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高层办公楼恒压变频供水和高位水箱重力供水方式对比研究韩伟超

发表时间：2020/5/21 来源：《基层建设》2020年第3期作者：韩伟超

[导读] 摘要：随着城市人口的增加，在土地资源日益短缺的情况下，城市建筑逐渐由以多层建筑为主过渡到以小高层、高层建筑为主。

        上海百程企业发展有限公司上海市 200235
        摘要：随着城市人口的增加，在土地资源日益短缺的情况下，城市建筑逐渐由以多层建筑为主过渡到以小高层、高层建筑为主。对于高层建筑，城市给水管网的水压一般都不能满足高区用水要求，目前采用最多的是分区给水方式，即低区部分直按由城市给水管网供水，高区部分由水泵加压供水。随着二次加压供水越来越普及，可选择的供水方式也随着技术的改进与新型材料设备的应用呈现多样化，目前普遍应用的二次加压供水方式分为两种：恒压变频供水和高位水箱重力供水。
        关键词：恒压变频供水；高位水箱；重力供水；投资分析；运行能耗
        Comparative Study on Constant Pressure Variable Frequency Water Supply and Gravity Water Supply in High-rise Office Building
        Han Weichao
        Shanghai Baicheng Enterprise Development Co.，Ltd. Shanghai 200235
        Abstract：With the increase of urban population and the increasing shortage of land resources，urban buildings are gradually changing from multi-storey buildings to small high-rise and high-rise buildings.For high-rise buildings，the water pressure of the urban water supply network generally cannot meet the water demand in high areas.At present，the most commonly used water supply method is partition water supply，i.e.the low areas are directly supplied by the urban water supply network while the high areas are pressurized by water pumps.With the increasing popularity of secondary pressurized water supply，alternative water supply methods are diversified with the improvement of technology and the application of new materials and equipment.At present，the commonly used secondary pressurized water supply methods are divided into two types：constant pressure variable frequency water supply and high water tank gravity water supply.
        Key words：Constant pressure variable frequency water supply；High water tank；Gravity water supply；Investment analysis；Operating energy consumption
        1、项目概况
        本项目为平顶山城市广场的超高层办公楼，办公楼共33层，1~8层为购物中心，9~33层为甲级写字楼，10层及22层为避难间，建筑高度约150米。根据建筑功能布局及楼层特点，甲级写字楼部分单独独立设置生活水泵房，生活供水共分4个区，低区9~14层，中区15~22层，高Ⅰ区23~27层，高Ⅱ区28~33层。低、中区供水由二十二层避难层高位生活水箱重力水箱+局部增压变频泵组供水（低区由减压阀减压后供水）；高Ⅰ、Ⅱ区供水方式比较见下文具体内容。
        2、供水系统组成
        2.1变频供水系统
        恒压变频供水系统是通过安装在系统中的压力传感器的压力信号与设置的压力值进行比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵的转速，使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定范围内。恒压变频供水的系统组成包括生活给水水箱、变频泵组和供水管道系统。生活水箱和变频泵组一般设置于建筑物的地下机房内。恒压变频供水流程为市政给水通过管道接入地下室的给水机房的生活给水水箱内，变频泵组自生活水箱吸水经泵组加压后通过管道系统提供给各用水点。
        2.2高位水箱重力供水系统
        高位水箱重力供水系统是指将生活用水通过水泵提升至屋顶的高位水箱，利用水箱与用水点的高度差，生活水以重力流的形式供水的供水方式。高位水箱的系统组成包括生活给水水箱、提升泵组（工频泵）、高位生活给水水箱和供水管道系统。生活水箱一般需设置两座。一座设置于地下室，用于接纳和储存市政生活用水，调节市政补水管与提升泵组供水的流量差，水箱有效容积通常为20%-25%最高日生活用水量；一座设置于屋顶高位水箱间（或者超高层建筑的避难层内），调节提升泵组出水管与水箱出水管的流量差，水箱有效容积不小于最高日最大时生活用水量的50%。高位水箱重力供水系统流程：市政给水通过管道进入地下室给水机房的生活给水水箱，通过高位水箱的高低液位控制给水提升泵（工频泵）自生活水箱吸水后向高位水箱供水，高位水箱利用高差以重力流的形式向各用水点供水。
        3、系统特点
        3.1高位水箱重力供水特点
        增压水泵按照系统的最大时用水量确定，水泵额定流量一般较变频泵组小。此系统设备简单，水泵始终位于高效区运行，能够有效的降低系统的运行费用，供水压力恒定，供水可靠性高，停水停电时可延时供水。
        该系统的缺点在于增加设置了高位生活给水水箱，储水水质更容易受到二次污染，运行管理较复杂。采用高位水箱重力供水系统时，建筑物顶部若干层用水水压很难通过水箱与用水点的高差来满足，一般仍需要在屋顶水箱间内为顶部水压无法通过高差满足的楼层设置变频泵组，为这部分区域供水，水泵安装在屋顶，水泵震动对下层用户有噪声影响。同时屋顶高位水箱的设置会增加结构荷载。
        3.2变频系统的特点
        变频供水系统水箱的容积较小，运行维护简单，减少了水箱的设置数量和容积，减少了生活给水的二次污染概率，增加了供水的安全性，且无需设置屋顶给水机房，减少机房面积。其缺点在于变频泵组一般按照建筑物的设计秒流量选择水泵，水泵的额定流量一般较大。水泵的运行时间较长，运行费用较高位水箱高。
        4、系统投资分析
        高位水箱重力供水系统初投资主要来源于水箱、提升水泵（工频泵）、变频泵组（一般为顶部3~4层的供水设置）和管网系统。变频供水系统初投资主要来源于水箱、变频泵组和管道系统。表1为两种供水系统的投资估算比较。

        5、运行能耗对比分析
        变频供水水泵选择一般按照建筑物的设计秒流量，而高位水箱重力供水的提升泵一般按照最大时流量选择。根据以往的经验及工程实例，最大时水量比设计秒流量一般小50%左右，最大日平均时流量又比最大时流量小17%~33%（时变化系数1.2~1.5），而平均日流量又比最大日流量小（日变化系数一般为1.1-1.5）。因此平均日平均时流量约设计秒流量的22.3~37%。供水系统的大概率流量是平均日流量，即流量围绕平均值（日）流量上下波动，最大值是设计秒流量，最下值是0，平均日流量出现的次数和时间最多。这就是说如果采用1用1备的变频泵供水时，大部分时间是在平均日流量附近，而当流量降为低于设计流量的25%时（流量为设计秒流量），水泵的效率将折半，运行费用将成倍增加。
        目前，实际工程中已经出现恒压变频供水替代高位水箱+水泵供水方式能耗成倍增加的实例。广州也有小区统计资料显示变频调速供水加压电费明显提高：高位水箱供水0.6元/m3，变频调速供水在多层建筑1.4元/m3，在高层建筑1.8元/m3。
        本办公楼22层以上部分共11层，每平均面积按照1760m2计算，用水定额取40升/人.日，每7m2面积1.0人计算。采用高位水箱和变频供水的楼层数分别为7层和4层。则最高日用水量为（采用高位水箱重力供水部分即23F~29F，以上部分采用变频供水。假设29层以上部分高位水箱供水和变频供水两者能耗相同，则两种供水方式的能耗差仅由23F~29F层用水量产生）：则每年用水量：1760×7÷7×40×250=17600立方米/年
        由于水泵选型、水泵的实际运行情况、各地电费、系统的维护成本等因素都对变频供水水费产生影响，因此高位水箱供水和变频泵供水两者的水费差值各项目差别较大。本次估算以广州市的统计资料为依据（即正文提到的高位水箱供水0.6元/m3，变频调速供水在多层建筑1.4元/m3，在高层建筑1.8元/m3，进行对比。水费差值为：0.8~1.2元/立方米。则本项目高位水箱较变频系统年节约费用：17600×（0.8~1.2）≈1.4~2.1万元/年。
        6、结论
        给水系统采用高位水箱重力供水初投资较变频系统大，而水压更加稳定，运行费也有明显的降低。根据目前写字楼的建筑布局，如果采用高位水箱供水，需在塔楼屋顶设置一座高位水箱且仍需设置一套变频泵组供顶部4层生活用水。从初投资角度考虑，采用高位水箱供水方式增加了屋顶水箱和一套给水转输水泵，使得系统初投资较变频供水系统增加大约10万左右，从运行费用角度考虑高位水箱重力供水方式较变频供水方式每年节约运行费用约1.4~2.1万。
        另外，根据目前写字楼的布局，二十二层以上仅有64%的楼层可以实现高位水箱重力供水，其它楼层仍需采用变频供水，如采用高位水箱重力供水则增加了系统的复杂程度和生活水被污染的几率，加大了运营管理的难度，而能够享受高位水箱重力供水稳定压力的楼层仅近半数。故根据本项目的特点，从节省初投资的角度考虑建议写字楼二十二层以上部分采用变频供水，并采用大小配的供水方式，两台大泵，一小泵（供水量小时，采用小泵高效供水），使整个供水范围都在高效区。由于避难层设置了转输水箱，在不增加投资的情况下，避难层以下部分楼层采用重力供水，可以起到很好的节能节电效果。
        参考文献：
        1．《建筑给水排水设计手册》第二册（上册）
        2．《建筑给水排水设计规范》 GB50015-2003（2009年版）
        3．《全国民用建筑工程设计技术措施给水排水》（2009年版）
        4．《建筑给水排水工程》（2015年版）