摘 要：本文以某高層住宅小區(qū)為研究背景，采用流體力學(xué)計(jì)算軟件模擬了2種不同供水方式下的流量、揚(yáng)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(shí)供水系統(tǒng)的表現(xiàn)。結(jié)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(fù)壓變頻恒壓供水系統(tǒng)更節(jié)能。管網(wǎng)余壓增加，揚(yáng)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(shí)更節(jié)能。

關(guān)鍵詞：高層；住宅；供水設(shè)計(jì)

中圖分類號：TU 892" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市化進(jìn)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(shù)挑戰(zhàn)，其中之一便是轉(zhuǎn)輸供水設(shè)計(jì)[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(shè)計(jì)中，充分考慮建筑的高度和供水需求至關(guān)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(yáng)程高度、功率和節(jié)能率的變化情況，突出了無負(fù)壓供水方式在優(yōu)化節(jié)能改造中的應(yīng)用。

1 工程概況

本項(xiàng)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(gè)單元，每一棟有17層；4棟為2個(gè)單元，每一棟有25層；剩下的4棟為一個(gè)單元，每一棟有26層。所有樓棟每單元均有3個(gè)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(shè)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(shè)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(shí)供水。

2 建模方法和模型參數(shù)

FLOWMASTER是一種功能強(qiáng)大的計(jì)算流體力學(xué)（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(diǎn)、多物理模擬的能力并支持多組件模型建模等一系列特點(diǎn)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(zhǔn)確模擬供水系統(tǒng)中各種關(guān)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(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(shí)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(shí)間設(shè)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?？梢酝ㄟ^繪圖界面或?qū)隒AD文件實(shí)現(xiàn)。設(shè)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(yùn)行狀態(tài)和水流特性。在模擬軟件中指定模擬的時(shí)間步長、求解器選項(xiàng)和其他相關(guān)參數(shù)。這些參數(shù)將影響模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。軟件將根據(jù)定義的幾何模型和邊界條件計(jì)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(jié)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(jié)果如圖1所示。由圖1可知，隨著流量增加，揚(yáng)程高度從120m逐漸降至110m，兩者間呈負(fù)相關(guān)但非線性。在模擬的40s時(shí)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(yáng)程在前10s快速增至最大值，經(jīng)歷一段時(shí)間波動后，22s時(shí)穩(wěn)定在108m。在模擬過程中，變頻水泵的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間逐漸增大，22s時(shí)達(dá)2900r/min，并保持穩(wěn)定，此時(shí)功率為21.8kW。在水泵運(yùn)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(jìn)行供水時(shí)，應(yīng)注意以下5個(gè)方面。1）根據(jù)高層住宅的層數(shù)和住戶數(shù)量確定適當(dāng)?shù)乃淙萘?，水箱可根?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(shù)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的供水壓力，根據(jù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)供水管道網(wǎng)絡(luò)時(shí)，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(yīng)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(shè)計(jì)中應(yīng)考慮合適的防水錘設(shè)計(jì)，如設(shè)置減壓閥、泄壓裝置和水錘消除器等措施，以減少水錘效應(yīng)對系統(tǒng)的不利影響。5）在高層住宅供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，備用水泵和備用水箱的配置比較重要。備用設(shè)備能夠在主設(shè)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(fù)壓變頻恒壓供水系統(tǒng)

高區(qū)無負(fù)壓變頻恒壓供水系統(tǒng)的模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在模擬的40s時(shí)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(yáng)程在前13s快速增至最大值，經(jīng)歷一段時(shí)間波動后，25s時(shí)穩(wěn)定在81m。在模擬過程中，變頻水泵的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間逐漸增大，25s時(shí)達(dá)2900r/min，并保持穩(wěn)定，此時(shí)功率為14.8kW。在水泵運(yùn)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(fù)壓變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能率為32%，采用無負(fù)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(shí)，流量穩(wěn)定為0.0128m3/s，揚(yáng)程穩(wěn)定為80m；管網(wǎng)余壓為0.38MPa時(shí)，流量穩(wěn)定在0.013m3/s，揚(yáng)程穩(wěn)定為77m；管網(wǎng)余壓為0.2MPa時(shí)，流量穩(wěn)定在0.011m3/s，無法滿足高峰時(shí)期的用水需求。隨著余壓增加，揚(yáng)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(yáng)程要求。水泵在供水過程中需要克服管道阻力和高差，其揚(yáng)程與供水壓力有直接關(guān)系。當(dāng)供水壓力較高時(shí)，水泵只需要提供較小的揚(yáng)程，就能夠輕松地將水送達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)，因此揚(yáng)程較小。另外，當(dāng)供水壓力較高時(shí)，水泵所需功率較小。水泵的功率、流量與揚(yáng)程有關(guān)。供水壓力較高時(shí)，相同流量的水泵所需揚(yáng)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(fù)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(jié)果表明，在第23s，系統(tǒng)流量穩(wěn)定在0.0032m3/s，揚(yáng)程穩(wěn)定在78m。通過系統(tǒng)計(jì)算可知16s時(shí)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(fù)載，即以更適當(dāng)?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(fèi)。而且小流量水泵在設(shè)計(jì)上更適合低負(fù)載運(yùn)行，其設(shè)計(jì)工況更接近用水低谷期的實(shí)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(qiáng)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(shí)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(yùn)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(fù)荷狀態(tài)，流量較小。由于較小的流量會降低水泵槽和導(dǎo)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(jié)論

本文以某住宅小區(qū)為研究背景，通過流體力學(xué)軟件進(jìn)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(gè)主要結(jié)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(yáng)程高度從120m逐漸降至110m，兩者間呈負(fù)相關(guān)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(fù)壓變頻恒壓供水系統(tǒng)的流量穩(wěn)定在0.0122m3/s，25s時(shí)其揚(yáng)程穩(wěn)定在81m，節(jié)能率為32%。3）管網(wǎng)余壓越大，揚(yáng)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(yáng)程穩(wěn)定在78m。通過系統(tǒng)計(jì)算可知，16s時(shí)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(shí)更節(jié)能。

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