中小型机场生活供水节能设计分析

林俊峰

（上海民航新时代机场设计研究院有限公司广州分公司)

1 引言

21世纪以来，我国机场建设启动了快速发展阶段。2018年民航局党组提出“平安、绿色、智慧、人文”四型机场建设，绿色机场内涵包含资源节约、环境友好、运行高效和以人为本四个方面，其中节能减排是资源节约方面的重要组成部分。资料显示，截至2016年，我国有中小型机场140个，占全部217个民用运输机场的64.5%。140个中小型机场的旅客吞吐量年均增速高于全国平均增速，增速21.3%，大大高于大型机场10.7% 的增速[1]。可以预见，未来中小型机场在民航业占比将越来越大。

2 中小型机场生活供水现状

中小型机场生活供水有以下特点：

1）中小型机场建设地点一般在中小城市的郊区，离市区较远，海拔较高，通常离最近的市政生活供水管网距离达十几千米，很难做到市政直接供水。

2）航管楼塔台用水点高度超过24m，其他都是多层或者单层建筑，用水点高度（包括航站楼）在12m以下，场内生活供水压力普遍不高。

3）机场建筑用水分散，大型用水用户集中在航站楼、值班用房和综合办公楼，其他机场功能性用房用水量比较小。

4）中小型机场工作区占地不大，建筑单体数量不多，一般设置一座生活供水站统一供给工作区生活用水和消防用水。

目前此类机场生活供水设计的通常做法是自建生活供水站和生活水池，市政水源通过中途加压进入水池后，再通过生活供水站加压泵组统一供往各用水点，消防供水和生活供水分开，不同消防系统生活供水也各自独立运行。单/多层建筑和高层建筑未形成分区供水。

结合中小型机场生活供水的特点，本文从二级分区供水和变频泵选型组合高效区间两个方面对节能设计进行分析研究。

3 中小型机场生活供水节能分析

3.1 针对航管楼塔台高楼层用水的二级分区供水节能效果分析

某支线机场用水量情况详见表1

由表1可见，机场生活用水最高日用水量330m³/d，最大时用水量为40m³/h，最大用水用户为航站楼、值班用房以及综合办公楼，用水量超过机场总用水量的二分之一，用水压力不超过0.15MPa。航管楼用水量不大，压力约为0.36MPa。

可采用以下两种生活供水方式：

1）采用一级供水，供水站出水满足总用水量和航管楼塔台用水压力，其他建筑用水采取减压措施。一级供水参数取值为：流量Q=40m³/h，扬程H=42m。

2）采取二级分区供水，供水站出水满足总用水量和单/多层建筑生活用水压力，航管楼塔台采取二次无负压生活供水方式。供水站供水参数取值为：流量Q=40m³/h，扬程H=21m，塔台二次供水参数取值为：流量Q=1m³/h，扬程H=21m。

运行水泵的电耗值W按下式计算

式中t为水泵运行的小时数；η1及η2分别为水泵及电机的效率值。为了简化计算，假设不同流量和扬程的泵运行效率一致。为了方便计数，将系数记为k，则公式（1）简化为

代入公式（2），一级供水耗电量理 论 值 W1为 ：W1=40•42•kt=1680kt，二级分区供水耗电理论值W2为W2=40•21•kt+1•21•kt =861kt，则节省耗电率η为：

η=（W1-W2）/W1=（1680kt-861kt）/1680kt=48.75%

由计算结果可见，采用二级分区供水可较大地降低系统的耗电量，并且航管楼用水量越少，用水点水压越高，这种优化效果越明显。即在中小型机场采用方案二的二级分区供水方式节能效果明显。

表1 各建筑用水情况统计表

3.2 生活用水水泵泵组选型组合高效区间对比分析

根据水泵相似定律，同一台叶片泵流量Q与转速n的一次方成正比，扬程H与转速n的平方成正比，轴功率N与转速n的三次方成正比。由此可见，降低转速时，功率的降低量远大于流量的降低量。变频调速水泵正是基于这种原理，通过变频调速器改变电源输出频率，是一种高效调速方式，已经在生活供水中得到了广泛的运用。

在日常设计中，一般按照机场最大时用水量来选取水泵额定流量，但往往实际用水过程中不可能保证供水时段内水泵一直在最高效率点附近运行，导致水泵实际运行效率变低。

变频调速水泵（以下简称变频泵）的调速范围在0.7～1，根据水泵相似定律，变频泵的流量调节范围也应在0.7～1[2]。为了简化分析，假设:①两台工作泵的吸水口至出水管汇合点管段的水头损失相同；②不同组合的管路特性曲线相同；③不考虑备用泵对组合形式的干扰；④采用出口恒压控制[3]。在此条件下，以总生活供水量Q为基础，我们分别对单台变频泵、两台相同型号变频泵和两台不同型号变频泵三种组合方式的高效区间进行研究分析。

3.2.1 单台变频泵供水高效区间

组合1：单台变频泵供水，供水流量为Q。

在这种情况下，根据前提条件，高效区间为0.7Q～Q，即高效区间宽度为0.3Q。

3.2.2 两台相同型号变频泵联合供水高效区间

组合2：两台相同型号变频泵联合供水，单台供水流量为0.5Q，单台泵高效区间为0.35Q～0.5Q。这种组合情况可分为两种情况来分析，如下图1

①当系统流量小于单台泵流量（0.5Q）时，只有单台泵工作，这种工况下高效区间为0.35Q～0.5Q。

②当系统流量大于单台泵流量（0.5Q）时，两台泵同时工作，此时相当于一台流量为Q的变频泵工作，这种工况下高效区间为0.7Q～Q。

在组合2整个流量变化过程中，属于高效区间的范围为0.35Q～0.5Q和0.7Q～Q，比组合1多了0.35Q～0.5Q的高效区间。

3.2.3 两台不同型号变频泵联合供水高效区间

组合3：两台不同型号变频泵联合供水，小流量泵流量为0.25Q，大流量泵流量为0.75Q。小流量变频泵高效区间为0.175Q～0.25Q，大流量变频泵高效区间为0.525Q～0.75Q。

这种组合情况可分为四种情况来分析见图2。

①当系统流量小于小流量泵流量（0.25Q）时，只有小流量泵工作，如图2所示，这种工况下高效区间为0.175Q～0.25Q。

②当系统流量介于小流量泵流量（0.25Q）和大流量泵流量（0.75Q）之间时，可看成转换大流量泵工作，如图2所示，这种工况下高效区间为0.525Q～0.75Q。

③当系统流量大于大流量泵流量（0.75Q）时时，两台变频泵同时工作，如图2所示，这种工况下高效区间为0.75Q～Q。

图1 两台相同型号变频泵组工作示意图

图2 两台不同型号变频泵组工作示意图

④还有一种情况是系统流量介于0.7Q和大流量泵流量（0.75Q）之间时，不论是大流量泵单台工作还是两台变频泵同时工作的情况，都属于在各自高效区间工作。

综合三种组合，假设全天供水时段的生活用水量从0～Q是均匀分布的，则

组合1高效区间占全天供水时段比例为a1=30%；

组合2高效区间占全天供水时段比例为 a2=（0.5-0.35）+（1-0.7）=45% ；

组合3高效区间占全天供水时段比例 为 a3=（0.25-0.175）+（0.75-0.525）+（1-0.75）=55%；

即高效区间占全天供水时段比例由大到小顺序为：组合3＞组合2＞组合1，三种组合中最优组合为组合3，即一大一小两台变频泵联合供水效率更高。

4 结语

①针对机场航管楼塔台高楼层的生活供水，在现场建设条件允许的情况下，宜采用二级分区加压生活供水方式。

②供水站生活给水变频泵组合，宜采用一大一小两台变频泵联合供水，可保证机场生活供水在全天较长的供水时段内处在泵组的高效区间，供水效率更高。