变频泵组合供水与节能减排

余小明 / 赵煜灵

(广东省建筑设计研究院，广州 510010)

变频泵组合供水与节能减排

余小明 / 赵煜灵

(广东省建筑设计研究院，广州 510010)

本文以住宅项目高低峰流量设计为例，通过对不同变频泵组进行配比得出全年能耗及水泵高效段时间，阐述了设计秒流量、平均时流量、最大时流量等因素对选择变频泵组的重要性及合理配比副泵、气压罐的必要性。通过对比分析，笔者认为国家应在给排水专业增加变频泵组合的相应规范，以促进节能减排设计。

变频泵 节能 高效段 副泵 气压罐

0 引言

目前，为了避免高位水箱二次污染，大部分住宅或办公楼均广泛采用变频泵组供水。建筑给排水规范只对设计秒流量给出了计算依据，节水规范也只对末端供水压力给出了要求，对于选用的变频泵组台数配比、控制方式均无涉及，实际上这些因素均会影响泵组节能。

1 变频器调速原理

变频调速主要是通过改变供电电源频率对异步电动机进行调速，电动机调动转速进而带动水泵叶轮的转速，影响水泵的流量、扬程及功率。按照交流异步电机理论，其转速公式为：

(1)

式中，n为电动机的转速，f为异步电动机定子电势频率，P为电动机的极对数，S为转差率。

由式(1)可知，只要均匀电动机定子绕组频率，电动机的转速n即与之成正比变化。

根据《民用建筑工程设计技术措施/给排水》(第2.7.16)规定，变频泵组调速存在一个高效范围，变频泵一般要求调转速在75%～100%范围内，效率因数为0.75～0.80。当变频调速泵低于50%时，效率因数为0.3～0.5。由于流量与转速存在关系：Q1/Q2=n1/n2，本文通过对调速后的流量分析来判断转速的范围及效率因子。

2 设计规模与参数

下面以香雪公馆1～6栋的13F～22F(每层5户，共300户)的供水计算来实际探讨这一问题。项目22F层高68.20m、13F层高38.20m、生活水泵房设置在负2层，标高-8.50m。

根据《广州市住宅试行规范》，每户按3.5人、每人400L用水计算，时变换系数k=2.4，户内装修按二卫一厨一洗衣机配比，每户当量N=6.25。根据建筑给排水规范，计算得出：

最高时流量:Qh=4.86×2.4=11.67L/s；

卫生器具平均出流概率：

查阅《建筑给排水设计规范》，采用内插阀计算:αc=[(3.11-3.0)×0.023 74+(3.5-3.11)×0.019 39]/(3.5-3.0)=0.020 347；

卫生器具同时出流概率：

设计秒流量：

qg=0.2×4.1959%×6.25×300=15.73L/s。

3 供水曲线假设

根据以上计算结果，设计全天给水供水曲线应是介于平均数流量4.86L/s上下波动的曲线、最高用水段应是介于11.67L/s上下波动的曲线。广州市一般早上7：30～8:30，中午12:30～13:30，晚上21:00～23:00为供水最高时段。按此计算，除去此3个时段，其余20个时段的平均流量系数为：(4.86×24-11.67×4)/20=3.5L/s。

实际上供水曲线是多变的，无法按实际测试的曲线来选择泵组配比和水泵。设计只能根据现有的计算数据来计算整日消耗的能量，假设全天只按两个工况运行：高峰时段：Q2=11.67L/s,H=95m，运行时间4h；低峰时段：Q3=3.5L/s,H=95m，运行时间20h。初步讨论选泵对全日耗能量影响。

4 变频泵组配比能耗对比

设计时，根据设计秒流量选择水泵流量参数。因本项目设计秒流量较少，实际上一台主泵即可。以下分别按一用一备、二用一备、三用一备、三用一备一副泵+气压罐模式计算各耗能量及高效流量时段。

1)一用一备变频组合情况

采用一用一备变频泵进行设计，选用主泵2台：q=16L/s、H=95m、N=22kW，在此组合下，变频调速高效流量段为：0.75×16≈16L/s，即在12L/s以下运行均为低效段运行，整个低效段持续时间20h以上。

2)二用一备变频组合情况

采用二用一备变频泵进行设计，选用主泵3台：q=8L/s、H=95m、N=11kW，在此组合下单台泵运行高效流量段：0.75×8≈8L/s，组合后即：6L/s～8L/s以及12L/s～16L/s。

用户在高峰时段，变频流量调节到11.67L/s，此时与最高值流量比Q2/Q1=0.72，此时效率值同一用一备为72%(实际上考虑高峰时段的波动性,二用一备可调节的范围更广、效率更高)。

功率为：ρgqh/η=15.09kW。

3)三用一备变频组合情况

采用三用一备变频泵进行设计，选用主泵4台：q=5.3L/s、h=95m、N=7.0kW。在此组合下单台泵运行高效段：0.75×5.3≈8L/s：组合后：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)采用三用一备一副泵组合情况

采用三用一备变频泵进行设计，选用主泵4台：q=5.3L/s、h=95m、N=7.0kW，副泵1台：3.5L/s、h=95m、N=4.5kW，副泵在小流量下启动运行，在此组合下单台泵运行高效段：0.75×5.3≈8L/s，0.75×3.5≈3.5L/s：组合后高效流量段：2.63L～3.5L、3.98L～5.3L、7.95L～10.6L、11.93L～15.9L。

在高峰时段三台变频调节至11.67L/s，此时与最高值流量比Q2/Q1=0.73，此时效率73%，功率为ρgqh/η=14.88kW。

在低峰时段一台副泵运行，采用变频调节至3.5L/s，此时与最高值流量比Q3/Q1=1.0，此时功率为4.5kW；全日耗电量： 14.88×4+4.5×20=149.52kwh。

5 方案优化与调整

1)气压罐调节

根据以上对比，在两个工况假设的情况下，采用三用一备一副泵是最经济节能的，实际上夜间可能存在零流量的情况，不可能长期在低峰段一个效率下运行；在高峰时段，存在一些流量段变频调速低于75%转速的情况。在三用一备一副泵的组合下，可增加气压罐的调节控制，增加高效段。

气压罐计算参照建筑给排水设计规范：

选用主泵：q=5.3L/s、h=95m、N=7.0(三用一备)，副泵：3.5 L/s、h=95m、N=4.5kW,配套隔膜式气压罐:φ×H=1200×2600，满足容积要求，气压罐工作压力介于0.85MPa～1.05MPa，调节容积511L。

2)变频器调节控制

变频器调节一对一水泵控制，每次调速先将一台泵调到低转速或高转速，再调节另外一台水泵机组，可方便水泵的控制及维持水泵高效段，使得流量成线性增加或减少。

本项目水泵采用压力控制，压力低于0.85Mpa，启动新泵或调高变频泵转速；压力高于1.0Mpa，关闭一台主泵或调低变频泵转速。所有调节不得使水泵调速比高于0.75，当一台主泵调速达到0.75时，压力仍高于1.0Mpa，则关闭主泵开启副泵，副泵工作时，压力超过1.05Mpa时，关闭所有泵组，由气压罐调节。

通过此调节可使得在供水0≈15.9L/s时，水泵均可以处于高效段运行状态，全日耗能可取平均值75%效率计算：ρgqh/η=(1000×9.8×0.00486×95)/75%=6.0kW，全天耗能：6×24=144kWh。

6 经济对比分析

经过方案优化后(详见表1)，对比开始采用一用一备变频泵组，全年节省电量：

229.56-144×365=31 229.4kWh。

广州市住宅电费按0.66元/kWh计算,则本方案全年耗电费相对一用一备节省20611.4元。

然而在实际设计中，因为增加泵组会增加投资，尤其是房地产开发商会对成本严格控制，且后续的水电费均已经公摊给各住户所有，对于开发商来讲不愿意再追加投资。针对此点，笔者认为给排水方面应该出台相关规范(或在节水规范中增加)限制。设计的变频泵组均在高效段运行。

7 结论

1)进行变频供水系统给排水设计时，应尽量结合设计平均时流量、最大时流量及秒流量来选择变频泵组的配比，必要时多配备几台主泵，同时需配备小流量副泵与气压罐调节，使得整个变频泵组维持高效段。

表1 方案组合对比

2)变频供水因泵的选择不同，造成的电费消耗出入较大，给排水方面应制定相关标准促使变频泵组运行在高效段，促进国家的节能减排政策实行。

[1] 李超文.现代建筑给水工程中变频水泵的应用[J].山西建筑,2009,35(3)：196-197.

[2] 巴晓曼，王希斌.谈变频泵台数的确定[J].包钢科技，2007,35(3):32-33.

[3] 郭乃溶，刘志强，刘洪海，葛学伟.基于用水规律的住宅二次供水系统优化及节能分析[J].给水排水，2013,39(11)：146-149.

余小明

工程师,注册公用设备工程师(给排水)，2006年毕业于广州大学给排水专业，同年进入广东省建筑设计研究院从事给排水设计至今，参与住宅、公寓、学校、办公、酒店、医院、商业综合体、市政交通等项目，累计完成建筑面积200多万m2。

我国首个智慧城市国家标准将出台

据悉，住建部正在编制智慧城市评价模型以及基础评价标准体系的国家标准，该标准将是国内第一个指导与评价智慧城市的国家标准，预计将在今年内完成相关的编制工作并提交评审。该标准将第一次对国内的智慧城市建设管理进行科学的规范、建立统一合理的智慧城市模型和建设管理的指标，为各地进行智慧城市的建设程度、水平和效率的评估提供统一的依据。住建部将现有的国家标准以及行业标准相融合，梳理出正在制定的标准，以及根据实际需求进行优先规划标准，以突出共性标准为主，兼顾特殊要求，目的要做到“智慧城市的规划有指南，共建平台建设有标准，协同应用开发有依据，实现标准在智慧城市建设当中的有效应用”。 并且，我国的57个智慧城市建设指标中，会综合考虑不同城市的行政级别、所属区域、发达程度等因素，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.

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