变频给水的节能原理及相关参数选取原则分析

肖 悦 何 飞 陈心凤

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010)

0 引言

建筑给水系统的节能设计作为目前国家衡量高层建筑工程设计质量的关键指标，其在设计的过程中，进行分区节能设计，能够取得良好的设计节能效果，且能有效减少设计周期。此外，在实际的设计过程中，合理化的进行给水系统的能量利用率的设计，同时根据给水系统设计周期，通过合理设计来减少无效耗能，减缓高层建筑设计过程中资源紧缺现象，不断提升人们的环保意识。

1 高层建筑给水系统设计特点分析

从我国城市市政用水供水总量可看出，居民住宅的生活用水占据城市总用水量的很大比例，且居民用水差额主要与市政管网设计、建筑内部的管网设计及用水设备的采购等方面因素有关，相比普通的建筑形式而言，高层建筑给水系统设计过程中存在如下特点。

高层建筑的给水管线较长，且给水系统的压力较大，为有效的将水输送到更高的楼层，需要确保供水系统中水压的稳定性，同时应结合给水能力，确保给水系统管线中的水封不会遭到破坏。此外在供水管道上，应采用机械强度较高的管道材料，确保供水系统的稳定性。

由于输水管道较长，且水压较大，因此如何有效的控制和减少供水管道系统中的输水噪声，成为当前研究的重要内容；由于高层建筑中用水需求用户多，在实际应用及操作过程中，如果排水系统发生堵塞，那么会使整个系统瘫痪，给用户造成用水不便。此外在进行相应的供水系统设计过程中，应采用相应的竖向分区设计，以有效的减弱静水压力。

2 高层建筑给水系统能耗分析

2.1 能耗构成

首先是各楼层在最不利状态下配水点所能达到的正常出流必须的最低能耗(N1)，整个过程中主要的影响因素为：各个楼层配水支管的位置高差Zi及最不利配水点的流出水头H0；还有各楼层流量克服沿线和局部的阻力损失所消耗的能量(N2)，其主要与沿线和局部的水头损失之和∑hi有关，同时结合流体力学理论及能量平衡关系，计算出∑hi的值。此外，各楼层中的流量剩余水压所消耗的能量值(N3)，主要与配水点的剩余水头ΔHi有关。

2.2 高层建筑给水系统能耗分析

有关高层建筑给水系统中的能耗值N1，N2，N3的含义及其影响因素等如表1所示。

从表1可以看出，由于N3所反映的节能能耗的关联性较大，因此其耗能的空间及应用程度较大，因此在超出的配水点正常的出流过程及剩余水压的节能效果是多余的，在与流体力学的水压和水量的分析中，可以看出剩余水压能够有效的结合供水流量的关系，使得剩余水量以喷溅的形式出流，这样不仅造成了水量的浪费，同时给供水系统的检修带来了较大的困难，由于不能正常的进行出水分配，会造成配水点非正常性的出流或者不能出流。因此在整个的供水系统中有效的减小剩余水头，是实现节约水量、节能降耗等的有效途径。

表1 高层建筑给水系统能耗构成与分析

3 高层建筑给水系统节能措施分析

3.1 分区给水

从图1高层建筑分区给水系统的能耗构成上进行分析，剩余水头所占的能耗比例是最大的，而剩余水头的大小主要是由对应的需求供水的高度及相应的水头损失决定的，且在整个的应用过程中，应结合实际的最高楼层的层数和高度，进行高度差的计算，如果高度差减小，那么相应的分区给水的压力也会逐渐的减小。因此在实现相应剩余水压的过程中，能够达到节省给水能耗的目的。如图1所示，对于低于5层楼的剩余水头均减少的情况下，应充分的结合现有的低于5层的分区给水总扬程进行相应分析，给水总扬程为H′。

3.2 选取合适的分区方式

主要的分区方式可以分为并联、串联和减压分区，不同的分区方式其供水效率及供水需求是不同的，使用不同的分区方式产生的能耗也是不同的，为了尽可能的减小给水分压产生的剩余水头，本文对并联、串联和减压分区这三种给水方式进行分析如下。

3.2.1并联分区给水方式

并联分区给水方式主要分为水泵并联和高位水箱并联给水，水泵并联主要是对水泵的位置设置进行设计，需要设置在相应建筑的底部，在实际的工程应用中，常常用到的是变频泵并联给水系统，且在实际应用过程中，需要进行底部水泵位置的设计；此外，高位水箱的设计主要以各分区上部结构应用为主，对使用面积和相应的建筑结构负荷进行分析，其增加了相应的使用面积，因此也增加了建筑负荷和经济投入。

从整个的公式分析看，当m值逐步增大，节能量也会不断的增大，在实际应用过程中，节能量的逐步增大会影响到总能耗的变化，因此可得出如下结论：分区越多对于节能的效果越加明显。

因此在实际的工程应用的过程中，应找出给水分区与经济之间的平衡点，进而找到最佳的分区区域。

3.2.2串联分区给水方式

在串联式的分区给水方式应用过程中，以实际的分区中的水泵设置及水箱的位置设计为依据，上区的水泵在应用的过程中往往需要结合下区的水箱中的抽水进行分析。根据实际计算结果分析得出，在串联给水和并联给水的过程中，节能效果是相同的，针对串联供水方式，其在应用过程中可保持在高区工作，且能耗较少，同时给水设备对于建筑面积的占用率相对较低，但由于整体性建筑负荷的作用，会使整体建筑增加结构负荷，进而增加了成本。

3.2.3减压分区给水方式

减压分区给水需要对水泵的位置进行设计，原则上是设计在建筑的底部，结合水泵将用水进行提升，至屋顶的水箱，此过程中的减压设置依次进行，且在应用的过程中，整个减压方式并不节能，原因主要为：实际的剩余水压结构及对应的能耗减压装置相关联，水泵在使用过程中的能耗并没有降低。

因此在实际工程设计中，为达到最佳的节能效果，应合理分区，同时结合以上三种给水方式进行分析，得出节能效果中最好的方式为并联分区给水方式。

4 结语

在高层供水系统方式的选择中，应合理分析各给水方式的优缺点，目前，水泵并联方式给水节能效果较好且工程应用最多，变频给水技术虽然具有节能的效果，但是在实际的工程应用中，仍需考虑水泵合理选型及系统控制及运行等因素，并应根据具体工程具体分析。