表3 改造前泵箱聯(lián)合供水設(shè)備型號(hào)及參數(shù)

（3）在工頻供水模式下，由屋頂蓄水裝置的液位信號(hào)控制水泵的啟停，當(dāng)蓄水裝置液位下降到設(shè)置值時(shí)水泵啟動(dòng)對(duì)裝置進(jìn)行補(bǔ)水，達(dá)到水位設(shè)置上限時(shí)水泵關(guān)閉停止補(bǔ)水；在采用變頻供水的模式下，通過水泵出口管道上設(shè)置的電接壓力表與工控系統(tǒng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保證恒壓供水。兩種供水模式共用一套工控系統(tǒng)，并設(shè)置手動(dòng)切換開關(guān)。兩種供水模式下的最不利用水點(diǎn)水量與水壓符合《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（gb 50015-2019）相關(guān)要求，并保證兩種供水模式下各樓層水量水壓基本相同。

（4）在水泵吸水管設(shè)計(jì)量水表，控制柜里設(shè)共用電表對(duì)用水量與用電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（5）將生活與消防用水分開，將原有屋頂水箱作為消防專用水箱，生活用水采用兩個(gè)新型密閉可伸縮蓄水容器，該裝置的容積計(jì)算參考《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（gb 50015-2019）對(duì)水箱容積的規(guī)定，并結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際改造空間，最終按照最大時(shí)用水量的20%~30%來(lái)確定，每個(gè)蓄水容器的容積為3 m3，共計(jì)6 m3。

（6）屋頂水箱間供水管道改造，屋頂水箱間供水設(shè)蓄水容器跨越管，即地下水泵變頻供水時(shí)可以不通過屋頂蓄水裝置，直接供給用戶水龍頭；工頻供水時(shí)則通過密閉儲(chǔ)水單體重力供水至用戶水龍頭。

（7）水泵選型依據(jù)：①計(jì)算設(shè)計(jì)秒流量［按式(4）］和最大時(shí)用水量［按式（2）］；②監(jiān)測(cè)記錄原有水泵啟動(dòng)次數(shù)和水泵啟動(dòng)后的運(yùn)行時(shí)間，分析水泵的供水流量和實(shí)際用水量之間的關(guān)系校核計(jì)算數(shù)據(jù)；③變頻控制時(shí)2臺(tái)水泵互為備用或同時(shí)運(yùn)行。

改造后設(shè)備型號(hào)見表4。

表4改造后設(shè)備型號(hào)及參數(shù)

改造前后供水原理見圖2。

圖2 改造前后供水原理

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

保證變頻供水與工頻供水模式下起點(diǎn)壓力相同，即都設(shè)計(jì)疊壓或都設(shè)計(jì)從水池抽水；選用同型號(hào)同參數(shù)水泵；采用同一條供水管路。通過工控柜對(duì)變頻供水方式和工頻供水兩種模式進(jìn)行切換，設(shè)置水表、電表分別計(jì)量用水量與耗電量。采用變頻供水模式設(shè)定運(yùn)行壓力為0.87 mpa，工頻供水模式運(yùn)行壓力為0.96 mpa；在3月22日與3月23日分別為變頻與工頻供水模式下的試運(yùn)行；3月24日—30日采用變頻供水模式，3月31日—4月12日采用工頻供水模式。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 兩種供水模式

白天與夜間單位供水能耗對(duì)比圖3、圖4分別為變頻、工頻兩種供水模式下白天與夜間的單位供水能耗。

圖3 采用變頻與工頻兩種不同模式下白天單位供水能耗

圖4 采用變頻與工頻兩種不同模式下夜間單位供水能耗

從圖3和圖4可看出，變頻供水能耗白天與夜間單位供水能耗都高于工頻供水；采用變頻供水模式白天與夜間單位供水能耗波動(dòng)較大；采用工頻供水模式白天與夜間單位供水能耗波動(dòng)較小。

4.2 兩種供水模式單位供水能耗與用水量的關(guān)系

圖5與圖6記錄了兩種供水模式下單位供水能耗與用水量之間的關(guān)系。

圖5采用工頻供水模式下單位供水能耗與其用水量

圖6采用變頻供水模式下單位供水能耗與其用水量

從圖5和圖6可看出，采用工頻供水模式下，白天、夜間單位供水能耗與白天、夜間用水量變化并不相關(guān)，包括在4月3日與4月10日夜間用水量分別達(dá)到35 m3、55 m3左右的異常情況；而變頻供水白天、夜間單位供水能耗與白天、夜間用水量呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)用水量較小時(shí)單位供水能耗會(huì)顯著上升，在白天與夜間用水量差別不大時(shí)，其單位供水能耗也并無(wú)顯著差別。分析其主要原因，是因?yàn)樵谧冾l供水模式下，無(wú)論用水量多少，水泵電機(jī)需要一直運(yùn)行來(lái)維持系統(tǒng)所需要的水壓，當(dāng)在白天用水量較大時(shí)，單位供水能耗則可以有效減少，而在夜間用水量較少時(shí)，則單位供水能耗即會(huì)顯著上升。而采用工頻供水模式下，由于采用新型密閉儲(chǔ)水容器，具有水量調(diào)節(jié)功能，水泵電機(jī)只在水位至設(shè)計(jì)啟停位置時(shí)工作，所以供水單位能耗基本維持在一個(gè)相對(duì)較低的水平。

4.3 兩種供水模式平均單位供水能耗對(duì)比

3月22日至4月12日運(yùn)行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表5。

表5 運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

對(duì)兩種供水模式運(yùn)行期間內(nèi)在白天、夜間及全天運(yùn)行的平均單位供水能耗如圖7所示。在采用變頻供水模式下，白天與夜間平均單位供水能耗分別為2.95、4.36 kw·h/（m3·mpa），而采用工頻供水模式平均單位供水能耗分別僅為0.67、0.64 kw·h/（m3·mpa），工頻供水模式相對(duì)變頻在白天與夜間分別節(jié)能77.29%、85.32%，并且在采用變頻供水的模式下，變頻供水白天與夜間的平均單位供水能耗相差較大，但在工頻供水模式下白天與夜間的平均單位供水能耗相差很小且維持在較低水平。采用工頻供水全天運(yùn)行平均單位能耗較變頻供水相對(duì)節(jié)能79.2%。

圖7 采用變頻供水與工頻供水兩種不同模式下白天、夜間、全天平均單位供水能耗對(duì)比

圖8 采用變頻供水模式白天、夜間用電量及用水量的關(guān)系

4.4 變頻供水模式白天夜間耗電量與用水量的關(guān)系

圖8反映了變頻供水模式下白天、夜間耗電量及用水量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在采用變頻供水模式下，白天與夜間的耗電量基本相等，約為25 kw·h左右，耗電量與用水量之間并不線性相關(guān)。這也說明了變頻供水模式下單位供水能耗與與用水量呈負(fù)相關(guān)的原因。

4.5 設(shè)備選型對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果的影響

（1）由于變頻供水與工頻供水模式共用一套機(jī)組設(shè)備，所以水泵的選型參數(shù)需要兼顧兩種供水模式，即水泵選型技術(shù)參數(shù)需介于最大時(shí)供水量與設(shè)計(jì)秒流量之間。本實(shí)驗(yàn)中，工頻模式2臺(tái)泵1用1備，按常規(guī)工程設(shè)計(jì)計(jì)算；變頻運(yùn)行為2臺(tái)泵，沒有備用泵，以設(shè)計(jì)秒流量選泵。在工頻模式下，水泵能耗只跟實(shí)際做功相關(guān)，即同時(shí)間與功率的乘積相關(guān)；對(duì)變頻水泵來(lái)說，工程經(jīng)驗(yàn)計(jì)算按設(shè)計(jì)秒流量選型的水泵流量是按最大時(shí)選泵水泵流量的2~6倍，本研究中因采用一套水泵機(jī)組，所以在選型方面需要以滿足變頻供水為主，即所選水泵功率對(duì)于工頻供水模式偏大，所以節(jié)能數(shù)據(jù)相對(duì)保守。

（2）變頻水泵的揚(yáng)程設(shè)定小于工頻運(yùn)行的揚(yáng)程，對(duì)于工頻水泵來(lái)說，水泵揚(yáng)程隨型號(hào)確定而確定，揚(yáng)程是垂直高度與系統(tǒng)水頭損失之和，水泵運(yùn)行會(huì)處在高效區(qū)（水泵特性曲線）；對(duì)于設(shè)計(jì)秒流量水泵來(lái)說，實(shí)際控制壓力小于工頻揚(yáng)程，變頻控制器會(huì)調(diào)整水泵頻率時(shí)刻處在水泵高效區(qū)（水泵特性曲線）運(yùn)行，能耗會(huì)相對(duì)減少，這也將導(dǎo)致工頻相較于變頻節(jié)能數(shù)據(jù)相對(duì)保守。

5 結(jié)論

（1）變頻供水夜間供水水泵頻率不降低的原因是需要維持系統(tǒng)水壓克服重力做功，重力勢(shì)能決定頻率值，而不是用水量。即變頻供水節(jié)能的重要前提是克服提升水的重力做功的多少，市政二級(jí)泵站使用變頻供水技術(shù)節(jié)能；二次供水泵站使用變頻供水能耗較大。

（2）在屋頂設(shè)置調(diào)節(jié)水量是節(jié)能的關(guān)鍵，同時(shí)供水泵采用工頻模式；另一個(gè)關(guān)鍵因素是密閉可伸縮蓄水裝置的密閉正壓，相當(dāng)于放大式管道供水，也稱駝峰供水，這是可在屋頂設(shè)置調(diào)節(jié)水量的前提。工頻水泵在一天24 h內(nèi)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間僅約3~4 h，通過工頻與變頻供水模式水泵機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間比也可從另一個(gè)角度解釋相對(duì)節(jié)能數(shù)據(jù)。

（3）理論計(jì)算單位供水能耗與規(guī)范認(rèn)證的能耗之間還有70%的空間，工頻供水能耗與變頻供水能耗差值大，二次供水仍具有較大的節(jié)能潛力。

（4）對(duì)于目前高品質(zhì)水市場(chǎng)大力發(fā)展的形勢(shì)，尤其是高品質(zhì)水的供水量較小，設(shè)計(jì)用水量約是生活用水量的1%，實(shí)際直飲水用水量約是生活用水量的2%，這也是直飲水單位能耗比生活二次供水單位能耗相對(duì)較大的原因所在，但直飲水供水水質(zhì)更為重要，循環(huán)與循環(huán)流量是保證水質(zhì)的關(guān)鍵，全循環(huán)能耗與流量無(wú)關(guān)，只與系統(tǒng)本身有關(guān)，這為直飲水的安全運(yùn)行提供保證。