管网叠压供水水头影响及节能框算

张敏， 胡诗苑， 高金良

（1.东营市东营区住房和城乡建设局，山东 东营 257100；2.哈尔滨工业大学环境学院，哈尔滨 150090）

0 引言

2013年王世功等［1］便提出对市政管网叠压供水节能开展实验研究，随着经济的高速发展，城市规模的扩大，市政供水水压不能满足高层的用水需求，二次供水的技术的研究显得尤为突出。2017年宋玲等［2］人对管网叠压供水能耗分析并提出节能措施。陈晨［3］在多水源优化调度角度通过基于PDD的水力模型指导节能及分区。叠压供水将增压设备直接与市政管网相连，在管网压力的基础上进行增压供水，市政管网出流不再为传统水箱供水方式的液位阀控制，二次加压水泵的静扬程也发生变化，取决于管网水压和用户用水水压需求。市政管网的流量、水压、管道直径等水力参数及周边用户的用水情况都会对叠压供水系统产生影响，同时由于取消水箱，叠压系统的流量变化也会对周边用户用水产生影响。文中针对叠压系统对其自身可利用余压及其对周边用户的影响进行分析，同时对叠压供水系统与传统“水箱+变频泵”联合供水系统能耗进行了分析，以便推广叠压系统的使用。

1 传统水箱变频泵联合供水与叠压供水比较

水箱与变频泵联合供水及叠压供水为现有高层建筑二次供水中比较成熟的两种方式。水箱与变频泵联合供水系统中，市政管网中的水进入水箱，再由变频泵供给到用户，水箱能起到一定的调节作用，并能够贮备一定的水量；而叠压供水直接从市政供水管网中取水，供给到用户，减少水箱，能够充分利用管网余压［4，5］。二者优缺点如下表1所示。

表1 水箱与变频泵联合供水及叠压供水系统优缺点

2 叠压设备在管网中的位置的影响

传统水箱与变频泵联合供水系统由于水箱的存在，具有一定的调蓄削峰作用，小区节点流量相对比较稳定，而叠压供水不具备调蓄能力，其需水量取决于用户用水，存在峰平谷的水量波动，会造成管网中流量及水力条件的变化［6］。文中探究管网中不同位置小区由传统水箱变频泵联合供水改造为叠压供水方式的管网余压变化及其对供水管网周围用户的影响。

假设管网中存在远中近三个小区，小区A、小区B和小区C。假定水厂水压恒定，分别对小区A、小区B和小区C进行叠压供水改造。由于传统的水箱能够储蓄一定的水量，具有调蓄作用，其需水量相对稳定，假设三个小区采用水箱变频泵联合供水时，流量分别为QA、QB、QC。而改为叠压供水后，其需水量波动较大，假定三个小区相对于水箱变频泵联合供水时变化的用水量分别为QA'、QB'、QC'。在不考虑水箱与变频泵和叠压供水附件局部水头损失影响的情况下，对管道的阻力系数S进行假设，如图1所示。

图1 算例管网示意图

2.1 水箱变频泵联合供水水头损失。

当小区A、B、C均采用传统水箱与变频泵用水时，从水厂至小区A、B、C的水头损失分别为：

从水厂至小区A的水头损失。

从水厂至小区B的水头损失：

从水厂至小区C的水头损失：

2.2 叠压改造后水头损失

叠压供水的情况下，需水量取决于用水流量，分别对小区A、B、C进行叠压供水改造，其由于叠压供水分别造成流量的变化分别为QA'、QB'、QC'，以探究在供水管网不同位置处进行叠压改造的水头损失，以确定叠压供水用户可利用余压。

在小区A进行叠压供水时，从水厂至3个小区的水头损失分别为：

小区A：

小区B：

小区C：

在小区B进行叠压供水时，从水厂至三个小区的水头损失分别为：

小区A：

小区B：

小区C：

在小区C进行叠压供水时，从水厂至3个小区的水头损失分别为：

小区A：

小区B：

小区C：

通过分析可知，距离水厂越近的用户，在用水高峰时可利用余压越大，且可利用余压波动越小；距离水厂越远的用户，在用水高峰时可利用余压越小，且可利用余压波动越大，应匹配特性曲线较陡且高效区扬程范围较大的水泵。

2.3 叠压供水改造相比于传统水箱变频泵联合供水水头损失差值

为探究叠压供水对相比于水箱供水，对周围用户的影响，故计算相对于传统水箱变频泵联合供水时，各个小区水头损失差值为：

小区A进行叠压改造时各小区水头损失差值：

小区B进行叠压改造时各小区水头损失差值：

小区C进行叠压改造时各小区水头损失差值：

由计算可知，叠压用户与水厂的距离影响会对周围用户用水水压产生影响。由ΔhB1=ΔhC1可知，叠压用户靠近水厂时，对于后续用户水头的影响相同，在用水高峰时，均会造成用户水头的降低。同时，由ΔhA3＞ΔhB3可知，叠压用户远离水厂时，距离水厂越近的用户受到叠压用水用户的影响越小。

3 叠压设备节能分析

在叠压设备中，采用最多的为离心泵。根据泵的性能理论，离心泵在某段时间内电耗公式如下所示。

式中，W为水泵运行的电耗，kW·h；γ为水的密度，kg/m3；η1为水泵效率；η2为电机效率；t为时间段长，h。

在水泵运行过程中，影响能耗的主要因素包括供水量Q，供水扬程H，水泵运行时间t及水泵与电机的效率，简化计算时，η1、η2可取70%。而“水箱+变频泵”与变频叠压的区别主要在于变频叠压能利用市政供水管网余压，供水扬程相对于“水箱+变频泵”较小，同一小区使用变频叠压和“水箱+变频泵”的能耗。

（1） 水箱+变频泵日电耗。

式中，W变为“水箱+变频泵”运行1d电耗，kW·h；Qht为第t个小时内用户用水量，m3/s；Qd为用户最高日用水量，m3/d；P出为水泵出口设定压力；HD为变频调速泵供水时，贮水池内满水水位与水泵中心的高程差，m。

（2） 叠压供水电耗。

式中，W叠为叠压设备运行一天电耗，kW·h；Qht为第t个小时内用户用水量，m3/s；P出为水泵出口设定压力；H市进为市政进水管余压，m。Hc为变频调速泵供水时，市政进水管与水泵中心的高程差。

式中，ΔW为水箱加变频能耗与叠压供水能耗差值，即可表达叠压供水节能的多少。

4 应用展望

在后续工程应用中，可根据用户与水厂距离判断选择供水方式及水泵的选型。

在二次供水中，主导因素受高差影响较大，叠压供水是否采用高位水箱及水泵工作情况分析，可作为后续研究开展。

5 结语

叠压用户与水厂的距离影响周围用户用水水压，及叠压用户可利用余压。叠压用户靠近水厂时，对于后续用户水头的影响相同，同时叠压用户远离水厂时，距离水厂越近的用户受到叠压用水用户的影响越小。距离水厂越远，叠压用户用水波动影响越大。

通过“水箱+变频泵”与变频叠压的能耗分析，期区别主要在于变频叠压能利用市政供水管网余压，供水扬程相对于“水箱+变频泵”较小。

叠压供水节能与用户流量有关及市政进水水压有关，且恒大于H市进minQd/179.33。