居住区变频二次供水设备“大马拉小车”低效运行在全国是普遍现象。设计环节水泵选配不合理是造成变频二次供水低效运行的主要原因。其根本原因是水泵选型依据的理论设计秒流量偏大和对居住区用水特性的不明确。开展居住区用水特性实时监测研究工作, 深入了解居住区用水特性及变化规律对提升居住区二次供水设计的合理性具有实用意义。课题组以福州市居住小区用水为监测对象, 对12个居住小区家庭月用水量进行了3年的跟踪调查, 并在福州高温天气的7～11月期间对其中4个居住小区的用水进行了实时监测, 采集相应的数据。

　　 为确保监测数据能客观反映居住区生活用水的真实性和可靠性, 课题所选择的监测对象必须是小区管网漏水率低的居住小区。经多方比选最后选定2013年6月之前已完成二次供水户表改造的二化新村等12个居住小区, 且涵盖了高、中、低不同档次经济收入水平的居住小区。监测对象均为普通Ⅱ类住宅, 用水卫生洁具包括有大便器、洗脸盆、淋浴设备、洗涤盆和洗衣机, 一卫一厨户当量为4, 两卫一厨户当量为6。

　　 为研究居住小区用水特征, 课题组与福州某自动化技术有限公司共同开发集成了二次供水设备运行在线监测装置 (见图1) 。该装置具备三相电压、电流、功率、功率因素、电量、进出口水压、实时秒流量、累计流量、水泵实时运行频率等监测功能, 并开发相应软件, 具备提供监测的数据库和曲线图形的功能。课题组对二化新村、茶会小区、福屿小区和林业厅宿舍等4个小区进行实时用水监测, 在二次供水设备的总出水管上安装电磁流量计, 监测用水流量。监测装置每秒读取1个数据, 对瞬时流量进行在线监测, 并对监测数据实时存储, 数据分析时按5 s导出1个数据, 每天导出17 289个数据。监测时间为2013年7月19日～11月25日, 共130 d, 包括中间更换测试小区的调试时间。

　　 为掌握住宅最高日生活用水定额, 课题组对江南名城等12个小区每户每月用水量进行了3年的跟踪调查, 时间从2012年9月～2015年8月。并对采集的数据进行统计分析, 充分考虑“未入住”、“低用水”的情况。

　　 二化新村、茶会小区、福屿小区和林业厅宿舍均于2013年6月前完成二次供水户表改造, 设计依据《建筑给水排水设计规范》 (GB 50015—2003, 2009年版, 以下简称“《规范》”) ^[1]确定二次供水的设计秒流量, 选定变频二次供水设备。设计人员根据《规范》推荐公式计算供水系统设计秒流量时, 必须人为选定供水系统的最高日用水定额q_L、时变化系数K_h和户用水人数m等3个参数。这3个设计参数取值的不同会影响理论设计秒流量的计算值^[2]。为便于对比分析, 每个小区的居民最高日用水定额分别取130 L/ (人·d) 、180 L/ (人·d) 、300 L/ (人·d) 3种情况计算理论设计秒流量, 其对应的时变化系数按2.8、2.5、2.3取值, 平均户用水人数按3.5人取值。4个小区的3种理论设计秒流量与实际监测的日最大瞬时流量进行对比, 情况如表1所示。

　　 从表1可知, 二化新村实际监测的日最大瞬时流量为3.33 L/s, 其与3种不同设计取值计算的理论设计秒流量对比相差2.24～2.99倍;茶会小区实际监测的日最大瞬时流量为4.23 L/s, 其与3种不同设计取值计算的理论设计秒流量对比相差1.92～2.57倍;福屿小区实际监测到日最大瞬时流量为4.73 L/s, 其与3种不同设计取值计算的理论设计秒流量对比相差1.11～1.38倍;林业厅宿舍实际监测到日最大瞬时流量为11.87 L/s, 其与3种不同设计取值计算的理论设计秒流量对比相差1.16～1.7倍。

　　 从以上数据分析可知, 按规范取值计算确定的理论设计秒流量与实际用水情况相比存在较大的差值, 特别是最高日用水定额取高限值时, 相差更大。

　　 对于设计秒流量计算时每户用水人数的确定, 《规范》未给出具体的参考值, 但2003版《规范》的条文说明中有提到每户用水人数取3.5人, 其依据是我国2000年11月1日进行的第五次全国人口普查的结果, 平均每个家庭户的人口为3.44人。

　　 2010年第六次全国人口普查主要数据公报 (第1号) 指出, 至2010年11月1日零时, 大陆31个省、自治区、直辖市共有家庭户401 517 330户, 家庭户人口为1 244 608 395人, 平均每个家庭户的人口为3.10人, 比2000年第五次全国人口普查的3.44人减少0.34人^[3]。家庭户是指以家庭成员关系为主、居住一处共同生活的人组成的户。

　　 福建省2010年第六次全国人口普查主要数据公报指出, 至2010年11月1日零时, 福建省常住人口中共有家庭户11 206 844户, 家庭户人口为33 397 662人, 平均每个家庭户的人口为2.98人, 比2000年第五次全国人口普查的3.53人减少0.55人^[3]。

　　 从以上数据我们可以看出, 2010年第六次人口普查结果中, 平均每个家庭人口数为3.10人, 福建省第六次人口普查结果平均每个家庭人口数为2.98人, 不足3人。因此, 设计秒流量计算时按照2003版《规范》条文中提到的3.5人取值偏大。

　　 随着人们生活水平的提高, 人们对自我生活质量意识也越来越高, 对自我空间、习惯等个人私密性的保护也越来越强, 两代人同住在一套住房的概率也在逐渐降低。虽然“全面实施一对夫妇可生育两个孩子政策”一定程度上会增加户家庭用水人数, 但对居住小区而言不是所有家庭都有两个孩子同时在家, 而且现代人口流动性加大, 一个小区所有住户成员同时在家的可能性极低, 这从本次用水定额跟踪调查时发现12个被调查的居住小区月用水量低于5 m³的用户会占20%左右的现象就可说明。

　　 综合分析各项因素, 居住区二次供水系统设计秒流量计算时户平均用水人数按3人取值较合理。

　　 通过分析每天的监测秒流量数据, 可计算得出监测时间段每天的时变化系数, 每天的时变化系数如图2所示。从图2中可以看出, 二化小区、茶会小区和林业厅宿舍时变化系数均低于《规范》中要求的最低值2.3, 除福屿小区有3 d的时变化系数大于2.5, 其他时间的时变化系数均小于2.5。本次课题对居住区用水实时监测时间为7～11月, 涵盖了福州高温天气居民高峰用水的时段, 监测得到的小区用水时变化系数应能代表小区年最高日用水变化最不利的情况。综上分析, 建议居住区二次供水系统设计秒流量计算时时变化系数采用2.0～2.5。

　　 建筑最高用水日的用水定额是影响设计秒流量的重要因素, 《规范》按照卫生器具设置的完善程度作为划分依据, 各类型住宅的用水定额取值范围均较大, 如普通住宅建筑类别的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类住宅及别墅的上下限值比例分别高达1.8～2.3, 在设计时最高日用水定额的选定难以准确把控。

　　 本次课题跟踪调查了福州12个不同规模的小区2012～2015年每户每月用水情况。对小区年际用水户数、小区用水户数频率分布、小区年际用水量以及小区用水量分布情况进行分析和比较, 图3为江南水都名筑小区8月用水情况分析和比较。

　　 从调查数据分析结果可知:3年中每个月年际用水户数分布情况相对稳定, 1～5 m³户数占总户数20%左右, 侧面反映了小区入住率达不到100%, 或由于人口规律性流动造成了一定比例的空住率。因此, 为了保证用水定额数据分析的真实性可靠性, 故将5 m³以下用户和用量扣除。

　　 为对居民生活最高日人均用水量进一步确定, 将12个小区3年每月用水量数据扣除对应5 m³以下的用户和所用水量, 按每户3人计算月人均日用水量值。参照《福建省城市用水量标准》 (DBJ/T 13-127—2010) 中表3.0.10取日变化系数数值, 设区市城市日变化系数取1.1～1.3, 可计算出居民生活最高日人均用水量^[4]。表2为江南水都名筑小区用水量数据分析, 表3为较高档的5个小区月最高日人均用水量定额汇总。

　　 从表3中可知, 当月日变化系数取1.1时, 5个小区居民生活最高日人均用水量最大值为240 L/ (人·d) , 最小值为177 L/ (人·d) ;当月日变化系数取1.3时, 5个小区居民生活最高日人均用水量最大值为284 L/ (人·d) , 最小值为209 L/ (人·d) 。对于《规范》推荐Ⅱ类住宅用水定额为130～300 L/ (人·d) , 其取值范围太大, 目的是为了适应我国地域辽阔、城乡生活水平差距及水资源等多方面的因素。从表2用水量分析可知, 对于小区居民生活最高日人均用水量即使扣除了月用水量低于5 m³的用户, 也达不到《规范》推荐的最大值300 L/ (人·d) , 而实际居住小区住房使用率难以达到100%, 因此, 建议南方水资源相对丰富地区的居住小区Ⅱ类住宅最高日人均用水定额上限值宜取280 L/ (人·d) , 对于下限值, 随着城乡差距越来越小, 对于同一类别的Ⅱ住宅, 建议按180 L/ (人·d) 取值。设计在取值时应充分考虑居住小区性质及规模来合理确定。

　　 综上所述, 居住小区 (组团) 变频二次供水增压设备的设计秒流量计算时, 其相关设计参数的选定应充分考虑居住建筑类型、规模、气候、居民的经济水平、实际用水人数、水资源条件、水费及经济杠杆等因素综合确定。通过本课题开展的居住区用水监测分析可知, 现行《规范》表3.1.9中最高日用水定额、小时变化系数的取值与实际用水情况存在较大偏差, 建议南方水资源相对丰富地区参数选择宜参照表4确定。

　　 白水塘小区位于鼓楼区屏西路46号, 1996年竣工, 为8层居住建筑, 均为“一厨一卫”的单元式住宅, 共有住户720户, 一、二层由市政给水管网直供, 合计180户, 三～八层经水池变频二次供水到用户, 合计540户。白水塘小区生活给水于2013年10月完成一户一表改造, 其变频二次供水设备水泵型号为:CR32-3 (水泵参数为Q=30 m³/h, H=45 m, P=5.5 kW) , 3台, 2用1备。

　　 根据课题研究成果, 对白水塘小区的二次供水设备进行重新设计选型并改造, 其设计秒流量计算和设备选型如下。

　　 根据小区的性质和规模, 小区最高日人均用水定额取q_L=180 L/ (人·d) , 户均用水人数取m=3人, 户用水当量N=4, 时变化系数K_h=2.2。

　　 $U{}_0=\frac{100\times 180\times 3\times 540\times 2.2}{0.2\times 4\times 540\times 24\times 3600}=1.72$。

　　 根据U₀=1.72及二次增压供水总当量2 160, 查《规范》附录E, 可得q_g=12.37 L/s=44.5 m³/h。

　　 由于设计秒流量大于40 m³/h, 设计采用配置3台大泵+1台小流量辅泵的组合方式:大泵流量:42.5%×44.5=18.9 m³/h, 2用1备, 水泵型号CR15-4, 水泵参数Q=19 m³/h, H=40 m, N=4.0 kW。辅泵流量:15%×44.5=6.7 m³/h, 1台, 水泵型号CR5-9, 水泵参数Q=7 m³/h, H=40 m, N=1.5 kW。

　　 白水塘小区变频二次供水设备自2016年4月改造完成并投入使用至今, 已稳定运行18个月, 系统运行稳定, 节能效果好。根据能效测试, 改造后变频二次供水机组整机全天运行效率大于50%, 单位水提升0.42 MPa/m³能耗为0.218 kW·h/m³, 较改造前的供水设备节能21.3%。改造前夏季用水高峰泵组月运行电费约为900元, 改造后泵组月运行电费低于700元。

　　 居住区变频二次供水设计秒流量计算时, 合理确定最高日用水定额、时变化系数和户用水人数是关键, 设计应充分考虑项目的用水特征、当地的水资源条件和经济发展水平等因素, 既要确保供水的安全性, 也要避免因设计秒流量计算结果偏大而造成所选配的供水机组“大马拉小车”低效高耗运行的情况。