【超高层建筑给排水设计】之-变频供水系统节能性分析3

计算模型：

某酒店式公寓建筑高度为96m，共30层，各层层高均为3.2m，地下室高度为4m，设备用房位于地下室，地上部分均为标准层，每层有20个房间，每个房间设1个卫生间，单个卫生间内洁具给水总当量N=4（楼层给水总当量为80），平均每个房间按2人考虑，每层40人，总人数1200人，用水定额为200L/(人.d)，使用时间24h，时变化系数为2.5，根据建筑物用途而定的系数值α=2.2，根据以上内容可计算得：

单体设计秒流量：q=21.6L/s=77.8m?/h

最高日用水量为：Qd=240m?

最大小时用水量：Qh=25m?/h

顶部三层采用屋顶设置变频供水设备加压供水，其余楼层采用屋顶水箱重力供水，由地下室设置的工频泵提升至屋顶水箱，工频泵的启闭由屋顶水箱液位控制。

   1、工频泵往水箱内供水

工频泵出水口与水箱进水管口高差为101.5m，水泵功率根据上文中（第3大点）水泵功率计算方式计算所得：

Q=Qh=25m?/h，H=115m，功率N=13.2kW

系统效率系数计算：

设备效率系数ηm=电机效率η1*水泵效率η2

水箱实际获得NA=Q*[H+hf]/367.2

式中，H=101.5m，hf=13（水箱对出水水头进行了减压至0m，其出流水头无法被用户利用）

则：NA=25*114.5/367.2=7.8kWh

用户实际获得NA=Q*[（H’+H‘’）/2+hf]/367.2

式中，H’=4m，H‘=87.2m，’hf=15

则：NA1=25*60.6/367.2=4.2kWh

水泵工频运行时，始终在其额定工况点或附近，其效率变化可忽略不计，故有，水泵工频运行1h，其实际耗电量等于N*T，T取1h，则实际耗电量：NR1=13.2kWh

故：

系统效率系数η=NA1/NR1=4.2/13.2=0.32

2、屋顶变频供水设备往顶部三层加压供水

顶部三层给水设计秒流量为6.8L/s（即24.5m?/h），水泵功率根据上文中（第3大点）水泵功率计算方式计算所得：

Q=25m?/h，H=9m（水泵入口水压2m，水泵出水压力11m），功率N=1.1kW

系统效率系数计算：

NA=Q*[（H’+H‘’）/2+hf]/367.2

式中，H’=91.4m，H‘’=97.8m，’hf=13

则：NA=25*107.6/367.2=7.3kWh

由于水泵流量较小，采用数字集成全变频给水设备时，工作泵为两台，偏移高效区的工况很少，且供水区域很小，近似简化计算对整个供水系统计算结果影响很小，其实际耗电量以NR1除以实际运行效率系数0.85得到：

NR1/0.85=1.1/0.85=1.3kWh

则加压区每供水25m?，需要消能的功率为：

NR=13.2+1.3=14.5kWh

系统效率系数：

η=NA/NR=7.3/14.5=0.50

3、系统综合效率系数计算

综合以上2点，采用工频-水箱系统的综合能效系数按2个系统的加权平均计算，加压区总供水量为系统用水量的10%，重力供水区占比90%。则：

系统综合效率系数：

η工=（4.2*0.32*90%+7.3*0.50*10%）/（4.2+0.54）

  =0.33

系统综合效率系数的含义为：用户实际获得功（用水量折合）与水泵实际耗电量的之比，表示系统输入电量的有效转化率。由于用户实际获得功是固定不变的，不以给水系统形式为转移，故综合效率系数越大，表示系统约节能。

4、系统耗电量计算：

1）工频泵组部分

工频泵往屋顶水箱供水，每提升25m?至水箱，消能电能11kWh，系统最高日用水量为240m?，则需要消耗电能为：

P1=(240/25)*13.2=126.7kWh

2）顶部加压部分

顶部加压部分共3层，最高日用水量为24m?，该设备每供水21.25m?（25*0.85），消耗的电能为1.1kWh，则供水24m?需消耗的电量为：

P2=（24/21.25）*1.1=1.2kWh

3）最高日供水总耗能

W1=P1+P2=126.7+1.2=128kWh

1、系统不分区，仅设1套给水设备

1）设备选型

系统设计秒流量为77.8m?/h，给水设备供水高度范围为H（H'~H‘’—4~97.8）,水泵出水口与最不利给水点高差97m，水泵进水压力为1m，设备选型：主泵单泵功率12KW（对变频运行的生活水泵，其额定工况点效率按最高效率点的95%计，即在计算水泵功率的时候要用“第3大点”的效率值再除以0.95），辅泵功率6.5kW，工作主泵共5台，四用一备，设备总流量Q=80m?/h，扬程H=120m，主泵单泵流量20m?/h，辅泵流量10m?/h。

2）水泵效率

由导读可知，单泵在60%~100%Q运行时，其实际效率变化范围约为工频运行额定工况点效率（水泵效率η2）的83%~105%，当各流量段用水时间均匀时，其平均效率大于90%η2（约96%η2），考虑实际用水情况复杂多变，但所有用水流量均极左或极右的概率较小，取效率范围中段1/3作为水泵效率计算点，则当水泵在60%~100%Q内运行时，其计算效率按90%~97%η2。

由上图可知，水泵多泵并联有助于减少系统的非高效区范围，本例中水泵运行非高效区范围共有3段，分别为：A段：0~6m?/h、B段：10~12m?/h、C段：20~24m?/h。B段为主泵单泵运行，最低流量为10/20=50%Q，效率会有所下降，最低效率点位74%η2，效率变化范围为74%~105%，中段计算效率为：85%~95%η2；同理，C段为2泵并联运行，中段计算效率为：85%~95%η2，故系统流量范围为10~80m?/h时，计算效率为：87.5%~96%η2（采用加权平均方式计算）。而A段流量极小，可采用气压罐供水，由于此流量范围多为夜间，用水概率低，系统能耗小，效率取值对最终结果影响很小，此段效率可按60%η2计，则整个泵组综合计算效率采用加权平均方式计算为：

η2‘=[6*0.6+4*（0.9~0.97）+70*（0.85~0.95）]/80

=83%~92%η2

此计算结果的含义为：当采用此全变频供水设备向管网供水时，设备可能效率区间，η2表示设备在额定工况下运行的效率值。

（注：不同项目用水情况千变万化，各流量区段用水情况不一，实际可能存在高效区中较低效率区段运行时间较长导致水泵整体效率值较低、甚至低于综合计算效率的最低值的情况，但由于非高效区段非常小，出现此情况概率较小，不做深入探讨）

3）系统效率系数计算

NA=Q*[（H’+H‘’）/2+hf]/367.2

式中，H’=4.0m，H‘=97.8m，’hf=15

则：NA=80*（47.4+15）/367.2=14.4kWh

NR=12*4=48kWh

系统效率系数

η’=NA/[NR/(0.83~0.92)]

=0.25~0.28

4）系统耗电量计算：

系统最高日用水量为240m?，该设备每供水66m?~74m?（0.83~0.92Q），消耗的电能为48kWh，则最高日耗电量为：

W2=[240/(66~74)]*48=156kWh~175kWh

1）将整个楼分成3个给水分区，每10层为1个分区，由低到高分别命名为：低区（0~32m）、中区(32~64m)、高区(64~96m)，每个分区设置独立的变频供水设备，各分区设计秒流量经计算为12.5L/s（45m?/h）。

2）设备选型：

低区：工作主泵共4台，3用1备，辅泵1台，设备流量Q=45m?/h，扬程H=52m，主泵单泵流量15m?/h，单泵功率3.8KW；辅泵流量8m?/h，辅泵功率2.1kW；

中区：工作主泵共4台，3用1备，辅泵1台，设备流量Q=45m?/h，扬程H=86m，主泵单泵流量15m?/h，单泵功率6.7KW；辅泵流量8m?/h，辅泵功率3.0kW；

高区：工作主泵共4台，3用1备，辅泵1台，设备流量Q=45m?/h，扬程H=120m，主泵单泵流量15m?/h，单泵功率9.2KW；辅泵流量8m?/h，辅泵功率4.7kW。

3）系统效率系数计算

由于分区泵组均为3用一备，非高效区范围也非常狭窄，此处做近似计算，取设备运行效率η2‘’=83%~92%η2。

NA=Q*[（H’+H‘’）/2+hf]/367.2    

则：

A.低区

NA1=45*[（4+34）/2+15]/367.2=4.2kWh

NR1=3.8*3=11.4kWh

η’1=NA1/[NR1/(0.83~0.92)]

=0.3~0.34

B.中区

NA2=45*[（36+66）/2+15]/367.2=8kWh

NR2=6.7*3=20.1kWh

η’2=NA2/[NR2/(0.83~0.92)]

=0.33~0.37

C.高区

NA3=45*[（68+98）/2+15]/367.2=12kWh

NR3=9.2*3=27.6kWh

η’3=NA3/[NR3/(0.83~0.92)]

=0.36~0.4

则：

系统综合效率系数：

η’’=（η’2+η’2+η’3）/3=0.33~0.37

4）系统耗电量计算：

各区最高日供水量均为80m?，

A. 低区

该区设备每供水37m?~41m?（0.83~0.92Q），消耗的电能为11.4kWh，则供水80m?，消耗电能为：

P1=[80/(37~41)]*11.4=22KWh~25KWh

B. 中区

该区设备每供水37m?~41m?（0.83~0.92Q），消耗的电能为20.1kWh，则供水80m?，消耗电能为：

P2=[80/(37~41)]*20.1=39KWh~43KWh

C. 高区

该区设备每供水37m?~41m?（0.83~0.92Q），消耗的电能为27.6kWh，则供水80m?，消耗电能为：

P1=[80/(37~41)]*27.6=54KWh~60KWh

D. 最高日供水总耗能

W3=P1+P2+P3=115kWh~128kWh

1、效率系数比较

工频-水箱系统：η工=0.32

变频供水系统：

A. 不分区：η’=0.25~0.28

B. 分区：η’’=0.33~0.37

η’’（变频分区）＞η工（工频-水箱）＞η’（变频不分区），

2、耗电量比较

工频-水箱系统：W1=P1+P2=128kWh

变频供水系统：

A. 不分区：W2=156kWh~175kWh

B. 分区：W3=115kWh~128kWh

W3（变频分区）＜W1（工频-水箱）＜W2（变频不分区）

3、说明：

1）前提

A. 设备选型及水泵配置应保证水泵运行高效区覆盖大多数流量范围，保证水泵绝大多数情况下运行流量位于60~100%Q内，以确保设备运行效率处于一个较高的值。

B. 电机和水泵选型应分别满足国家标准《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》GN18163和《离心泵 效率》GB/T13007-2011中相关能效要求，并应在设计说明中备注。

C. 宜按本文要求配置小流量辅泵及气压罐。

D. 本文中水泵功率不是根据样本选型得出，是根据水泵功率计算公式并由电动机及水泵最低能效值计算得出。实际样本选型不一定符合本文中功率值，当大于本文中计算值时，即样本中的设备可能存在不满足规范要求目标能效值的问题。

2）节能性

A. 变频给水设备分区供水时，随系统供水总高度增加，其供水效率增加，系统效率系数增大，当建筑高度不大于50m时，工频-水箱系统节能性略优于分区变频供水系统。

B. 当供水高度约100m时，工频-水箱系统给水节能性优于不分区变频供水系统；采用变频供水设备分区供水时，其节能性优于不分区供水，但相较于工频-水箱系统，其节能性略有优势，但差值不大。

注：总体而言，工频-水箱供水系统简化很多，影响其效率的因素少，节能效果稳定；变频供水系统节能性的细致研究内容繁杂，影响因素众多，存在难以控制的多重变量，其节能效果因设计而异、因设备而异，目前很多样本上的设备效率较低，实际应用情况堪忧，设备供水单位能耗难以通过某一种方式确定，以上计算仅作为参考，不对的地方需请读者朋友们自行甄别。