赵婷

（大同市水星给排水设计有限责任公司，山西大同 037006）

0 引言

在环境问题不断恶化，资源急剧减少的情况下，我国开始大力兴建海绵城市，也就是将城市视作海绵，不论是干旱还是洪水，都具有“释放”和“吸收”的能力。可以采用种植草沟、铺设透水沥青等方式来增强蓄水、渗透、吸收等能力。在海绵城市兴建的背景下，居民小区也应该随之改进和优化，重视节水能力的增强，尤其要加强二次供水的改造。所谓二次供水，就是指单位或个人将城市公共供水或自建设施供水采用储存、加压的方式，利用管道再为用户提供水源。二次供水主要解决市政供水管线压力不足的问题，保障生活在高层建筑中的人群可以正常用水。二次供水常用设施包括水箱、水泵等。在二次供水系统设计的过程中，要加强系统节能设计，保障供水质量，同时减少水资源的浪费问题，满足海绵城市建设要求，促进我国可持续发展。

1 二次供水设施现状分析

1.1 水质二次污染问题严重

以某城市为例进行调查，在二次供水行业中，很多供水设施都采用传统水箱和变频泵供水结合的方式。这种供水方式虽然可以保障供水安全，但也存在问题，例如，水池和水箱的占地面积较大，土建工程难度随之增加；施工设计不合理和管理不恰当，造成水池、水箱等设施功能受到影响。虽然采用了多级处理的方式，如水厂、加压泵站都是重要的处理层级，水质可以满足生产、生活的使用需求，但由于泵房管理不足，依旧存在较为严重的自来水水质污染问题。在二次供水设备数量不断增多的情况下，管理水平并没有随之提升，二次供水水质污染问题亟待解决。在早期，我国频繁出现水污染事故，其中有1/3 的问题源于二次供水系统。即使在发达国家中，二次供水设施污染的问题也经常会出现。

1.2 供水压力设计比较保守

调查显示，低位水池和水泵结合的供水系统在运行的过程中存在浪费情况，因为水池贮水的过程中，将原本具有市政管网压力的自来水释放出来，二次供水的过程中，再将水池中水的压力从0 增加到设计水头的压力，没有对市政管网压力有效利用，造成能量的浪费。例如，在8 层楼供水的过程中，当地市政管网压力可以满足1~6 楼水头要求，7~8 层需要额外压力，这样才能符合设计要求。通常，设计人员为了解决这种情况，会根据面积条件进行设计，如果面积充足，则增加低位水池，造成本来只要在7~8 层加压，调整后需要1~8 层全部二次加压供水。

1.3 二次供水设施管护问题

在二次供水设施管理的过程中，主要从小区用水用户收取水费和日常设施维护两个方面着手。在水费收取方面，随着城市高层、小高层建筑数量不断增多，二次供水价格并没有进行统一规定，因为二次供水设备的使用情况和物业管理方式存在差异，所以难以统一。不仅如此，经过二次加压获取自来水的用户根据总表进行水费计量，小区物业公司收费依据入户管前的分户水表进行计量，需要另外计算二次加压供水成本，最后将总税费叠加计算而出。在设施维护方面，由于政策不统一，所以管理主体不统一，造成服务标准存在差异，且二供泵房通常比较隐蔽，所以物业很难开展管理工作。在设计施工、水质消毒、后期维护等方面也存在问题。到目前为止，二次供水的管理方式依旧不统一，很多设施并没有得到有效的管理，操作人员的技术水平也有待提升。

2 居民小区二次供水系统用水量变化规律

2.1 日用水量变化

在二次供水系统设计的过程中，经常会使用日最高用水量、小时变化系数、最大设计流量等设计值，这些设计值的取值范围对系统设计、能耗水平有直接影响。通常，设计人员在选择二次加压水泵泵组时，要对最高日用水量、设计流量两个设计值进行分析。泵组运行应该根据实际用水情况来调度，否则会出现实际运作与需要用水量不相匹配的情况[1]，所以，要对各项设计值进行检测。以某个小区为例，对最高日用水量变化情况进行分析。

通常，早间和傍晚会出现用水高峰，分别在上午7：00—9：00 和下午6：00—10：00，因为晨间是起床洗漱时间，用水量较大，傍晚则是下班做饭、清洁的时间，用水量也会增加。午间12：00 左右也会出现增长变化，因为午间做饭、清洁用水，但由于大部分人会外出上班，所以相较于早晚间变化较小。凌晨用水量较低，但并没有完全不用水的情况，用水量约5m3/h，可以适当多采用配泵方案。该小区最高时用水量为21.83m3/h，其中凌晨23：00—7：00区间的用水量为54.51m3，在每日总用水量中占比为16.98%，因为这个时段居民在休息，所以用水量相对较小。白天则处于生活状态，所以用水量相对较多，约266.49m3，占83.02%。

2.2 周和月用水量变化

以1 周作为单位进行测量，通过监测对比分析1 周水量的变化情况和影响因素，为了充分了解变化趋势，主要对5—12 月的用水量数据进行监测，然后按照每周7d 进行归类计算，获得平均值。通常，周一到周五的用水量平均为139.47L/（P·d），周末用水量相对较多，因为周末人们休息在家，所以用水量约为144.04L/（P·d），7 月份用水量周变化比较稳定，因为这个时期处于校园暑假阶段，所以一周用水量差距并不是十分明显。9 月、10月有节假日等原因，用水量会上升，日用水量平均137.41L/（P·d），可见节假日会影响用水量。

月用水从5—12 月进行分析，6—8 月用水量较大，夏季对水的需求量较高，日用约131.33L/（P·d），7 月用水量最高，日用137.78L/（P·d）。实验显示，进入秋季之后，耗水量也会增加，但随着气候的变化，用水量会逐渐降低。所以，用水量与天气、温度也有一定的关系。

3 居民小区二次供水系统的优化分析

3.1 供水方式优化

从目前的情况来看，高层居民楼较多，所以对高层建筑的二次供水方式进行分析，主要有3 种，分别是：叠压供水、高位水箱、水泵水箱联合。通常，居民楼住户较多，所以用水量也比较大，马桶、花洒、浴缸、洗菜盆等都需要与水管连接，不仅用水器具类型较多，用水耗时也比较长，根据全天用水时长，居民楼通常会采用比较独特的二次供水方式。从安全的角度分析，叠压供水会有负压产生，进而影响管网水压，所以很少应用[2]。气压罐容积固定，无法供给大型住宅区，所以采用水箱和变频泵组合的方式进行供水最佳。加压泵房中设有低位生活水箱，在该水箱中设置变频泵，可以保障安全，同时也具有人性化的特点，可以满足大部分居民的供水需求。本文所述小区原本采用AKK 叠压给水设备，根据当地规定设定具体的压力保护值，如果设备运行正常，给水系统产生压力变化较大，在设定值范围外的情况下，控制装置会根据变化自动切换，通过调节温流补偿器对水压、流量进行调节。如果供水流量较小，则自动切换到停机保压的状态。加压地区的水泵出口的压力恒定，一些超压楼层设置减压阀，入户压力保持在0.2MPa 以下。根据原本的设计图纸进行改造，生活给水泵房的面积为8.1m×8.1m，与水箱设置要求不符，所以采用叠压增压设备进行供水。根据小区所在城市的要求规范，在条件允许的情况下，采用生活水箱联合变频泵供水的方式最佳。可以与开放商、设计单位进行沟通，扩大生活给水泵房的面积，扩大到约130m2，使不锈钢装配式水箱有足够的设置空间。

3.2 变频恒压供水

变频恒压供水就是保持出口压力不变，根据建筑用水量自动调节出口流量。为了确保变频恒压供水系统能够发挥作用，要对出口压力进行严格控制，在出水口设置压力传感器，根据水泵出口最差状态下的压力值设计设定值，结合泵组特性曲线和系统原理，水泵扬程会随水泵流量变小而增加。如果扬程不变，则需要调小流速。先确定最不利的工况，然后根据用水量数据设定管网压力值P。在满足用水量的条件下，调速系统会改变水泵速度，如果管网中水压比正常值P 大，则变频系统会调小水泵功率，使转速随之减少，保持内部恒压。如果给水系统中，因为用水量增加出现压力迅速下降的情况，则自动控制设备会将P 值增加，增加系统n 值。如果增压系统f 增加到一定频率但并没有稳定压力，则通过调整可以使水泵保持最佳运作频率，同时另一台水泵也会随之运转，水泵机组的频率、速度都随之提高，管网压力值可以保持正常[3]。通过变频的方式，可以达到较好的节能效果。一方面，降低功率节能，根据比例定律，流量根据转速变化保持正比，扬程随转速平方变化而变化，二者保持正相关，功率则与转速的立方保持正比。如果同时使用变频泵和工频泵，则水泵耗能会随之降低，扬程能量会随之增加，具有节能的效果。另一方面，功率因素节能。在交流电路中，做功会损耗有功功率，进而变为光、热等形式，无功功率则可以转换电与磁。后者是能量转换的过程，产生磁场使互感器等设备可以保持运行，同时也会出现无功功率，进而降低系统效率。在变频技术的应用下，无功功率可以转化为0，等同于有功功率，在电机运行中消耗所有能量，使水泵效率达到最高。

4 居民小区二次供水系统的节能优化方案

4.1 原有供水方式概述

要确保改造的合理性，要先对原有供水方式进行分类分析。目前，根据城市用水管理要求，确定二次供水设施的改造方向和内容。以某城市为例，该城市二次供水设施多达数百处，每天供水量在10 万m3以上，普遍在高地势地区或处在高地势的建筑小区内。目前主要采用普通高位水池、水箱供水、叠压供水的方式。可以将该城市二次供水区域划分A-F6 个区，A 区扁平泵和水池联合的数量超过80；B 区为50，其余在30~40 之间。A 区叠压供水的数量为58；B 区为49，其余在20~35 之间；A 区管道泵为8 个，B 和 C 区只有 1 个；D 和 E 区有 4 个；F 区有 2 个。

4.2 节能改造方式分析

在设备型号选择的过程中，应该将节能降耗放在首位，选择匹配改造需求的设计方案和设备，采用先进的技术工艺，保障节能效果和经济效益。通常，需要对水泵、阀门等设施进行选择，根据能耗改造要求，对水泵、叠压供水等设施进行更换，确保节水节电的效果。在实际选择的过程中，要选择阻力系数较小的阀门，包括蝶阀和止回阀，对水头损失进行控制；电源装置要选择新型无功电源，使功率因素有所提升；选择节能灯具降低电耗；采用PLC 技术控制水泵工况，满足低耗要求。对比各项供水方式，包括高位水箱供水、变频调速供水、叠压供水3 种。高位水箱供水的泵组设备比较简单，所以运行成本相对较低，同时也便于维护保养；变频调速供水应该根据建筑用水时段内，实际用水量来确定具体的水泵数量，可以采用一用一备或两用一备的方式运作，但增加水泵的同时，成本费用也会增加。如果选择增压装置，则要选择相同装置，确保操作便捷，但可控区域会缩小[4-5]。如果泵组类型不同，则将固定转速和调节转速的泵组合在一起，额定转速达到一定数值时，可以在最大范围内进行调速运行[6]。通常，新建住宅会采用恒压供水的方式；叠压供水是一种新型方式，被广泛推广和使用。但早在20 世纪80 年代，就有人根据用水量和扬程调控给水装置，对水量变化规律进行分析，获得管道压力特性曲线，然后优化加压泵组，达到控制水系统变频变压的效果。叠压供水以变频恒压供水方式为基础，目前广泛应用在各个城市小区供水中，具有良好的应用效果。

4.3 改造案例分析

以A 小区为例，该小区为三期住宅，每期有1 个二次供水泵房。一期住宅为7 层住宅，共计41 栋，户数为2382 户；二期为10层住宅，共计8 栋，户数为492 户，前3 层采用市政管网直供的供水方式，上7 层采用混凝土清水池变频水泵加压供水的方式，消防和生活设备间合并使用，但清水池保持独立；三期层数为18和24，各有2 栋，共计772 户居民，前3 层采用直供的方式，3~14层、15~24 层都采用中高区加压供水的方式，消防、生活设备间公用，清水池保持独立。根据实际情况进行改造，对现场进行详细的勘察，分析供水格局、后期服务两项要求，先明确具体的改造方向。将直供区居民与多层加压站合并，供水能力可以满足需求[7-8]。高层和小高层在二次供水方面进行合并，共计836 户需要供水，高区供水有180 户。将原有的水池、泵房保留，加装不锈钢内衬、隔离围墙在清水池中，更换相关机组设备，对控制室进行隔离改造，设备不需要隔离。更换所有管线，采用3120m 的DN63~DN200PE 管、586m 的 DN108~DN325 钢管以及 949m 的DN150~DN300 球墨铸铁管。清水池选择DN200 作为进水管，多层加压站与之连接，采用DN300 进水管，达到双路进水的效果，确保供水的安全性、稳定性。经过计算，本次改造需要420 万元改造费。

B 区建筑均为11 层，总计16 栋，共有1283 户居民。内部采用生消合用的二次供水泵房，以水池与变频水泵联合的方式，所有层都采用加压供水的方式，水池为400m3混凝土结构。原本水池体积较大，但改造会对水池结构造成破坏，同时也会导致供水安全受到影响。小区进水与DN600 供水管线连接，市政管网供水水头25m 水柱，采用叠压供水的方式。对原本的泵房加以利用，隔离生活和消防泵房并且设置防火门，进出通道可以共用，改造费用约400 万元。

C 小区住宅为 29 层，共计 13 栋，1813 户居民，采用一户一表的方式，原本为泵房生消合用，采用不锈钢水池与变频水泵联合的方式，前9 层采用市政供水的方式，用户有650 户，10~20 层采用中区供水的方式；21~29 采用高区供水的方式。将不锈钢水池作为基础，增加变频泵，将水池尺寸缩小，并且增加自动清洗系统改造加压管线，采用DN100~DN200 钢管。改造费约330 万元。

D 区住宅分别为 6 层、3 层和 18 层，分别有 2 栋、6 栋和 3栋。采用清水池和变频水泵、局部高位水箱联合供水的方式。在改造的过程中，主要对设备和管线进行优化。采用DN63-DN200PE 管和DN108 钢管。改造费用约220 万元。

分析上述四个方案，运行中都存在耗能过多的问题，通过改造可以达到良好的节能效果，不论是用水量还是耗电量都明显下降，符合绿色建筑的设计要求，同时也为后期管理提供便利，减少了业主的物业费，满足各个住户的要求。可以将该项目改造资料保存，作为日后改造的参考依据。

5 结语

综上所述，在住宅小区二次供水的过程中，如果没有做好系统节能设计，则会导致水资源、电能的损耗，不仅增加居民用水、用电的费用，还会造成资源浪费。所以，要根据实际情况改造二次供水系统。首先要了解原本的供水系统，分析各种节能措施，然后根据实际情况，从节能、经济两个角度分析，选择最有效的节能改造方案，从本文A、B、C、D 四个改造项目分析结果可知，通过改造可以达到理想的节能效果。