高层住宅转输供水设计

摘 要：本文以某高层住宅小区为研究背景，采用流体力学计算软件模拟了2种不同供水方式下的流量、扬程、功率和节能率，并分析了不同管网压力下和增加小流量泵时供水系统的表现。结果表明，高区转输水箱+变频恒压供水系统能满足用水需求，但耗能大，同等条件下，采用高区无负压变频恒压供水系统更节能。管网余压增加，扬程高度和节能功率降低，节能效率增加。用水低谷期间，使用小流量水泵在满足需求的同时更节能。

关键词：高层；住宅；供水设计

中图分类号：TU 892" " " " " " " " 文献标志码：A

随着城市化进程加快和人口快速增长，高层住宅在现代城市中具有重要作用。作为现代建筑工程的代表之一，高层住宅涉及众多方面的技术挑战，其中之一便是转输供水设计[1-3]。随着建筑高度增加，水在垂直方向上的输送难度加大，供水系统面临更高的压力和挑战[4]。因此，在高层住宅的转输供水设计中，充分考虑建筑的高度和供水需求至关重要。本文以某住宅小区为研究背景，通过模拟软件探究了不同供水系统的流量、扬程高度、功率和节能率的变化情况，突出了无负压供水方式在优化节能改造中的应用。

1 工程概况

本项目位于某地高层住宅小区，共15栋住宅，最高楼层为26层，高83m。该小区有7栋为一个单元，每一栋有17层；4栋为2个单元，每一栋有25层；剩下的4栋为一个单元，每一栋有26层。所有楼栋每单元均有3个住户，该小区共1269户。小区二层及以下由市政管网供水；3～10层由地下室I区恒压变频供水泵供水，供水设备的流量为92m3/h，水压为1.13MPa，功率为44kW；11～18层由地下室II区恒压变频供水泵供水，供水设备的流量为92m3/h，水压为0.82MPa，功率为30kW；19～26层由地下室I区、II区的恒压变频供水泵同时供水。

2 建模方法和模型参数

FLOWMASTER是一种功能强大的计算流体力学（CFD）软件，专门用于供水系统的建模与分析。FLOWMASTER具有灵活的网格建模特点、多物理模拟的能力并支持多组件模型建模等一系列特点和相对于其他软件的明显优势，使其成为供水系统工程师的首选工具。它能够准确模拟供水系统中各种关键组件，如管道、阀门、泵站和储水池等，并能够考虑它们之间的互动和水位/压力变化。工程师可全面分析供水系统的性能和稳定性，优化其运行参数和结构设计。本次模拟主要将压力源元件、管道元件、离散损失元件、水泵元件、阀门元件、控制器元件和稳流罐等元件分别用于模拟市政供水管网余压、刚性圆管道、水头损失、径流泵、3种类型的阀门、水泵控制以及膨胀水箱。生活水箱的液面高1.5m，管网直径为150mm，长600m，3台水泵的杨程为113m，流量为46m3/h，模型时间为40s，稳流罐的压力取值为0.2MPa～0.6MPa，所有止水阀的开启时间设定为1s。具体建模流程如下所示。

采用FLOWMASTER的几何建模工具创建供水系统的几何模型，包括管道、阀门和泵站等组件。可以通过绘图界面或导入CAD文件实现。设定供水系统的边界条件，如入口流量、出口压力和阀门开度等。这些参数将影响系统的运行状态和水流特性。在模拟软件中指定模拟的时间步长、求解器选项和其他相关参数。这些参数将影响模拟的准确性和计算效率。软件将根据定义的几何模型和边界条件计算水流在系统中的行为和各组件的水位、压力等参数的变化情况。

3 结果与讨论

3.1 转输水箱+变频恒压供水系统

转输水箱+变频恒压供水系统的模拟结果如图1所示。由图1可知，随着流量增加，扬程高度从120m逐渐降至110m，两者间呈负相关但非线性。在模拟的40s时间内，前10s水泵流量基本为0，在10s～20s快速增加并趋于稳定，最终为0.0128m3/s。其扬程在前10s快速增至最大值，经历一段时间波动后，22s时稳定在108m。在模拟过程中，变频水泵的转速随时间逐渐增大，22s时达2900r/min，并保持稳定，此时功率为21.8kW。在水泵运行过程中，13s以后水泵的效率降至50%以下。由此可知，采用该系统进行供水时，应注意以下5个方面。1）根据高层住宅的层数和住户数量确定适当的水箱容量，水箱可根据空间限制选择垂直或水平布置，并考虑合理的布置位置，如顶部楼层、底部楼层或中部楼层，确保稳定的供水压力和均匀的水分布。2）采用变频控制技术的恒压供水系统能够根据用户需求自动调整水泵转速，实现稳定的供水压力，根据设计需求确定供水系统的最佳变频控制策略，如压力传感器反馈控制或流量反馈控制，以满足不同用户用水量的变化。3）设计供水管道网络时，需要合理配置主管道、分支管道和支管道，保证足够的水流量和稳定的供水压力。4）对于高层建筑，水锤效应可能会对供水系统造成冲击和损坏，在转输供水系统设计中应考虑合适的防水锤设计，如设置减压阀、泄压装置和水锤消除器等措施，以减少水锤效应对系统的不利影响。5）在高层住宅供水系统设计中，备用水泵和备用水箱的配置比较重要。备用设备能够在主设备维修或故障情况下持续供水，确保居民日常生活不受影响。

3.2 高区无负压变频恒压供水系统

高区无负压变频恒压供水系统的模拟结果如图2所示。由图2可知，在模拟的40s时间内，前13s水泵流量基本为0，在13s～25s快速增加并趋于稳定，最终为0.0122m3/s。其扬程在前13s快速增至最大值，经历一段时间波动后，25s时稳定在81m。在模拟过程中，变频水泵的转速随时间逐渐增大，25s时达2900r/min，并保持稳定，此时功率为14.8kW。在水泵运行过程中，16s以后水泵的效率降至50%以下。与图1相比，高区无负压变频恒压供水系统的节能率为32%，采用无负压变频恒压供水系统比转输水箱+变频恒压供水系统更节能。

3.3 市政供水管网余压对供水系统的影响

市政供水管网余压对供水系统的影响如图3所示。由图3可知，管网余压为0.2MPa、0.35MPa和0.38MPa下的转速变化规律基本一致，均表现出在前5s快速增加，5s～22s缓慢增加，22s以后趋于稳定，转速维持在2900r/min附近。管网余压为0.35MPa时，流量稳定为0.0128m3/s，扬程稳定为80m；管网余压为0.38MPa时，流量稳定在0.013m3/s，扬程稳定为77m；管网余压为0.2MPa时，流量稳定在0.011m3/s，无法满足高峰时期的用水需求。随着余压增加，扬程高度降低，功率降低，节能效率增加。市政供水管网的余压越大，即供水系统的供水压力越高，可以降低水泵的扬程要求。水泵在供水过程中需要克服管道阻力和高差，其扬程与供水压力有直接关系。当供水压力较高时，水泵只需要提供较小的扬程，就能够轻松地将水送达目标地点，因此扬程较小。另外，当供水压力较高时，水泵所需功率较小。水泵的功率、流量与扬程有关。供水压力较高时，相同流量的水泵所需扬程较小，所需功率也较小。供水压力的增加降低了水泵克服管道阻力、水泵的工作负荷和能耗。

3.4 增加小流量泵对供水系统节能优化的影响

节能优化比较如图4所示。增加小流量泵对供水系统节能优化的影响结果表明，在第23s，系统流量稳定在0.0032m3/s，扬程稳定在78m。通过系统计算可知16s时效率降至50%，节能率为55%，用水低谷期间供水需求相对较低，使用小流量水泵可以更好地匹配负载，即以更适当的流量来满足较低的供水需求，避免使用过大的水泵造成能源浪费。而且小流量水泵在设计上更适合低负载运行，其设计工况更接近用水低谷期的实际需求。相比下，普通的变频供水水泵可能在用水低谷期过于强劲，其效率反而较低。小流量水泵能够更有效地提供所需流量，实现更高能效。此外，普通的变频供水水泵在用水低谷期可能需要频繁启停，该启停过程会消耗较多能源。而小流量水泵的流量需求较低，运行相对稳定，可避免频繁启停带来的不必要的能量损耗。此外，小流量水泵在用水低谷期间通常处于较小的负荷状态，流量较小。由于较小的流量会降低水泵槽和导叶等内部部件的摩擦阻力，避免泵的沉积物、磨损和泵效降低等问题，因此能提高水泵的工作效率和寿命。

4 结论

本文以某住宅小区为研究背景，通过流体力学软件进行仿真模拟，研究了高层住宅中传输供水中不同供水系统对其产生的影响和不同供水方式的节能率，得出以下4个主要结论。1）随着流量的增加，高区转输水箱+变频恒压供水系统的扬程高度从120m逐渐降至110m，两者间呈负相关但非线性，该供水系统能满足用水需求，但耗能大。2）高区无负压变频恒压供水系统的流量稳定在0.0122m3/s，25s时其扬程稳定在81m，节能率为32%。3）管网余压越大，扬程高度和节能功率越低，节能效率越高。4）使用小流量泵扬程稳定在78m。通过系统计算可知，16s时效率降至50%，节能率为55%，用水低谷期间使用小流量水泵，可在满足需求的同时更节能。

参考文献

[1]琚冉.高层公共建筑给水排水工程节能途径及节水措施[J].住宅与房地产，2017（32）：184.

[2]黄伟乐.建筑给水节能新技术实际应用研究[D].广州：华南理工大学，2013.

[3]李霖霖.超高层建筑节水节能研究[D].重庆：重庆大学，2015.

[4]郭俊捷.高层住宅给水系统优化与节能改造研究[D].湖南：湖南大学，2017.