“双碳”背景下上海典型老旧居民小区二次供水系统能耗研究

范晶璟

（上海城投水务(集团)有限公司供水分公司, 上海 200002）

据英国石油公司发布的《世界能源统计年鉴2020》统计数据显示，2009～2019 年，我国碳排放量由7.71×109t 提升至9.83×109t[1]。我国将采取更加有力的政策和措施，优化产业结构和能源结构，争取实现2030、2060 年的碳中和、碳达峰目标[2-3]。当前国内能源消费产生的碳排放占二氧化碳总排放的85%以上[4]，而其中建筑能耗占比较高，达国民经济总能耗的30%左右[5]。因此，促进建筑行业节能发展，有利于尽快实现双碳目标，促进经济社会可持续发展。水务行业虽不是传统工业企业，但在能耗上也是不容小觑。据统计，2012 年我国的用电量达到了5×1012kW·h，其中电量的20%为水泵装置所消耗[3]。因此，优化供水模式，提高水泵效率，降低单位供水能耗理论上可以为我国二氧化碳排放总量的降低作出可观的贡献。

目前，原水至水厂的一级泵站、水厂出水二级泵站及管网中途增压泵站的运行能耗费用通常由自来水公司支付。通过大量的数据积累及分析，自来水公司开展了一系列能耗优化改进工作，且成效显著[6-7]。然而，城镇二次供水的运行能耗费用通常由物业承担，不仅缺少必要的优化改进措施，而且自来水公司对此环节数据的获取也不够充分。通常情况下，居民小区二次供水主要分为市政直供、水池+变频水泵、水池+工频水泵+水箱及叠压供水等供水模式，其中叠压供水对市政管网高峰供水有较大的影响，因此地区使用占比较小。

为提升供水精细化管理及从源头到龙头的全流程运行优化，在保障供水品质和安全的前提下降低运行能耗，本文以上海市中心城区典型的2 个老旧居民小区为研究对象，通过二次供水实测数据，对比分析了不同供水模式下的能耗情况，并从运行模式和水泵的参数计算选型等角度出发进行相关分析，提出优化建议。

1 研究对象与方法

1.1 居民小区情况

本文针对上海市中心城区A、B 两个典型老旧居民小区的泵房进行能耗分析研究。A 居民小区包括多层和高层两种类型住宅。其中，多层供水区域共有11 个门栋，每栋5 层或6 层楼，共计204 户；高层供水区域仅有1 个门栋，楼高20 层，共计180 户。B 居民小区均为多层住宅，共计18 个门栋，每栋5 层或6 层楼，共计392 户。两个小区相隔约300 m，且距离上海南市自来水厂约3 km，市政管网压力为0.20～0.24 MPa，两个小区均为20 世纪80 年代建造，建筑结构有一定程度的老化。因此在实施二次供水改造时，管路设置和水泵选型参考了原供水走向和模式，同时对设施、设备材质予以提升，并在改造后再进行运行优化。

1.2 二次供水泵房机组

目前，A 小区泵房共有两套供水机组，分别给多层和高层住宅居民供水；B 小区泵房仅有一套供水机组。每套供水机组均由2 台同规格、型号的水泵组成，同时每个门栋均有一个屋顶水箱，为提升多层居民顶楼水压，均安装了相应的屋顶增压水泵，水泵参数具体见表1。其中Q为水泵额定流量，H为水泵额定扬程，N为水泵额定功率。

表1 A、B 两小区水泵参数情况Table 1 Water pump parameters of community A and B

1.3 供水模式

A、B 两个小区多层住宅供水区域模式为：1～3 层为水池+变频水泵供水（居民通过水泵取水，任意一户居民用水则水泵运行）；4～6 层为水池+变频水泵+屋顶水箱供水（居民通过屋顶水箱取水，当水箱液位降低至设定液位，水泵对水箱进行补水）。多层住宅屋顶水箱通过液位阀控制进水，水箱内部水体液位由高液位降到低液位过程中阀门关闭，液位触及设定低液位时阀门打开，液位触及设定高液位阀门关闭。A 小区高层住宅供水模式为：1～20 层由水池+工频水泵+屋顶水箱供水（虽为了其他研究需要，水泵配置了变频器，但由于水泵机组只供应一个屋顶水箱，管路结构固定，可以视作工频运行）。

区别于多层住宅屋顶水箱，高层住宅屋顶水箱是1 组泵对应1 个水箱，水箱进水管未设置阀门，仅通过水箱液位仪控制水泵的启停，以实现水箱进水的补停。同时由于多层住宅的水箱距离顶楼较近，仅依靠重力流对顶楼居民供水，压力无法满足需求，因此在屋顶水箱出水管安装了集中增压水泵（一般来说，居民家中会自行安装家用小型增压泵来弥补压力不足的情况），而高层住宅屋顶水箱距离顶楼居民有一定距离，因此不需要在屋顶水箱出水管增设额外加压设施。多层住宅和高层住宅的供水模式详见图1。

图1 A、B 小区供水模式示意图Fig.1 Schematic diagram of water supply mode in community A and B

1.4 泵房水泵效率计算

由于水泵机组效率由水泵效率和电机效率两部分组成，主要通过《清水离心泵能效限定值及节能评价值》（GB19762—2007）和《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》（GB18613—2012）对水泵本身进行评价。从实际运行角度出发，供水模式和居民用水量等因素都会影响水泵的运行能力，因此，对水泵机组运行效率进行统计更方便，也更有现实价值，具体可通过式（1）[8]来计算：

其中：η′为水泵机组运行效率（%）；Q'为水泵机组运行流量（m3/h）；H'为水泵机组运行扬程（m）；N′为水泵机组运行功率（kW）；ρ为水的密度（1 000 kg/m3）；g为重力加速度，取9.81 N/kg。

2 用水量分析

2.1 用水量随时间变化

2020 年9 月至2021 年12 月期间，A 小区多层区域、A 小区高层区域以及B 小区多层区域居民月度用水量情况根据水泵出水管流量计获得。由于被研究小区人口具有一定的流动性，且难以统计每户实际居住人数，因此通过剔除每月天数和户数影响，对比各区域每月用水总量/（每月天数×服务户数），用水情况具体如图2 所示。

图2 A、B 小区月度每户日均用水量情况Fig.2 Monthly average daily water consumption of each room in community A and B

A 小区多层区域、高层区域以及B 小区多层区域各月平均用水量受年度影响较小，2021 年较2020 年在相同月份用水量变化在6%以内。在月度方面，3 个供水住宅区域用水量变化趋势较为一致，月度用水量变化幅度较为明显，用水量均随温度升高而增大，但增幅略有不同。其中，A 小区多层区域每户的日均用水量低谷月在2 月，为307.42 L；用水量高峰月在7 月，为450.51 L；增幅为46.54%。A 小区高层区域和B 小区多层区域的用水量低谷均在1 月，用水量高峰均在8 月，增幅分别为28.06%和16.18%。

根据《上海市住宅设计标准》（DGJ08-20—2019）规定：住宅每人最高日生活用水量定额不宜大于230 L。因此，设计单位在水泵选型时（水池+工频水泵+水箱模式），需要代入最高日最高时用水量，即便是对已接管的住宅小区，在设计过程中，为计算方便，常用人均上限值230 L/d (24 h)作为基数，再乘以最高日最高时系数和总人数，而总人数按每户平均3～3.5 人乘以总户数代入。为保障供水水量，水泵参数选择时，并不是根据实际历史数据进行精细化分析选取，会出现水泵流量参数选择偏大的情况，存在一定程度的能耗浪费。

2.2 供水流量时长分布

当采用水池+变频水泵模式供水时，根据设计规范，水泵流量选型通常是按照设计秒流量的方法计算确定。然而，在实际运行工况下，由于居民用水习惯的差异，导致d (24 h)内大多数时间水泵的供水流量远低于额定流量，即便是夏季也相差甚远。图3示出了2021 年7 月1 日A、B 小区多层区域泵房水泵的不同供水流量的时间占比情况。如图3 所示，A、B 小区多层区域的泵房水泵运行水量小于0.1Q的时间占比最大，分别为43.71%和35.60%。A、B 小区多层区域水泵流量低于0.4Q的时间占比分别为89.72%和91.93%。因此，从能耗角度出发，若要保留原有供水格局，可采用大小泵组合模式，当居民用水量低时，采用小流量水泵运行，以提高供水效率，降低运行能耗。

图3 2021 年7 月1 日A、B 小区多层区域泵房供水流量的时间占比情况Fig.3 Time proportion of different water supply flow of pump stations in mid-rise community A and B on July 1, 2021

3 二次供水能耗分析

3.1 多层区域泵房水泵能效分析

获取A、B 小区多层泵房水泵机组的各时段水力以及能耗数据，计算其实时效率情况。由于流量及能耗数据每秒都在波动，不利于分析，取每小时相关数据的平均值，再进行效率计算。此外，由图2 可知，7 月份日均用水量最大，且3 种工况差异最为显著，因此选择2021 年7 月1 日数据进行深入分析，具体结果如图4 所示。从图4 可以看出，A、B 小区多层区域泵房水泵运行效率最高点分别在18 时和6 时，且均低于60%；，而运行效率最低点分别在15 时和3 时，且均低于15%；全天运行效率平均值为36.2%和33.91%。B 小区多层区域相较A 小区多层区域在水泵机组运行效率方面波动更剧烈，这是由运行水量波动所导致的。A、B 小区多层区域1～3 层为水泵直接供水，4～6 层均由水泵输送至水箱间接供水，水箱进水又受液位影响，因此，水泵运行水量和通常用水高峰有时会错开。可以看出，水泵机组的运行水量和水泵运行效率呈现较为一致的变化关系，整体来说水泵运行效率随流量增大而不断变大。

图4 2021 年7 月1 日A、B 小区多层泵房水泵运行水量及机组运行效率变化Fig.4 Changes of pump operating water flow and operating efficiency of pump stations in mid-rise community A and B on July 1, 2021

由于水泵为变频恒压调速运行，其运行功率也随流量变化，导致效率和流量呈指数关系，具体如图5所示。由图5 可以看出，随流量增大，水泵运行效率逐渐增大，但是增速变缓。水泵效率的最优情况是尽量使运行流量靠近额定流量附近运行。当实际工况与之完全相反时，分配高运行流量给低运行流量，使得运行流量均化，可以提升整体平均效率。

图5 A、B 多层泵房水泵机组运行效率随运行水量变化情况Fig.5 Variation of pump operating efficiency with operating water volume of pump stations in mid-rise building of community A and B

3.2 高层区域泵房水泵能效分析

高层与多层区域供水模式不同，A 小区高层住宅的水泵流量与运行效率随时间变化如图6 所示。A 小区高层区域水泵运行时间为6～7 时、10～11 时、16～17 时和20～21 时。高层区域水泵与多层区域水泵的区别为：多层区域水泵需要不间断运行，而高层区域水泵只有在触及屋顶水箱设定低液位时，水泵才启动补水。因此，高层区域的水泵运行基本符合额定工况，水泵运行效率主要在60%左右。

图6 A 小区高层泵房水泵机组运行效率和运行水量变化Fig.6 Changes of pump operating efficiency and operating water volume of pump station in high-rise building of community A

对比多层供水模式和高层供水模式可以发现，A、B 小区的多层区域不是传统意义的水池+变频水泵模式，但是由于水箱的存在，会造成错峰补水，在一定程度可以均化各时段水泵的运行水量。由于居民用户用水时间的差异性，导致水池+变频模式下水泵基本上不断运行，且泵房水泵运行的小流量时段远大于大流量时段。通过图5 中运行水量和效率关系曲线可以计算得出，均化运行水量更有利于提高水泵整体效率，降低能耗。同时，若A、B 小区的多层区域没有屋顶水箱，水泵设计流量也会更大，导致能耗可能高于目前现状。因此，不考虑屋顶水箱增压水泵能耗以及其他因素，单从泵房水泵运行效率来说，水池+变频水泵模式的泵房水泵运行效率是水池+工频水泵+水箱模式水泵运行效率的50%左右。

3.3 泵房水泵与屋顶水泵耗电量分析

通过对A、B 两个小区的泵房水泵运行水量及能耗数据进行监测，获得A 小区多层区域、高层区域以及B 小区多层区域在2020 年9 月至2021 年12 月泵房水泵的运行能耗情况，如图7 所示。A 小区多层区域、高层区域以及B 小区多层区域泵房水泵每月的能耗为0.23～0.30 kW·h/m3。其中，A 小区高层区域是水池+工频水泵+屋顶水箱模式，能耗范围为0.23～0.27 kW·h/m3。A、B 小区多层区域较A 小区高层区域每月有一定程度的变化。温度高的月份能耗反而比温度低的月份能耗低，这可能是由于高温时用水频繁，导致时用水量更均化从而有利于效率的提升。A 小区多层区域、高层区域以及B 小区多层区域的泵房水泵运行扬程分别稳定在29.5、63.0 m和29.5 m 左右，结合能耗数据可以估算每月A、B 小区多层区域的泵房水泵效率在30%左右，而A 高层效率在60%左右，与3.1 节的两种模式下日效率计算值的效率倍数关系基本一致。

图7 A、B 小区泵房水泵的能耗情况Fig.7 Energy consumption of pump stations in community A and B

当居民住宅区域存在屋顶水箱时，尤其是多层小区的顶楼居民普遍会存在入户压力过低现象。由于屋顶水箱距离顶层用户的垂直距离过短，重力流入户压力低于0.1 MPa，无法满足喷淋、热水器、智能马桶等室内卫生器具的最低用水压力需求，为此用户在家中增设加压水泵，增加了供水能耗。为提升服务品质，部分自来水公司会在屋顶水箱出水管统一设置加压水泵。A、B 小区的多层区域均设有屋顶增压水泵。评判是水池+工频水泵+屋顶水箱模式还是水池+变频水泵模式更为节能，除了比较二次供水泵房水泵能耗外，还应该考虑屋顶增压水泵能耗。由于A 小区高层的屋顶水箱没有安装屋顶水泵，同时屋顶水泵对A、B 小区多层区域也仅提升4～6 层居民的用水压力，并且高层屋顶水泵缺少流量监测数据，所以此处通过日均能耗对泵房水泵和屋顶水泵能耗进行对比，结果如图8 所示。

图8 A、B 小区泵房水泵与屋顶水泵日均能耗情况Fig.8 Daily average energy consumption of pump stations and roof pumps in community A and B

由图8 可以看出，A、B 小区多层区域屋顶水泵即便在供水量和压力均低于泵房水泵时，能耗也远大于后者，某些月份甚至达到2 倍及以上。屋顶水泵或者家用增压泵由于技术限制，即使在额定流量下运行，效率也基本低于40%，同时该水泵选型时流量依据当量法计算，与泵房水泵相比，在实际运行时前者运行水量较额定流量更低，且低流量时段占比更大。B 小区多层区域相较于A 小区多层区域，其屋顶水箱能耗更大，这是由于B 小区有18 个屋顶水箱，A 小区仅有11 个屋顶水箱，同时B 小区的每个屋顶水箱服务的户数较A 小区更多，供水水量更大。若屋顶出水管不集中安装加压水泵，5 层、6 层的居民户内需安装家用增压水泵，相较屋顶集中加压能耗会更大。根据以上数据可以得出，若A、B 小区多层区域4～6 层采用水池+变频模式时，泵房水泵能耗可能会比现状有所提高，但相较屋顶水箱或居民家用水泵所产生的能耗来说，更为经济。

4 结论与建议

（1）在满足相同供水目标情况下，水池+变频水泵模式的水泵运行效率是水池+工频水泵+屋顶水箱模式的水泵运行效率的50%左右。部分水箱因其距离顶层过近，仅凭重力流无法满足供水压力需求，水池+工频水泵+屋顶水箱模式需要再次加压，因此水池+变频水泵模式下总体能耗更低。

（2）从上海中心城区现状来看，多层住宅1～3 楼以市政直供为主，而4～6 楼则通过小区泵房联合屋顶水箱供水，若从水厂至居民龙头全局的水泵能耗角度进行考虑，把水厂泵房看作为一个“小区二供泵房”，而每个小区二供泵房视为“屋顶水箱加压水泵”，则与A、B 小区多层区域目前的供水格局比较相似，因此如果将1～6 层全部改为市政直供，多层全局水泵的总体供水能耗可以降低约50%以上。但在供水模式选取时还需综合考虑供水压力提高后的管网漏损和爆管风险，以及多层与高层供水量比例等因素。

（3）针对高层供水，若屋顶水箱不会因水箱（池）水龄或材质等因素产生水质风险时，水池+工频水泵+屋顶水箱模式相较水池+变频模式能耗更低，而当采用水池+变频模式模式时，若泵房安装空间及自控管理等条件允许时，单从能耗角度出发采用大小泵组合模式也可以在一定程度降低能耗。