宿舍供水问题的分析及解决方案
2020-06-23孙赛伟田晓光黄河交通学院机电工程学院
孙赛伟 田晓光 黄河交通学院机电工程学院
我国拥有学校数量庞大,据国家教育部统计公报显示我国现拥有总学生数超过2.7 亿,这其中住宿的学生占总学生的54%左右。学校人员密度高,资源消耗大,在学校资源消耗中供水资源消耗占了很大一部分,供水系统的设计直接影响着电能的损耗与水资源的利用率,因此对供水系统的优化具有很大的意义。目前最常用的供水系统是变频供水,变频供水能根据用水情况调节供水功率大小。但由于宿舍居住学生数众多变频供水也面临着诸多问题,学生用水的习惯以及用水时间都对供水系统造成一定影响。结合现有的宿舍供水问题的分析对已建成的供水管道提出改良解决方案,该方案在一定程度上增加了水头损耗但是减少了不必要的水资源浪费,在满足学生基本的用水需求情况下与为改良过的对比在能耗上得到了减少,水资源也得到一定的节约。
1 问题分析
用水时间集中:学生们在宿舍用水具有时间分布集中的特点,往往是早上醒来洗漱的时间以及中午和晚上放学的时间用水较为集中。在集中用水的时间段内各宿舍用水设备会普遍打开,在楼层底层的用水设备水流充沛,而顶层由于水流阻力大导致水流很小,功率过小的变频供水系统还会造成顶层断流的情况。
各层水流不均:由于目前学生宿舍一般不超过7 层,所以多数供水方式为单立杠水平分支供水。在楼层底层与楼层顶层由于楼层高度差水流阻力有所不同,各层的出水水压与出水流量也不同。在一定时间内底层出水量要高于顶层的出水量,这一特性使得学生在集中用水时间内会造成水资源的潜在性浪费。
资源消耗较大:现有的宿舍供水方案中有水泵加顶层水箱、水泵加气体罐、变频供水,其中水泵加水箱供水是最为节能的但其维护成本与建设成本过高,顶层水箱还会产生水的二次污染。水泵加气体罐是能耗最大的,维护成本与建设成本较高。变频供水能耗仅次于水泵加顶层水箱供水,维护成本低设备简单。变频供水虽说能耗不是最低的,但由于其优良特性变频供水是现有使用最为广泛的供水方式。有效利用水资源与减少供水能耗是现在最需解决的问题。
2 解决方案
由于学生宿舍具有很高的居住密度,用水量非常大。在学生用水时具有一种坏习惯,每当到起床时间时许多学生都起床进行洗漱,在洗漱过程水龙头全程打开,几个人逐次进行洗漱,在此时间段内水流一直在流,在宿舍全部用水中洗漱用水占据了一大半 。在逐个洗漱期间水龙头常开,这是造成水资源浪费与供水功耗增加的直接原因,本文解决思想是以单个学生在一定时间内的用水量来衡量学生用水质量,即在单个学生洗漱总时间内水流量达到一定值,这样可满足学生用水需求。
根据分析以及现在变频供水方案的特点,在变频供水的基础上优化学生用水时间内的用水设备出水量是一种有效的方法,据调查在集中用水时间内每个学生平均用水量平均达到120L/(人·d)左右,而实际用于使用的水却只有95L/(人·d)左右。我们提出了一种基于电动流量控制阀的水量分配方法,通过有效分配高峰用水时间内各楼层的水压与水流量去解决供水能耗与供水质量的问题。电动流量控制阀与压力传感器安装在每层的进水管道相隔一定距离如图1 所示。压力传感器用于检测每层管道的压力值,电动流量控制阀通过控制每层的压力与流量控制各宿舍用水的水量。
图1 管网改进示意图
每一层的压力传感器检测水压,将水压信息传输给单片机。单片机收集所有楼层的水压信息,并根据各层的水压情况以及变频泵工作情况调节每一层的电动流量调节阀流量设定值,并将压力信息传送给变频泵控制器,间接调节变频泵的转速。整个结构关系如图2 所示。
图2 系统结构图
3 计算验证
对比原本的变频供水系统,该方法增加了整个供水系统的水流阻力,供水能耗增大,但由于优化的目的是满足供水质量和节约资源,所以需要经过计算对比才能得出其优化效果。据调查学生集中用水时间常常成规律分布,持续时长大概为一小时。在这段时间中学生轮流用水,每人用水量满足95L/(人·d)左右即可达到使用需求。在计算能量消耗时常用水泵的轴功率计算公式,其可表达为:
式中:N—水泵的轴功率,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—实际送水高度,m;Hs—水头总损失,m;η—水泵工作效率。
一般状况下学生宿舍多为6 层,每层大概3.5 米高,则给水系统实际送水高度为21m。以常见的三类宿舍为举例对象,设其共有房间300 间,每间寝室居住人数为 4 人。
原本供水系统学生平均用水量为120L/(人 d),计算得到水泵的总出水量为0.17×10-2m3/s。设水头损耗为10m,水泵工作效率为0.8,则水泵轴功率为:
由于加入电动流量调节阀,水流的局部阻力会增大。取改进后每人平均用水量为100L/(人·d),计算得到水泵的总出水量为0.14×10-2m3/s,水头损耗增加至16m,水泵工作效率仍为0.8,经过改进后的轴功率为:
经对比可知N1>N2,轴功率得到一定减小,节水效率达18%左右。加入电动流量调节阀的系统能耗得到一定降低,水资源得到一定节约。
4 结论
通过计算验证可以得出该解决方案减少了资源消耗的同时又满足了学生用水的需求。增加电动流量调节阀在一定成度上增加了供水的水头损失看似能耗增加,但平衡了各层用水水量,总供水量与功耗得到了减少。该方案解决了用水高峰时期的供水压力,减少了资源消耗,适合对已建成但仍存在供水问题的宿舍供水改造。