m3·mpa)］。

推算能耗是節(jié)能認(rèn)證能耗的54.3%。

1.2.3 不同供水模式單位供水能耗影響因素

（1）變頻（包括無負(fù)壓）供水的能耗因素。變頻供水能耗因素=水泵損失+電機(jī)損失+系統(tǒng)水頭損失+維持水壓連續(xù)克服重力做功。

（2）工頻供水的能耗因素。工頻供水能耗因素=水泵損失+電機(jī)損失+系統(tǒng)水頭損失。

（3）供水方式誘導(dǎo)的水量因素。之所以分析供水方式誘導(dǎo)的水量因素，是因為采用不同供水模式下的供水量不同，即不同模式下的流量不同，所產(chǎn)生的水頭損失存在差異，而這將影響水泵選型，從而影響系統(tǒng)能耗的分析。對于變頻供水模式而言，水泵流量按設(shè)計秒流量計算，而工頻模式下水泵流量則按最大時用水量計算。與水量直接關(guān)聯(lián)的是水泵電機(jī)功率。在此所說的二次供水能耗，對于克服重力做功而言，一次性提升只與所采用的設(shè)備效率有關(guān)，典型應(yīng)用是屋頂有調(diào)節(jié)儲存水量，水泵流量按最大時用水量計算，水泵采用工頻控制；而連續(xù)克服重力做功就與工作時間呈正相關(guān)，典型應(yīng)用是屋頂取消儲存水箱，水泵流量按設(shè)計秒流量計算，水泵采用變頻控制。

供水方式涉及到的水量計算以及兩種不同計算方式之間的關(guān)系及影響。

最大時供水水量計算如式（2）、式（3）所示：

式中 q最大——最大時用水量，m3/h；

 q平均——平均時用水量，m3/h；

k時——時變化系數(shù)。

式中 q0——用水量標(biāo)準(zhǔn)，l/(人·d)；

t——用水時數(shù),d；

n——用水總?cè)藬?shù)。

設(shè)計秒流量供水水量計算，計算該管段的設(shè)計秒流量如式（4）所示：

式中 qg——計算管段的設(shè)計秒流量，l/s;

ng——計算管段的衛(wèi)生器具給水當(dāng)量總數(shù)；

α——根據(jù)建筑物用途而定的系數(shù)。

最大時供水與設(shè)計秒流量之間的關(guān)系如式（5）所示：

式中 qg——計算管段的設(shè)計秒流量（m3/h）;

q最大——最大時生活用水量（m3/h）；

ω——2~6倍（經(jīng)驗數(shù)據(jù)）。

影響關(guān)聯(lián)性，當(dāng)揚程一定時（100 m），水泵流量增加，電機(jī)功率隨之增加，但并不線性增加，如圖1所示。

圖1 水泵電機(jī)功率隨水泵流量的變化

2 直飲水供水與二次供水的關(guān)系

管道直飲水或高品質(zhì)飲用水即為分質(zhì)二次供水?！豆艿乐憋嬎到y(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（cjj 110-2006）中規(guī)定管道直飲水系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)設(shè)循環(huán)管道，供回水管網(wǎng)應(yīng)設(shè)計為同程式。目前管道直飲水的系統(tǒng)運行，確保管網(wǎng)運行安全是前提，其中采用全循環(huán)是技術(shù)方式，全循環(huán)的時間及能耗是直飲水系統(tǒng)重要的評價指標(biāo)。

3 實驗方案

3.1 實驗項目背景概述

位于鄭州市的某高校綜合實驗樓，建筑面積30 000 m2，中國建筑西北設(shè)計研究院2001年5月設(shè)計，2004年8月竣工并投入使用。供水方式為：1-6層為室外給水管網(wǎng)直接供給，7-11層為屋頂水箱減壓供水，12-16層為屋頂水箱直接供水；裙樓設(shè)試驗用水儲備水箱，屋頂設(shè)30 m3組合式不銹鋼板水箱1座（屋頂水箱同時為試驗用水備用水源），生活消防合用，屋頂水箱底標(biāo)高68.4 m；地下1層設(shè)20 m3組合式不銹鋼板水箱1座，地下1層水箱底標(biāo)高-4.3 m。在原有供水系統(tǒng)基礎(chǔ)上將該樓供水系統(tǒng)改造成直飲水供水系統(tǒng)，設(shè)置循環(huán)管路與凈化裝置，直飲水系統(tǒng)供水采用新型密閉式可伸縮蓄水容器供水即工頻供水與變頻供水兩種模式。

3.2 實驗設(shè)備參數(shù)及選型依據(jù)

對原有供水系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，改造內(nèi)容如下：

（1）《鄭州市城市供水管理條例》規(guī)定：“按照國家有關(guān)規(guī)定設(shè)置管網(wǎng)測壓點，保證供水管網(wǎng)壓力達(dá)到國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。禁止在城市公共供水管道上直接裝泵抽水。”鄭州市目前普遍采用的是水箱儲存，水箱后變頻供水。繼續(xù)使用地下1層的20 m3組合式不銹鋼板水箱1座（水箱底標(biāo)高-4.3m）。

（2）更換原有水泵機(jī)組，原有水泵及其相關(guān)設(shè)備型號見表3。