余小明 / 趙煜靈

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州 510010)

變頻泵組合供水與節(jié)能減排

余小明 / 趙煜靈

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州 510010)

本文以住宅項(xiàng)目高低峰流量設(shè)計(jì)為例，通過(guò)對(duì)不同變頻泵組進(jìn)行配比得出全年能耗及水泵高效段時(shí)間，闡述了設(shè)計(jì)秒流量、平均時(shí)流量、最大時(shí)流量等因素對(duì)選擇變頻泵組的重要性及合理配比副泵、氣壓罐的必要性。通過(guò)對(duì)比分析，筆者認(rèn)為國(guó)家應(yīng)在給排水專業(yè)增加變頻泵組合的相應(yīng)規(guī)范，以促進(jìn)節(jié)能減排設(shè)計(jì)。

變頻泵 節(jié)能 高效段 副泵 氣壓罐

0 引言

目前，為了避免高位水箱二次污染，大部分住宅或辦公樓均廣泛采用變頻泵組供水。建筑給排水規(guī)范只對(duì)設(shè)計(jì)秒流量給出了計(jì)算依據(jù)，節(jié)水規(guī)范也只對(duì)末端供水壓力給出了要求，對(duì)于選用的變頻泵組臺(tái)數(shù)配比、控制方式均無(wú)涉及，實(shí)際上這些因素均會(huì)影響泵組節(jié)能。

1 變頻器調(diào)速原理

變頻調(diào)速主要是通過(guò)改變供電電源頻率對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，電動(dòng)機(jī)調(diào)動(dòng)轉(zhuǎn)速進(jìn)而帶動(dòng)水泵葉輪的轉(zhuǎn)速，影響水泵的流量、揚(yáng)程及功率。按照交流異步電機(jī)理論，其轉(zhuǎn)速公式為：

(1)

式中，n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，f為異步電動(dòng)機(jī)定子電勢(shì)頻率，P為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，S為轉(zhuǎn)差率。

由式(1)可知，只要均勻電動(dòng)機(jī)定子繞組頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n即與之成正比變化。

根據(jù)《民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施/給排水》(第2.7.16)規(guī)定，變頻泵組調(diào)速存在一個(gè)高效范圍，變頻泵一般要求調(diào)轉(zhuǎn)速在75%～100%范圍內(nèi)，效率因數(shù)為0.75～0.80。當(dāng)變頻調(diào)速泵低于50%時(shí)，效率因數(shù)為0.3～0.5。由于流量與轉(zhuǎn)速存在關(guān)系：Q1/Q2=n1/n2，本文通過(guò)對(duì)調(diào)速后的流量分析來(lái)判斷轉(zhuǎn)速的范圍及效率因子。

2 設(shè)計(jì)規(guī)模與參數(shù)

下面以香雪公館1～6棟的13F～22F(每層5戶，共300戶)的供水計(jì)算來(lái)實(shí)際探討這一問(wèn)題。項(xiàng)目22F層高68.20m、13F層高38.20m、生活水泵房設(shè)置在負(fù)2層，標(biāo)高-8.50m。

根據(jù)《廣州市住宅試行規(guī)范》，每戶按3.5人、每人400L用水計(jì)算，時(shí)變換系數(shù)k=2.4，戶內(nèi)裝修按二衛(wèi)一廚一洗衣機(jī)配比，每戶當(dāng)量N=6.25。根據(jù)建筑給排水規(guī)范，計(jì)算得出：

最高時(shí)流量:Qh=4.86×2.4=11.67L/s；

衛(wèi)生器具平均出流概率：

查閱《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用內(nèi)插閥計(jì)算:αc=[(3.11-3.0)×0.023 74+(3.5-3.11)×0.019 39]/(3.5-3.0)=0.020 347；

衛(wèi)生器具同時(shí)出流概率：

設(shè)計(jì)秒流量：

qg=0.2×4.1959%×6.25×300=15.73L/s。

3 供水曲線假設(shè)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)全天給水供水曲線應(yīng)是介于平均數(shù)流量4.86L/s上下波動(dòng)的曲線、最高用水段應(yīng)是介于11.67L/s上下波動(dòng)的曲線。廣州市一般早上7：30～8:30，中午12:30～13:30，晚上21:00～23:00為供水最高時(shí)段。按此計(jì)算，除去此3個(gè)時(shí)段，其余20個(gè)時(shí)段的平均流量系數(shù)為：(4.86×24-11.67×4)/20=3.5L/s。

實(shí)際上供水曲線是多變的，無(wú)法按實(shí)際測(cè)試的曲線來(lái)選擇泵組配比和水泵。設(shè)計(jì)只能根據(jù)現(xiàn)有的計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算整日消耗的能量，假設(shè)全天只按兩個(gè)工況運(yùn)行：高峰時(shí)段：Q2=11.67L/s,H=95m，運(yùn)行時(shí)間4h；低峰時(shí)段：Q3=3.5L/s,H=95m，運(yùn)行時(shí)間20h。初步討論選泵對(duì)全日耗能量影響。

4 變頻泵組配比能耗對(duì)比

設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)秒流量選擇水泵流量參數(shù)。因本項(xiàng)目設(shè)計(jì)秒流量較少，實(shí)際上一臺(tái)主泵即可。以下分別按一用一備、二用一備、三用一備、三用一備一副泵+氣壓罐模式計(jì)算各耗能量及高效流量時(shí)段。

1)一用一備變頻組合情況

采用一用一備變頻泵進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用主泵2臺(tái)：q=16L/s、H=95m、N=22kW，在此組合下，變頻調(diào)速高效流量段為：0.75×16≈16L/s，即在12L/s以下運(yùn)行均為低效段運(yùn)行，整個(gè)低效段持續(xù)時(shí)間20h以上。

2)二用一備變頻組合情況

采用二用一備變頻泵進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用主泵3臺(tái)：q=8L/s、H=95m、N=11kW，在此組合下單臺(tái)泵運(yùn)行高效流量段：0.75×8≈8L/s，組合后即：6L/s～8L/s以及12L/s～16L/s。

用戶在高峰時(shí)段，變頻流量調(diào)節(jié)到11.67L/s，此時(shí)與最高值流量比Q2/Q1=0.72，此時(shí)效率值同一用一備為72%(實(shí)際上考慮高峰時(shí)段的波動(dòng)性,二用一備可調(diào)節(jié)的范圍更廣、效率更高)。

功率為：ρgqh/η=15.09kW。

3)三用一備變頻組合情況

采用三用一備變頻泵進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用主泵4臺(tái)：q=5.3L/s、h=95m、N=7.0kW。在此組合下單臺(tái)泵運(yùn)行高效段：0.75×5.3≈8L/s：組合后：3.975L/s≈5.3L/s、7.95L/s≈10.6L/s、11.93L/s≈15.9L/s

14.88×4+4.92×20=157.92kwh。

4)采用三用一備一副泵組合情況

采用三用一備變頻泵進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用主泵4臺(tái)：q=5.3L/s、h=95m、N=7.0kW，副泵1臺(tái)：3.5L/s、h=95m、N=4.5kW，副泵在小流量下啟動(dòng)運(yùn)行，在此組合下單臺(tái)泵運(yùn)行高效段：0.75×5.3≈8L/s，0.75×3.5≈3.5L/s：組合后高效流量段：2.63L～3.5L、3.98L～5.3L、7.95L～10.6L、11.93L～15.9L。

在高峰時(shí)段三臺(tái)變頻調(diào)節(jié)至11.67L/s，此時(shí)與最高值流量比Q2/Q1=0.73，此時(shí)效率73%，功率為ρgqh/η=14.88kW。

在低峰時(shí)段一臺(tái)副泵運(yùn)行，采用變頻調(diào)節(jié)至3.5L/s，此時(shí)與最高值流量比Q3/Q1=1.0，此時(shí)功率為4.5kW；全日耗電量： 14.88×4+4.5×20=149.52kwh。

5 方案優(yōu)化與調(diào)整

1)氣壓罐調(diào)節(jié)

根據(jù)以上對(duì)比，在兩個(gè)工況假設(shè)的情況下，采用三用一備一副泵是最經(jīng)濟(jì)節(jié)能的，實(shí)際上夜間可能存在零流量的情況，不可能長(zhǎng)期在低峰段一個(gè)效率下運(yùn)行；在高峰時(shí)段，存在一些流量段變頻調(diào)速低于75%轉(zhuǎn)速的情況。在三用一備一副泵的組合下，可增加氣壓罐的調(diào)節(jié)控制，增加高效段。

氣壓罐計(jì)算參照建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范：

選用主泵：q=5.3L/s、h=95m、N=7.0(三用一備)，副泵：3.5 L/s、h=95m、N=4.5kW,配套隔膜式氣壓罐:φ×H=1200×2600，滿足容積要求，氣壓罐工作壓力介于0.85MPa～1.05MPa，調(diào)節(jié)容積511L。

2)變頻器調(diào)節(jié)控制

變頻器調(diào)節(jié)一對(duì)一水泵控制，每次調(diào)速先將一臺(tái)泵調(diào)到低轉(zhuǎn)速或高轉(zhuǎn)速，再調(diào)節(jié)另外一臺(tái)水泵機(jī)組，可方便水泵的控制及維持水泵高效段，使得流量成線性增加或減少。

本項(xiàng)目水泵采用壓力控制，壓力低于0.85Mpa，啟動(dòng)新泵或調(diào)高變頻泵轉(zhuǎn)速；壓力高于1.0Mpa，關(guān)閉一臺(tái)主泵或調(diào)低變頻泵轉(zhuǎn)速。所有調(diào)節(jié)不得使水泵調(diào)速比高于0.75，當(dāng)一臺(tái)主泵調(diào)速達(dá)到0.75時(shí)，壓力仍高于1.0Mpa，則關(guān)閉主泵開啟副泵，副泵工作時(shí)，壓力超過(guò)1.05Mpa時(shí)，關(guān)閉所有泵組，由氣壓罐調(diào)節(jié)。

通過(guò)此調(diào)節(jié)可使得在供水0≈15.9L/s時(shí)，水泵均可以處于高效段運(yùn)行狀態(tài)，全日耗能可取平均值75%效率計(jì)算：ρgqh/η=(1000×9.8×0.00486×95)/75%=6.0kW，全天耗能：6×24=144kWh。

6 經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)方案優(yōu)化后(詳見(jiàn)表1)，對(duì)比開始采用一用一備變頻泵組，全年節(jié)省電量：

229.56-144×365=31 229.4kWh。

廣州市住宅電費(fèi)按0.66元/kWh計(jì)算,則本方案全年耗電費(fèi)相對(duì)一用一備節(jié)省20611.4元。

然而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，因?yàn)樵黾颖媒M會(huì)增加投資，尤其是房地產(chǎn)開發(fā)商會(huì)對(duì)成本嚴(yán)格控制，且后續(xù)的水電費(fèi)均已經(jīng)公攤給各住戶所有，對(duì)于開發(fā)商來(lái)講不愿意再追加投資。針對(duì)此點(diǎn)，筆者認(rèn)為給排水方面應(yīng)該出臺(tái)相關(guān)規(guī)范(或在節(jié)水規(guī)范中增加)限制。設(shè)計(jì)的變頻泵組均在高效段運(yùn)行。

7 結(jié)論

1)進(jìn)行變頻供水系統(tǒng)給排水設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量結(jié)合設(shè)計(jì)平均時(shí)流量、最大時(shí)流量及秒流量來(lái)選擇變頻泵組的配比，必要時(shí)多配備幾臺(tái)主泵，同時(shí)需配備小流量副泵與氣壓罐調(diào)節(jié)，使得整個(gè)變頻泵組維持高效段。

表1 方案組合對(duì)比

2)變頻供水因泵的選擇不同，造成的電費(fèi)消耗出入較大，給排水方面應(yīng)制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)促使變頻泵組運(yùn)行在高效段，促進(jìn)國(guó)家的節(jié)能減排政策實(shí)行。

[1] 李超文.現(xiàn)代建筑給水工程中變頻水泵的應(yīng)用[J].山西建筑,2009,35(3)：196-197.

[2] 巴曉曼，王希斌.談變頻泵臺(tái)數(shù)的確定[J].包鋼科技，2007,35(3):32-33.

[3] 郭乃溶，劉志強(qiáng)，劉洪海，葛學(xué)偉.基于用水規(guī)律的住宅二次供水系統(tǒng)優(yōu)化及節(jié)能分析[J].給水排水，2013,39(11)：146-149.

余小明

工程師,注冊(cè)公用設(shè)備工程師(給排水)，2006年畢業(yè)于廣州大學(xué)給排水專業(yè)，同年進(jìn)入廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院從事給排水設(shè)計(jì)至今，參與住宅、公寓、學(xué)校、辦公、酒店、醫(yī)院、商業(yè)綜合體、市政交通等項(xiàng)目，累計(jì)完成建筑面積200多萬(wàn)m2。

我國(guó)首個(gè)智慧城市國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將出臺(tái)

據(jù)悉，住建部正在編制智慧城市評(píng)價(jià)模型以及基礎(chǔ)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將是國(guó)內(nèi)第一個(gè)指導(dǎo)與評(píng)價(jià)智慧城市的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)將在今年內(nèi)完成相關(guān)的編制工作并提交評(píng)審。該標(biāo)準(zhǔn)將第一次對(duì)國(guó)內(nèi)的智慧城市建設(shè)管理進(jìn)行科學(xué)的規(guī)范、建立統(tǒng)一合理的智慧城市模型和建設(shè)管理的指標(biāo)，為各地進(jìn)行智慧城市的建設(shè)程度、水平和效率的評(píng)估提供統(tǒng)一的依據(jù)。住建部將現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相融合，梳理出正在制定的標(biāo)準(zhǔn)，以及根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行優(yōu)先規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，以突出共性標(biāo)準(zhǔn)為主，兼顧特殊要求，目的要做到“智慧城市的規(guī)劃有指南，共建平臺(tái)建設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)同應(yīng)用開發(fā)有依據(jù)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)在智慧城市建設(shè)當(dāng)中的有效應(yīng)用”。 并且，我國(guó)的57個(gè)智慧城市建設(shè)指標(biāo)中，會(huì)綜合考慮不同城市的行政級(jí)別、所屬區(qū)域、發(fā)達(dá)程度等因素，采用“一城一策”。

Combinations of Variable Frequency Pump and Energy Conservation

Yu Xiaoming / Zhao Yuling

Take the example of the level of high or low flow assumption, through a residential project design process, we can get the annual pump's energy consumption and efficient pump segment about different combinations of variable frequency pump. The design flow rate, average flow, maximum flow are all important for the combination of variable frequency pumps, and it is necessary for the designers to choose vice pump and pressure tank in the supply and drainage design. Through comparative analysis, we believe that our country should improve standards about combinations of variable frequency pump in order to promote energy conservation design.

variable frequency pump, energy conservation, efficiency segment, vice pump, pressure tank