导 读
中国质量认证中心（China Quality Certification Centre，CQC）于2015年6月推出《二次供水设备节能认证技术规范》（CQC 3153-2015）对二次供水设备进行节能认证，技术规范中规定当采用2泵设备（1用1备），流量大于15 m?/h的供水工况下（实际工程中最常见），设备节能指标应为单位供水能耗≤880 kW·h/（km?·MPa），基于此，对比了在二次供水改造项目中采用变频供水与新型密闭可伸缩蓄水容器供水（简称工频供水）两种不同模式下的供水能耗，发现变频供水单位能耗是3 180 kW·h/（km?·MPa），而工频供水单位能耗仅为660 kW·h/（km?·MPa），相对节能79.2%。通过对比实测运行数据，发现工频供水在运行过程中单位供水能耗与用水量的多少并不相关，而采用变频供水模式单位供水能耗与用水量呈现负相关。采用变频供水模式下白天与夜间的耗电总量基本相同，均为25 kW·h左右，与用水量无关。对于直饮水供水，循环流量是保证分质供水水质的关键因素，循环流量的大小与能耗不相关对直饮水推广有指导性。
1 二次供水
1.1 二次供水的方式及发展
在我国相关法律中对二次供水的表达稍有不同但意义相近，《城市供水水质管理规定》中定义：“二次供水是指单位或者个人使用储存、加压等设施，将城市公共供水或者自建设施供水经储存、加压后再供用户的形式。”《二次供水工程技术规程》（CJJ 140—2010）中定义：“当民用与工业建筑生活饮用水对水压、水量的要求超过城镇公共供水或自建设施供水管网能力时，通过储存、加压等设施经管道供给用户或自用的供水方式。” 二次供水的发展经历了四个发展阶段，分别为以水塔供水、楼顶水箱供水为主要特征的传统二次供水，变频恒压供水，无负压供水，以及本文所采用的密闭可伸缩式蓄水容器二次供水方式，表1列出了上述二次供水方式的特点及优缺点。
表1 二次供水的方式、特点及优缺点
1.2 二次供水单位能耗因素分析
二次供水单位供水能耗指二次供水设备将1 m?生活用水提升100 m所消耗的电能，单位为kW·h/（m?·MPa）。《二次供水设备节能认证技术规范》(CQC 3153-2015)中规定的单位供水能耗值见表2。
表2 《二次供水设备节能认证技术规范》中单位供水能耗值
1.2.1 二次供水理论单位供水能耗计算
理论单位供水能耗即为不考虑其他因素，仅考虑克服水的重力所需做的功，如式（1）所示:
式中 W——克服重力所做的总功，J；
G——所提升水的重力，N；
H——将水所提升的高度，m。
将G=9 800 N，H=100 m，代入公式（1）计算得，W=9.8×105 J=0.272 kW·h，则理论单位供水能耗为0.272 kW·h/（m?·MPa）。
理论能耗是节能认证能耗的30.9%。
1.2.2 二次供水单位能耗推算
水泵效率按60%（η泵=0.6），电机效率95%（η电机=0.95），推算二次供水能耗=理论能耗/η泵/η电机=0.272/0.6/0.95=0.477［kW·h/(m?·MPa)］。
推算能耗是节能认证能耗的54.3%。
1.2.3 不同供水模式单位供水能耗影响因素
（1）变频（包括无负压）供水的能耗因素。变频供水能耗因素=水泵损失+电机损失+系统水头损失+维持水压连续克服重力做功。
（2）工频供水的能耗因素。工频供水能耗因素=水泵损失+电机损失+系统水头损失。
（3）供水方式诱导的水量因素。之所以分析供水方式诱导的水量因素，是因为采用不同供水模式下的供水量不同，即不同模式下的流量不同，所产生的水头损失存在差异，而这将影响水泵选型，从而影响系统能耗的分析。对于变频供水模式而言，水泵流量按设计秒流量计算，而工频模式下水泵流量则按最大时用水量计算。与水量直接关联的是水泵电机功率。在此所说的二次供水能耗，对于克服重力做功而言，一次性提升只与所采用的设备效率有关，典型应用是屋顶有调节储存水量，水泵流量按最大时用水量计算，水泵采用工频控制；而连续克服重力做功就与工作时间呈正相关，典型应用是屋顶取消储存水箱，水泵流量按设计秒流量计算，水泵采用变频控制。
供水方式涉及到的水量计算以及两种不同计算方式之间的关系及影响。
最大时供水水量计算如式（2）、式（3）所示：
式中 Q最大——最大时用水量，m?/h；
Q平均——平均时用水量，m?/h；
K时——时变化系数。
式中 q0——用水量标准，L/(人·d)；
T——用水时数,d；
n——用水总人数。
设计秒流量供水水量计算，计算该管段的设计秒流量如式（4）所示：
式中 qg——计算管段的设计秒流量，L/s;
Ng——计算管段的卫生器具给水当量总数；
α——根据建筑物用途而定的系数。
最大时供水与设计秒流量之间的关系如式（5）所示：
式中 qg——计算管段的设计秒流量（m?/h）;
Q最大——最大时生活用水量（m?/h）；
Ω——2~6倍（经验数据）。
影响关联性，当扬程一定时（100 m），水泵流量增加，电机功率随之增加，但并不线性增加，如图1所示。
图1 水泵电机功率随水泵流量的变化
2 直饮水供水与二次供水的关系
管道直饮水或高品质饮用水即为分质二次供水。《管道直饮水系统技术规程》（CJJ 110-2006）中规定管道直饮水系统设计应设循环管道，供回水管网应设计为同程式。目前管道直饮水的系统运行，确保管网运行安全是前提，其中采用全循环是技术方式，全循环的时间及能耗是直饮水系统重要的评价指标。
3 实验方案
3.1 实验项目背景概述
位于郑州市的某高校综合实验楼，建筑面积30 000 m?，中国建筑西北设计研究院2001年5月设计，2004年8月竣工并投入使用。供水方式为：1-6层为室外给水管网直接供给，7-11层为屋顶水箱减压供水，12-16层为屋顶水箱直接供水；裙楼设试验用水储备水箱，屋顶设30 m?组合式不锈钢板水箱1座（屋顶水箱同时为试验用水备用水源），生活消防合用，屋顶水箱底标高68.4 m；地下1层设20 m?组合式不锈钢板水箱1座，地下1层水箱底标高-4.3 m。在原有供水系统基础上将该楼供水系统改造成直饮水供水系统，设置循环管路与净化装置，直饮水系统供水采用新型密闭式可伸缩蓄水容器供水即工频供水与变频供水两种模式。
3.2 实验设备参数及选型依据
对原有供水系统进行技术改造，改造内容如下：
（1）《郑州市城市供水管理条例》规定：“按照国家有关规定设置管网测压点，保证供水管网压力达到国家规定的标准。禁止在城市公共供水管道上直接装泵抽水。”郑州市目前普遍采用的是水箱储存，水箱后变频供水。继续使用地下1层的20 m?组合式不锈钢板水箱1座（水箱底标高-4.3m）。
（2）更换原有水泵机组，原有水泵及其相关设备型号见表3。
表3 改造前泵箱联合供水设备型号及参数
（3）在工频供水模式下，由屋顶蓄水装置的液位信号控制水泵的启停，当蓄水装置液位下降到设置值时水泵启动对装置进行补水，达到水位设置上限时水泵关闭停止补水；在采用变频供水的模式下，通过水泵出口管道上设置的电接压力表与工控系统调节水泵电机转速保证恒压供水。两种供水模式共用一套工控系统，并设置手动切换开关。两种供水模式下的最不利用水点水量与水压符合《建筑给水排水设计标准》（GB 50015-2019）相关要求，并保证两种供水模式下各楼层水量水压基本相同。
（4）在水泵吸水管设计量水表，控制柜里设共用电表对用水量与用电量进行统计。
（5）将生活与消防用水分开，将原有屋顶水箱作为消防专用水箱，生活用水采用两个新型密闭可伸缩蓄水容器，该装置的容积计算参考《建筑给水排水设计标准》（GB 50015-2019）对水箱容积的规定，并结合以往工程经验与现场实际改造空间，最终按照最大时用水量的20%~30%来确定，每个蓄水容器的容积为3 m?，共计6 m?。
（6）屋顶水箱间供水管道改造，屋顶水箱间供水设蓄水容器跨越管，即地下水泵变频供水时可以不通过屋顶蓄水装置，直接供给用户水龙头；工频供水时则通过密闭储水单体重力供水至用户水龙头。
（7）水泵选型依据：①计算设计秒流量［按式(4）］和最大时用水量［按式（2）］；②监测记录原有水泵启动次数和水泵启动后的运行时间，分析水泵的供水流量和实际用水量之间的关系校核计算数据；③变频控制时2台水泵互为备用或同时运行。
改造后设备型号见表4。
表4改造后设备型号及参数
改造前后供水原理见图2。
图2 改造前后供水原理
3.3 实验设计
保证变频供水与工频供水模式下起点压力相同，即都设计叠压或都设计从水池抽水；选用同型号同参数水泵；采用同一条供水管路。通过工控柜对变频供水方式和工频供水两种模式进行切换，设置水表、电表分别计量用水量与耗电量。采用变频供水模式设定运行压力为0.87 MPa，工频供水模式运行压力为0.96 MPa；在3月22日与3月23日分别为变频与工频供水模式下的试运行；3月24日—30日采用变频供水模式，3月31日—4月12日采用工频供水模式。
4 实验结果与讨论
4.1 两种供水模式
白天与夜间单位供水能耗对比图3、图4分别为变频、工频两种供水模式下白天与夜间的单位供水能耗。
图3 采用变频与工频两种不同模式下白天单位供水能耗
图4 采用变频与工频两种不同模式下夜间单位供水能耗
从图3和图4可看出，变频供水能耗白天与夜间单位供水能耗都高于工频供水；采用变频供水模式白天与夜间单位供水能耗波动较大；采用工频供水模式白天与夜间单位供水能耗波动较小。
4.2 两种供水模式单位供水能耗与用水量的关系
图5与图6记录了两种供水模式下单位供水能耗与用水量之间的关系。
图5采用工频供水模式下单位供水能耗与其用水量
图6采用变频供水模式下单位供水能耗与其用水量
从图5和图6可看出，采用工频供水模式下，白天、夜间单位供水能耗与白天、夜间用水量变化并不相关，包括在4月3日与4月10日夜间用水量分别达到35 m?、55 m?左右的异常情况；而变频供水白天、夜间单位供水能耗与白天、夜间用水量呈负相关，当用水量较小时单位供水能耗会显著上升，在白天与夜间用水量差别不大时，其单位供水能耗也并无显著差别。分析其主要原因，是因为在变频供水模式下，无论用水量多少，水泵电机需要一直运行来维持系统所需要的水压，当在白天用水量较大时，单位供水能耗则可以有效减少，而在夜间用水量较少时，则单位供水能耗即会显著上升。而采用工频供水模式下，由于采用新型密闭储水容器，具有水量调节功能，水泵电机只在水位至设计启停位置时工作，所以供水单位能耗基本维持在一个相对较低的水平。
4.3 两种供水模式平均单位供水能耗对比
3月22日至4月12日运行的基础数据见表5。
表5 运行基础数据
对两种供水模式运行期间内在白天、夜间及全天运行的平均单位供水能耗如图7所示。在采用变频供水模式下，白天与夜间平均单位供水能耗分别为2.95、4.36 kW·h/（m?·MPa），而采用工频供水模式平均单位供水能耗分别仅为0.67、0.64 kW·h/（m?·MPa），工频供水模式相对变频在白天与夜间分别节能77.29%、85.32%，并且在采用变频供水的模式下，变频供水白天与夜间的平均单位供水能耗相差较大，但在工频供水模式下白天与夜间的平均单位供水能耗相差很小且维持在较低水平。采用工频供水全天运行平均单位能耗较变频供水相对节能79.2%。
图7 采用变频供水与工频供水两种不同模式下白天、夜间、全天平均单位供水能耗对比
图8 采用变频供水模式白天、夜间用电量及用水量的关系
4.4 变频供水模式白天夜间耗电量与用水量的关系
图8反映了变频供水模式下白天、夜间耗电量及用水量之间的关系，发现在采用变频供水模式下，白天与夜间的耗电量基本相等，约为25 kW·h左右，耗电量与用水量之间并不线性相关。这也说明了变频供水模式下单位供水能耗与与用水量呈负相关的原因。
4.5 设备选型对数据分析结果的影响
（1）由于变频供水与工频供水模式共用一套机组设备，所以水泵的选型参数需要兼顾两种供水模式，即水泵选型技术参数需介于最大时供水量与设计秒流量之间。本实验中，工频模式2台泵1用1备，按常规工程设计计算；变频运行为2台泵，没有备用泵，以设计秒流量选泵。在工频模式下，水泵能耗只跟实际做功相关，即同时间与功率的乘积相关；对变频水泵来说，工程经验计算按设计秒流量选型的水泵流量是按最大时选泵水泵流量的2~6倍，本研究中因采用一套水泵机组，所以在选型方面需要以满足变频供水为主，即所选水泵功率对于工频供水模式偏大，所以节能数据相对保守。
（2）变频水泵的扬程设定小于工频运行的扬程，对于工频水泵来说，水泵扬程随型号确定而确定，扬程是垂直高度与系统水头损失之和，水泵运行会处在高效区（水泵特性曲线）；对于设计秒流量水泵来说，实际控制压力小于工频扬程，变频控制器会调整水泵频率时刻处在水泵高效区（水泵特性曲线）运行，能耗会相对减少，这也将导致工频相较于变频节能数据相对保守。
5 结论
（1）变频供水夜间供水水泵频率不降低的原因是需要维持系统水压克服重力做功，重力势能决定频率值，而不是用水量。即变频供水节能的重要前提是克服提升水的重力做功的多少，市政二级泵站使用变频供水技术节能；二次供水泵站使用变频供水能耗较大。
（2）在屋顶设置调节水量是节能的关键，同时供水泵采用工频模式；另一个关键因素是密闭可伸缩蓄水装置的密闭正压，相当于放大式管道供水，也称驼峰供水，这是可在屋顶设置调节水量的前提。工频水泵在一天24 h内累计运行时间仅约3~4 h，通过工频与变频供水模式水泵机组的运行时间比也可从另一个角度解释相对节能数据。
（3）理论计算单位供水能耗与规范认证的能耗之间还有70%的空间，工频供水能耗与变频供水能耗差值大，二次供水仍具有较大的节能潜力。
（4）对于目前高品质水市场大力发展的形势，尤其是高品质水的供水量较小，设计用水量约是生活用水量的1%，实际直饮水用水量约是生活用水量的2%，这也是直饮水单位能耗比生活二次供水单位能耗相对较大的原因所在，但直饮水供水水质更为重要，循环与循环流量是保证水质的关键，全循环能耗与流量无关，只与系统本身有关，这为直饮水的安全运行提供保证。
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