孫賽偉 田曉光 黃河交通學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

我國(guó)擁有學(xué)校數(shù)量龐大，據(jù)國(guó)家教育部統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示我國(guó)現(xiàn)擁有總學(xué)生數(shù)超過(guò)2.7 億，這其中住宿的學(xué)生占總學(xué)生的54%左右。學(xué)校人員密度高，資源消耗大，在學(xué)校資源消耗中供水資源消耗占了很大一部分，供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響著電能的損耗與水資源的利用率，因此對(duì)供水系統(tǒng)的優(yōu)化具有很大的意義。目前最常用的供水系統(tǒng)是變頻供水，變頻供水能根據(jù)用水情況調(diào)節(jié)供水功率大小。但由于宿舍居住學(xué)生數(shù)眾多變頻供水也面臨著諸多問(wèn)題，學(xué)生用水的習(xí)慣以及用水時(shí)間都對(duì)供水系統(tǒng)造成一定影響。結(jié)合現(xiàn)有的宿舍供水問(wèn)題的分析對(duì)已建成的供水管道提出改良解決方案，該方案在一定程度上增加了水頭損耗但是減少了不必要的水資源浪費(fèi)，在滿足學(xué)生基本的用水需求情況下與為改良過(guò)的對(duì)比在能耗上得到了減少，水資源也得到一定的節(jié)約。

1 問(wèn)題分析

用水時(shí)間集中：學(xué)生們?cè)谒奚嵊盟哂袝r(shí)間分布集中的特點(diǎn)，往往是早上醒來(lái)洗漱的時(shí)間以及中午和晚上放學(xué)的時(shí)間用水較為集中。在集中用水的時(shí)間段內(nèi)各宿舍用水設(shè)備會(huì)普遍打開(kāi)，在樓層底層的用水設(shè)備水流充沛，而頂層由于水流阻力大導(dǎo)致水流很小，功率過(guò)小的變頻供水系統(tǒng)還會(huì)造成頂層斷流的情況。

各層水流不均：由于目前學(xué)生宿舍一般不超過(guò)7 層，所以多數(shù)供水方式為單立杠水平分支供水。在樓層底層與樓層頂層由于樓層高度差水流阻力有所不同，各層的出水水壓與出水流量也不同。在一定時(shí)間內(nèi)底層出水量要高于頂層的出水量，這一特性使得學(xué)生在集中用水時(shí)間內(nèi)會(huì)造成水資源的潛在性浪費(fèi)。

資源消耗較大：現(xiàn)有的宿舍供水方案中有水泵加頂層水箱、水泵加氣體罐、變頻供水，其中水泵加水箱供水是最為節(jié)能的但其維護(hù)成本與建設(shè)成本過(guò)高，頂層水箱還會(huì)產(chǎn)生水的二次污染。水泵加氣體罐是能耗最大的，維護(hù)成本與建設(shè)成本較高。變頻供水能耗僅次于水泵加頂層水箱供水，維護(hù)成本低設(shè)備簡(jiǎn)單。變頻供水雖說(shuō)能耗不是最低的，但由于其優(yōu)良特性變頻供水是現(xiàn)有使用最為廣泛的供水方式。有效利用水資源與減少供水能耗是現(xiàn)在最需解決的問(wèn)題。

2 解決方案

由于學(xué)生宿舍具有很高的居住密度，用水量非常大。在學(xué)生用水時(shí)具有一種壞習(xí)慣，每當(dāng)?shù)狡鸫矔r(shí)間時(shí)許多學(xué)生都起床進(jìn)行洗漱，在洗漱過(guò)程水龍頭全程打開(kāi)，幾個(gè)人逐次進(jìn)行洗漱，在此時(shí)間段內(nèi)水流一直在流，在宿舍全部用水中洗漱用水占據(jù)了一大半 。在逐個(gè)洗漱期間水龍頭常開(kāi)，這是造成水資源浪費(fèi)與供水功耗增加的直接原因，本文解決思想是以單個(gè)學(xué)生在一定時(shí)間內(nèi)的用水量來(lái)衡量學(xué)生用水質(zhì)量，即在單個(gè)學(xué)生洗漱總時(shí)間內(nèi)水流量達(dá)到一定值，這樣可滿足學(xué)生用水需求。

根據(jù)分析以及現(xiàn)在變頻供水方案的特點(diǎn)，在變頻供水的基礎(chǔ)上優(yōu)化學(xué)生用水時(shí)間內(nèi)的用水設(shè)備出水量是一種有效的方法，據(jù)調(diào)查在集中用水時(shí)間內(nèi)每個(gè)學(xué)生平均用水量平均達(dá)到120L/（人·d）左右，而實(shí)際用于使用的水卻只有95L/（人·d）左右。我們提出了一種基于電動(dòng)流量控制閥的水量分配方法，通過(guò)有效分配高峰用水時(shí)間內(nèi)各樓層的水壓與水流量去解決供水能耗與供水質(zhì)量的問(wèn)題。電動(dòng)流量控制閥與壓力傳感器安裝在每層的進(jìn)水管道相隔一定距離如圖1 所示。壓力傳感器用于檢測(cè)每層管道的壓力值，電動(dòng)流量控制閥通過(guò)控制每層的壓力與流量控制各宿舍用水的水量。

圖1 管網(wǎng)改進(jìn)示意圖

每一層的壓力傳感器檢測(cè)水壓，將水壓信息傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)收集所有樓層的水壓信息，并根據(jù)各層的水壓情況以及變頻泵工作情況調(diào)節(jié)每一層的電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥流量設(shè)定值，并將壓力信息傳送給變頻泵控制器，間接調(diào)節(jié)變頻泵的轉(zhuǎn)速。整個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 計(jì)算驗(yàn)證

對(duì)比原本的變頻供水系統(tǒng)，該方法增加了整個(gè)供水系統(tǒng)的水流阻力，供水能耗增大，但由于優(yōu)化的目的是滿足供水質(zhì)量和節(jié)約資源，所以需要經(jīng)過(guò)計(jì)算對(duì)比才能得出其優(yōu)化效果。據(jù)調(diào)查學(xué)生集中用水時(shí)間常常成規(guī)律分布，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)大概為一小時(shí)。在這段時(shí)間中學(xué)生輪流用水，每人用水量滿足95L/（人·d）左右即可達(dá)到使用需求。在計(jì)算能量消耗時(shí)常用水泵的軸功率計(jì)算公式，其可表達(dá)為：

式中：N—水泵的軸功率，kW；ρ—水的密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；Q—水泵送水流量，m3/s；Hsj—實(shí)際送水高度，m；Hs—水頭總損失，m；η—水泵工作效率。

一般狀況下學(xué)生宿舍多為6 層，每層大概3.5 米高，則給水系統(tǒng)實(shí)際送水高度為21m。以常見(jiàn)的三類宿舍為舉例對(duì)象，設(shè)其共有房間300 間，每間寢室居住人數(shù)為 4 人。

原本供水系統(tǒng)學(xué)生平均用水量為120L/（人 d），計(jì)算得到水泵的總出水量為0.17×10-2m3/s。設(shè)水頭損耗為10m,水泵工作效率為0.8，則水泵軸功率為：

由于加入電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥，水流的局部阻力會(huì)增大。取改進(jìn)后每人平均用水量為100L/（人·d）,計(jì)算得到水泵的總出水量為0.14×10-2m3/s，水頭損耗增加至16m，水泵工作效率仍為0.8，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的軸功率為：

經(jīng)對(duì)比可知N1＞N2,軸功率得到一定減小，節(jié)水效率達(dá)18%左右。加入電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)能耗得到一定降低，水資源得到一定節(jié)約。

4 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證可以得出該解決方案減少了資源消耗的同時(shí)又滿足了學(xué)生用水的需求。增加電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥在一定成度上增加了供水的水頭損失看似能耗增加，但平衡了各層用水水量，總供水量與功耗得到了減少。該方案解決了用水高峰時(shí)期的供水壓力，減少了資源消耗，適合對(duì)已建成但仍存在供水問(wèn)題的宿舍供水改造。