浅析恒压变频无负压供水系统性能

摘 要：恒压变频无负压供水系统在近十余年里已成为我国城市生活供水不可或缺的一部分，随着科技的发展与节能压力日益增大，我国居民对于二次供水在节能性与安全性上要求也越来越高，但通过对恒压变频无负压供水系统的结构分析，发现其节能性并不如我们所预期的那样有效节能，而且在供水品质与安全性上也不尽如人意。

关键词：恒压变频；无负压供水；节能

我国是一个缺水很严重的国家，时至今日，还有许多城市常年水资源供应不足甚至严重缺水，有效节约用水成为城市供水必须要考虑的问题，正因如此，为了向城市小区居民提供必要的水资源供应，与市政自来水管网接驳的二次供水系统的重要性日益凸显。以往，常常采用建设水塔供水或者是高位水箱去制造一定的水压来保证供水，确保小区有一个水压恒定的供水系统。随着科技的日新月异，在二次供水应用方面，慢慢从无塔上水器发展到变频恒压供水系统设备等新技术，新的多学科交叉应用使得新的供水系统日益完善且越来越普及。我国曾对城市供水系统进行过改进，恒压变频无负压供水系统从2003年开始在我国普及起来，但在有效节能、水资源供应品质、安全性方面并没有达到预期效果。

一、工作原理

恒压变频无负压供水系统的系统属性是开式直流系统，与原来的开式进水池相比，除了体积更小，更为封闭之外，更主要区别在于，在蓄水罐中安装了一部压强自调节器，平衡罐内压强以达到市政自来水管网的要求，即二次供水单位需要自调节自身用水用户高峰期水压波动，不能影响或者干涉到市政自来水网供水压力的变化。这个波动主要由于不通用水时段，有用水高峰期及用水低谷期，会产生供水压头浮动的幅度峰值与低值，供水量的大小随时对供水压头产生严重影响。而安装在蓄水罐内的压强自调节器通过对蓄水罐内空气进出量调节来改变蓄水罐内压强，以消除用水高峰期致使市政自来水管网被蓄水罐内的负压直接抽吸。

压强自调节器还需使蓄水罐内压强与市政自来水管网的压强保持一致，蓄水罐内的压强自调节器会设有压强上限与压强下限，当蓄水罐内的压强高于上限时，压强自调节器要排出一部分蓄水罐内空气来降低压强；当蓄水罐内的压强在压强上限与下限波动时，压强符合市政自来水管网压强要求不需要吸入或排除空气；当蓄水罐内压强小于设定的压强下限，压强自调节器要向蓄水罐内抽入空气，使蓄水罐内压强增大。即蓄水罐内压强在阈值范围之内，蓄水罐保持封闭，压强可小范围波动；当超过或低于阈值，吸入或排出空气来调节压强，使其跟随市政自来水管网压强变化。

市政自来水管网在进入小区灌水时通过变频水泵时支援了小区供水20mH2O左右的扬程，主要由于水泵是变频，所以20mH2O左右的压头在此环节没有被损失，所以达到了节能的作用。流程图如下：

二、恒压变频无负压供水系统在部分负荷时的性能分析

恒压变频无负压供水系统从流程结构上来看，属于开式直流水系统，最不利的用水点至少要有3-5mH2O的供水水头。要考虑不同时段会有差异较大的用水量，且顾忌设计工况方面的某些问题，在工程计算中，对供水系统的用水量要选择不同的供水压头。我们不得不考虑到市政供水提供的压头在高峰用水时期会出现峰值，而提供二次供水的恒压变频无负压供水系统也同样受到不同时段用水用户量影响供水压头出现波动。在大多数情况下，二次供水的恒压变频无负压供水系统在供水过程中，水龙头的压力会增大即静压在水龙头上，最简单的做法就是关小水龙头，使水龙头的压力减小以避免压力过大从而造成二次供水的恒压变频无负压供水系统出现噪声和水锤效应，而且也不得不考虑到压力过大与供水系统的安全性的相关程度。减小压力的过程就是节流的过程，市政供水网提供的静压又被浪费掉了，普通的恒压变频供水系统在本质上与恒压变频无负压供水系统在节能方面并无区别，变频水泵供水工效低损耗大，使供水质量与供水系统安全性降低的缺点在恒压变频无负压供水系统同样存在。恒压变频无负压供水系统不节能，问题出在结构上，唯一不同就是系统龙头被加载上了市政供水系统的20mH2O左右的压头，本质问题没有得到解决，恒压变频无负压供水系统只是将缺点转移甚至放大。解决此问题就要从根本入手，即消除用水量变化对二次供水系统工况的影响。

三、恒压变频无负压供水系统结构上优化

为了更清晰的理解恒压变频无负压供水系统在结构上能否节能，我们要从本质上了解恒压变频无负压供水系统的特性，同时还要顾及二次供水的安全节能的特质，下面对恒压变频无负压供水系统进行更深层次、更本質的分析。能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。如果一个系统处于孤立环境，即不可能有能量或质量传入或传出系统，水、电系统也不例外。它们在本质上是一致的，即有了水电相似比拟原理。根据该原理，水压、水势、水阻、水流分别与电压、电势、电阻一一对应；固定水阻元件比拟为于定值电阻，调节阀对应为变值电阻。利用更加便于理解与计算的电路原理知识对水路进行计算与分析，值得注意的是水阻综合阻力系数与固定水阻的区别，导致在水系统当中，阻值是变化的，在带入电系统利用欧姆定律、基尔霍夫回路电压定律、基尔霍夫支路电流定律计算时，要格外注意。从能量角度分析，和水路分析结论是相同的。

二次供水供水系统的设计要在结构上与技术上符合现代生活要求，必须从如下三个方面同时入手。

（1）供水性能品质优良。

（2）供水蓄水安全性高。

（3）可节约能源，供水系统可持续优化。

恒压变频无负压供水系统失败在于只重视水量的变化而忽略了压力变化，导致以上三点尤其是在节能方面有所欠缺。

保持最不利的用水点至少要有3-5mH2O的供水水头，现对恒压变频无负压供水系统结构上进行如下优化：

（1）采用全变频系统+压力传感器。将压力传感器置于该供水系统中最不利的用水点，随时由电子电路监控，通过最不利用水点压力反馈结果控制水泵，使流量随时随地跟随信号的变化而变化，始终处在最高效率的工况。并且根据连通器原理，系统中各个龙头压力起伏平稳。在今后维护过程中，可对电子电路算法进行不断优化。符合供水性能品质优良、供水蓄水安全性高、可节约能源，供水系统可持续优化的要求。

（2）全变频水泵+经验化数字化模型。用水量的变化与压力的变化呈现出周期性，利用这一特性，可以建立根据近期各项数据进行数学建模，利用数字化模型通过计算时间参数，达到定时调节水泵变压变流。符合供水性能品质优良，供水蓄水安全性高，可節约能源，供水系统可持续优化的要求。

（3）全变频水泵+高位封闭水箱。类似水塔原理，水箱处于高处，相当于市政自来水提供的20mH2O左右的压头转换成势能储存在高位水箱当中，它可以无视用水量变化产生的峰值，用水量产生的波动对供水水泵不产生巨大影响，运行工况平稳，管道阻力是一定的，水泵得以持续在最高效率点运作。该方法最大的弊端是对所处建筑环境有要求，空间位置要配套。

四、结论

综上所述，目前市面上应用的恒压变频无负压供水系统并不能做到前期宣传的节约能源，而且水质与安全性也受到恒压变频无负压供水系统产生负面的影响。

本文通过分析恒压变频无负压供水系统性能，从供水性能品质优良，供水蓄水安全性高、可节约能源，供水系统可持续优化三个方面入手提出了三种新的二次供水方案以供参考。

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作者简介：

金鉴（1960-），男，江苏南京人，淮阴师范学院电工技师，研究方向：弱电维修。