合理的水泵选型与配置是实现建筑二次供水系统节能的关键。在给水系统中,水泵的型号和配置既要满足最大工况点的流量和扬程,也应考虑用水量不断变化这一特点,实现给水设备和系统用水各工况的吻合。变频调速供水系统在理论上是节能的,其利用变频调速技术依据水泵出水压力变化来控制水泵电动机的电源频率实现自动供水,但若泵组的选型和配置不当,其节能效果也得不到体现。具体采取何种节能措施,应结合实际情况区别对待^[1]。本文通过对高校学生公寓用水量的长期监测得到用水量变化规律,在分析用水量变化规律和水泵性能曲线的基础上对原有供水方案进行改进,为同类型建筑供水设计中水泵的选型和配置提供参考。

　　 监测选择了天津大学一学生公寓的二次供水系统,该公寓建于2004年,由3栋12层和2栋14层的宿舍组成。供水采用竖向分区方式,低区由市政管网直接供水,高区采用变频供水。以高区生活用水(不包括冲厕用水)的二次供水系统为研究对象,供水范围内共有宿舍979间,用水人数为5 874人。原供水系统的设计依据是《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2003年)。高区的生活用水(不包括冲厕用水)的设计秒流量为33.33L/s(120m³/h),选用了4台水泵(3用1备)的并联运行方式,水泵型号CR45-3-2,P=11kW,Q=45m³/h,H=50.7m。

　　 监测选择在水泵出口端安装超声波流量计,采集瞬时流量和累积流量,数据采集的时间间隔为1min。监测从2012年5月25日开始到2013年2月25日结束,共计9个月。这期间监测到的最大秒流量16.45 L/s (59.22 m³/h),最大小时流量9.31L/s(33.52 m³/h),最高日流量200.79 m³/d(8.37m³/h),平常日平均流量(5月、6 月、9 月、10月4个月平均)1.35L/s(4.85m³/h)。

　　 通过对实测数据的分析发现在平常日工况下,现有泵组绝大部分时间只有一台泵运转,余下三台泵处于闲置状态,而且在寒暑假以及夜间小流量工况下,水泵会长时间超低效运行。造成这种“大马拉小车”的原因可能有:1高校学生用水的特殊性:建筑用水的高峰期是每年最热的7、8月,而此期间正值学校放暑假,其用水量反而减少,仍按统一的计算公式求解的设计秒流量会较实际偏大。2相关用水数据的欠缺:国内缺乏同类型建筑实际用水规律等相关的参考资料,设计时对于各个工况的把握很难准确,往往泵组的选型与配置能够满足最大工况的要求,但很难满足其他工况的高效运行,达不到变频节能的效果。

　　 通过对监测数据进行统计分析,得到各用水时段占全年用水的比例如图1所示,其中,小流量时段占38%,具体包括:暑假(7月2日~8月17日),寒假(1月25日~2月18日),平常日夜间休息(0:30~6:00);大流量时段占62%,具体包括:平常日工作(6:00~次日0:30)。由图1可知,监测公寓全年用水小流量时段比例很大,因而从保障用水安全性出发,兼顾全时流量的高效运行,拟分设2种供水方式。小流量时段采用气压给水方式,大流量时段采用变频供水方式。

　　 从实际用水规律出发,对大流量时段进行合理的泵组配置。监测公寓高日高时、最大小时、最大秒流量所在时段生活用水规律如图2所示,典型月(5、6月,9、10月)平常日24h生活用水规律如图3所示。由图2可知高日高时流量、最大小时流量、最大秒流量三者并不统一,最大秒流量既没出现在最大小时用水这一时段也未出现在高日高时用水这一时段。由图3可知5、6月平常日最大流量为4.81L/s(17.32m³/h),平均流量1.17L/s(4.2 m³/h),9、10月平常日最大流量为4.36L/s(15.70m³/h),平均流量1.52L/s(5.5 m³/h)。如果消除夜间休息时段小流量对供水方案设计的影响,将其剔除,然后对用水量进行重新对比,算得平均流量分别为1.47L/s(5.3m³/h),1.87L/s(6.7m³/h)。

　　 鉴于最大秒流量与平常日平均流量的跨度之大,经初步分析,有以下2种供选方案:1采用“两大一小”的阶梯型方案,大泵选用CR32-4(2用1备),小泵选用CR10-7;2 采用同一型号水泵CR20-5(3用1备)。2种方案各泵相关性能参数见表1,泵组适用性分别见图2、图3。方案1能够满足4.3~72.0m³/h流量范围内的高效运行,方案2 能够满足8.7~74.4m³/h流量范围内的高效运行,2种方案均能满足最大工况的要求,但前者较后者在平常日高效运行的时段更长;方案1泵组型号有2种,方案2泵组型号只有1种,从平常日生活用水规律出发,前者大部分时间小泵运行,大泵处于闲置状态,势必会造成小泵损坏可能性增大,若考虑增设备用泵,又会造成初期投资增加,而方案2无论从泵组初期投资,中期运行还是从后期维护方面都较方案1更具优势,因此大流量时段的泵组配置优选方案2,另外考虑学生公寓用水不均匀系数过大的特点,增设1台气压水罐,其型号具体确定过程参考气压供水泵组配置。

　　 高校学生公寓供水小流量时段占全年用水的38%,有数据表明小流量的单位水量电耗是平均的2.61倍^[2],因此,应该对该段的用水予以重视。由实测数据可知,该公寓夜间休息时段用水量相近,以5月28日~6月3日用水为例对夜间小流量进行分析说明,夜间生活用水规律如图4 所示,假期24h生活用水规律如图5所示。由图4可知,该学生公寓在夜间休息时段的最大流量为0.615 L/s(2.21m³/h),平均流量为0.350L/s(1.26m³/h)。由图5 知,假期(暑假)最大流量为0.764 L/s(2.75m³/h),平均流量为0.425L/s(1.53m³/h);假期(寒假)最大流量为0.391L/s(1.41m³/h),平均流量为0.169L/s(0.61m³/h)。

　　 对2种小流量工况比较发现假期用水的特征与夜间休息时段情况比较接近,可以选择同一套供水方式。气压供水系统选用隔膜式气压水罐,水泵选用CR5-10(1用1备),工频运行,Q=5 m³/h,H=55m。根据规范^[3]的要求,取水泵出水量q_b=5m³/h,安全系数α_a=1.1,水泵在1h内的启动次数n_q=7次。经计算:气压水罐的调节容积V_ql=0.196m³,总容积V_q=0.686m³。选择SQL-800-0.6型气压水罐,其调节容积V_ql=0.26m³,总容积V_q=0.86m³可满足系统小流量段用水的需求。

　　 综上所述,确定变频泵的型号为CR20-5(3用1备),气压供水泵为CR5-10(1用1备),气压水罐1台(SQL-800-0.6),泵组控制方案如表2所示。从初期投资上来讲,改进方案虽然增加了水泵的台数和气压水罐(每台3 800元),但初期投资却比原方案4台CR45-3-2水泵(每台19 735元)少了39 503元。

　　 结合上述方案的分析,为进一步评价节能的效果,下面以最高日用水为例对能耗进行估算。因用水量瞬间变化,精确到每秒流量来计算并不现实,为简化计算,将高校学生公寓每分钟生活用水分流量段进行统计,以每一流量段中的平均流量为基础对系统能耗做定性分析。如流量处在18~19m³/h之间的运行总时长为0.3h,该流量段的平均流量为18.7m³/h。以流量为18.7m³/h,扬程为50.7m,对18~19m³/h流量段CR45-3-2水泵的能耗进行估算,根据水泵相似定律,该工况点是由流量为Q、扬程为H、转速为2 900r/min的工况点变频调速而来,则有水泵相似曲线H=0.14Q²。在水泵CR45-3-2的特性曲线图中,H=0.14Q²与Q-H曲线的的交点Q=21.5m³/h,H=68.2m,此相似点对应的轴功率为8.03 kW。根据: ,得到轴功率为5.26kW,能耗为1.58kW·h,同样的方法可以求得不同方案对应最高日各时段的理论能耗对照如表3所示。

　　 通过对比,改进后方案在最高日可以节电37.93kW·h,节电率37.2%,夜间休息时段可以节电13.32kW·h,节电率61.8%,由此可以类推学生假期的能耗节约情况也是相当可观,另外本例估算过程只简单推算水泵轴功率,对泵的实际运行效率没有进行考量,但对能耗的定性评价仍然有一定参考意义。

　　 (1)高校学生用水有其特殊性,由于假期的缘故全年小流量段比例大,从保障用水安全性出发,兼顾全时流量的高效运行,有必要分设2 套供水系统。

　　 (2)相对于其他类型公寓而言,高校学生公寓的用水量峰值会被削减,其原因是建筑的用水高峰期正值高校的暑假期间。因此在对高校学生公寓的二次供水系统设计时,对于设计秒流量的确定应当考虑适当的折减系数。

　　 (3)改进后方案不但初期投资小,理论能耗低,运行方式也更接近实际用水规律,节能效果明显。

　　 (4)由于现场电耗监测设备安装的局限,本文未能对水泵机组的实际电耗进行同步监测,建议针对同类型课题,有条件时应将理论电耗与实际电耗统一起来,进一步深化对泵组相关能耗的评价。