浅谈二次供水泵房设备演变与数字集成全变频供水设备节能优势分析

浅谈二次供水泵房设备演变与数字集成全变频供水设备节能优势分析

李浩

上海凯泉泵业（集团）有限公司上海201804

摘要：在高层建筑中，二次供水泵房毫无疑问是建筑的主体，供水设备能否正常稳定的运行关系到用户是否能够正常使用生产和生活用水，二次供水泵房设备的配置是否合理也关系到节能降耗的效果。

关键词：二次供水泵房；设备演变；数字集成全变频供水设备；节能

近些年来，城市建设的脚步越来越快，高层建筑的建设也越来越多，在高层建筑的建设中二次供水是一个不容忽视的问题，如何科学合理地建设和管理二次供水设施是值得大家思考的问题。我们可以通过对泵房二次供水技术的演变及各自优缺点对比，为二次供水泵房合理选择合适的供水设备提供参考，结合数字集成全变频供水设备节能优势分析，达到更加理想的节能效果，为二次供水系统的设计和管理提供相应的数据，从而对二次供水系统提供在设计和管理上的帮助。

一、我国二次供水技术的演变及优缺点

我国城镇二次供水技术经历了一个较为漫长的发展历程。言而言之，大体经历了以下几个主要发展阶段：水塔及高位水箱供水、水泵-水箱联合供水、气压供水、微机控制变频调速供水、管网叠压供水、数字集成全变频供水。

1.水塔及高位水箱供水技术

水箱一般建在屋顶，水塔则单建。当建筑物层数不多、建筑高度不太高时，利用市政给水管网压力夜间自动进水至水箱（水塔），白天水箱（水塔）储水供给用户用水。

这种供水方式的优点是：设备简单，管理方便，供水压力较稳定，具有调蓄能力，可靠性高。

缺点是：水塔投资较大，占地面积也大，许多砖砌水塔年久失修，水质易受污染，外表破旧影响市容，构筑物抗震性能较差。

2.水泵-水箱联合供水技术

水泵-水箱联合供水，即水泵从低位水池吸水，加压后供至屋顶水箱，屋顶水箱再重力供给用户用水。

水泵-水箱联合供水方式的优点是：水泵始终在高效区运行，较节能；水箱有足够容积，供水有保障；自动补水，重力供水，压力稳定，可靠性高。

缺点是：若屋顶水箱容积较大时，楼房需增加结构荷载，影响建筑物立面美观和造价；如果水质管理不到位，很容易导致水箱储水的二次污染；与水箱（水塔）供水方式相比日常运行费用相对较高；顶部楼层用户水压偏低，甚至水龙头不会出水，需另设管道泵局部增压，影响附近其他顶部楼层用户用水。

3.气压供水技术

气压供水技术的优点：能满足用户水压要求；设置地点相对灵活，不受建筑物高度限制。

气压供水技术的缺点：罐体总容积偏大，而调节容量却又偏小，所以供水的可靠性并不高；水泵一天中的大部分时间不在高效区运行，使水泵效率较低；设备供水压力变化幅度较大，补气时进入的细菌、灰尘会对水质造成污染，使用一段时间后罐内水表面悬浮污物加剧水质污染。

4.微机控制变频供水技术

微机控制变频供水方式中的水泵泵组出水不进入水箱，而直接送往用户管网。此种设备是利用了变频器根据系统供水压力信号的反馈来改变电源频率以调整水泵转速，从而使供水水压保持恒定而供水量随时变化的一种供水装置。

微机控制变频调速供水方式的优点：设备体积较小、占地较少；供水压力恒定，可以满足用户水压要求。

缺点是：价格昂贵，设备投资较高；因无任何水箱储水极易出现电停水断：一天中水泵大多数时段为变频运行，不在高效区，不节能或节能有限。

5.管网叠压供水技术

管网叠压供水是指利用城镇供水管网压力直接增压或变频增压的二次供水方式。

管网叠压供水的优点：可充分利用市政供水管网的水压，减小水泵扬程，减少电机配置功率，节省电耗；安装简便，方便管理维护；省去储水池，节省投资，节约用地；可防止储水池水质的二次污染和可能的溢流水损失。

缺点：可能会因回流而污染市政供水管网；在供水可靠性也有不足之处，如高峰供水时段，有可能出现上游供水量小于用水量，而供水设备本身不具备长时间调节能力，设备又配置了防负压措施，一旦这种情况发生就必然停机断水，从而影响用户的正常用水。

6.数字集成全变频供水技术

数字集成全变频供水设备，其每台水泵电机“一对一”配置全变频控制器，每台水泵上的变频控制器通过工业总线连接实现相互通信，能够根据用水需求的变化自动调节变频运行比率，实现多台水泵同频等流、均衡分摊运行，实现了水泵泵组变频运行时，始终处于高效区运行，供水压力稳定，舒适性好，相比传统变频调速供水设备节约能耗。

同时，由于供水设备整机为IP55防护等级，可以做到防尘、防水；PLC、变频器等涂有PCBA加厚工业涂层，可以做到防潮、防盐雾；采用双PLC设计，两套独立的自控系统，互为备用，增加了供水设备控制系统的可靠性。

二、数字集成全变频供水设备节能优势分析

从事二次供水行业的工程技术和应用管理人员都有一个共识，二次供水设备的绝大多数水泵电机保持全速运行的时间只占其生命周期的5%，其他时间都处在较低负荷下运行，这为水泵节能降耗提供了可能，显然采用变频调速是解决这个问题最有效的技术方案。

目前，随着变频调速技术发展，微机控制变频恒压供水系统正向数字化、集成化、标准化的方向发展，逐步由数字集成全变频供水技术替代，也是供水设备适应未来新型城镇化建设、楼宇智能控制、智慧水务要求的必然趋势。现在我们通过传统微机控制变频调速供水设备与数字集成全变频供水设备特点、技术原理进行节能分析。

1.微机控制变频调速供水设备和数字集成全变频供水设备特点

微机控制变频调速供水的核心是变频器根据用水压力变化自动调节运行频率，反馈到水泵为电机转速的变化，从而实现变频恒压供水。微机控制变频调速供水设备基本采用PLC（可编程控制器）+变频器+继电器电路组成的电气控制柜来实现泵组的变频调速和运行控制，水泵的启停均需要通过继电器二次控制回路以机械式的触点不断切换来实现，安全可靠性不高；所有泵组共用一台变频器，通过频繁的交替切换变频器实现多台水泵交替变频启停，两台或以上水泵运行时只能实现某一台泵变频调速运行，其他水泵工频运行。这一控制技术导致：工频泵超流量运行、变频泵小流量运行，水泵不在高效率区间、偏离效率区运行，造成电能的长时间浪费。

泵组通常设置在泵房内，湿度大、凝露水多、粉尘多，而微机控制变频调速供水设备配置常规全变频柜的防护等级尽为IP42，导致电气元器件故障频繁易发；同时其控制核心PLC为单PLC模块配置，当遇到雷击或电压不稳，PLC模块烧损将导致供水设备无法自动运行，供水保障风险大。

针对上述问题，如何实现在一套变频供水设备中使用两套或两套以上，且相互联动的控制系统来提高泵组运行的安全性、可靠性，使系统流量无论如何变化，设备水泵始终都能在高效区运行，不出现能耗浪费现象。

现如今随着科技的进步，采用更加安全且智能化程度更高的数字集成全变频控制技术，不仅提高了二次供水设施的安全可靠性，更重要的是拓宽了泵组特性曲线，实现了多泵组供水设备的“一对一”全变频运行和控制，让供水设施更加精准、更加高效节能，并为用户提供更加舒适稳定的用水水压。

数字集成全变频控制供水技术将全变频、高性能数字PID（比例、积分、微分）控制技术以及水泵运行控制所用到的其他功能集成于一体，取消接触器、热继电器等传统主要开关电器，实现了机电一体化。通过大规模集成电路技术的应用将各功能模块化封装在一个防护等级达到IP55的壳体内，可以做到防尘、防水；PLC、变频器等涂有PCBA加厚工业涂层，可以做到防潮、防盐雾。供水设备中每台水泵均独立配置一台数字集成专用变频器，不单独另设变频柜，各变频器通过工业总线技术相互通信、联动控制和协调工作，实现多台工作泵全变频同步调速、流量均衡分配运行。供水设备采用双PLC设计，两套独立的自控系统，互为备用，增加了供水设备控制系统的可靠性。

2.微机控制变频调速供水设备和数字集成全变频供水设备技术原理

微机控制变频调速供水技术原理：

（1）首先，通过人机交互界面给微机PLC设定给水泵组的工作压力。

（2）当出水压力传感器检测到泵组出口端压力不能满足用户最不利用水点所需压力要求时，随即反馈给PLC，经PLC内部PID控制程序，根据反馈压力信号与设定压力信号之间的比对计算，输出给变频器一个转速控制信号，变频控制当值工作水泵随输出频率的升高电机转速加快运行，当出水压力传感器检测到设备供水压力达到系统设定压力值时，电机转速稳定，系统达到初始平衡；随着系统用水量不断变大，出水压力传感器检测到设备出口端压力再次不能满足用户最不利用水点所需压力要求时，变频器输出频率继续升高，电机转速继续加快，设备供水流量增加，保持供水压力恒定。

（3）当系统流量超过工作水泵额定流量工作点后，单台水泵运行不能维持系统设定的目标压力时，需启动第二台工作水泵。系统按设定程序，将第一台变频运转的水泵自动切换到工频运行，而变频器自动切换到下一台水泵变频启动，设备进入多工作泵并联运行。如此顺序变化，设备在工变频交替状态下运行。

（4）当系统用水量减少、设备出口压力升高，PLC设定程序控制变频器降低频率，水泵降速运行。当降到水泵最低运行频率时，自动减少投入运行的工作泵台数，或退出多工作泵并联工变频运行状态，回到一台水泵额定流量范国内的变频运行工况。

（5）休眠状态，当系统用水量进一步减少，压力需求低于工作泵最低工作频率时，即降至预先设定休眠频率时，变频器进入休眠状态，工作泵停止，由气压水罐稳压供水或启动小流量辅泵供水。

（6）设备按设定程序随时监视出水压力传感器变化，当出口压力低于系统所设定的唤醒压力值时，工作泵重新启动运行并重复上述工作程序。

数字集成全变频供水设备的工作原理：

（1）首先，数字集成全变频供水设备第1台水泵变频启动运行。随着用户用水量的不断增加，当第1台水泵变频运行不能满足用户稳定的供水压力时，逐渐上升运行频率，直到工频运行状态。

（2）若供水压力仍未能达到设定值，则变频启动第2台水泵由低的运行频率逐渐上升，第1台工频运行水泵则降频，直到两台水泵运行频率一致。

（3）当两台水泵投入运行仍未满足用户供水压力时，则两台水泵同步上升运行频率，直到两台水泵均达到工频状态。

（4）若两台工频运行的水泵仍未满足用户供水压力时，则变频启动第3台水泵，该水泵也由低的运行频率逐步上升，第1、2台水泵则逐渐下降运行频率，直到三台水泵运行频率一致。

（5）反之，当系统用水需求减少，则运行水泵同步下调运行频率，当运行频率低于30Hz时，系统会自动停止一台运行的水泵，直到所有水泵停机休眠。依此类推，周而复始。

3.数字集成全变频供水设备节能效果大幅度提升实现的主要途径

（1）数字集成全变频控制器实现水泵“一对一”全变频控制，通过变频控制器内置的工业总线技术实现多台工作泵全变频同步调速、流量均衡分配运行，同时克服水泵不在高效率区运行的弊端。

图1全变频和单变频设备运行效率曲线

从图1全变频和单变频设备运行效率曲线可知，供水设备单变频运行时，两泵并联，工频泵超流量运行、变频泵小流量运行，导致整体效率低；两台工作泵全变频控制运行时，同等扬程下流量叠加，同频等流，一般比单变频节能3%-5%。

（2）数字集成全变频供水设备水泵高效区流量范围大幅度扩展，每台水泵的高效区流量范围可从传统微机控制变频调速供水设备中水泵额定流量的100%-60%延伸100%-50%；并且效率曲线左移，恒压值越低越左移，有利于实际工程节能（如图2不同恒压时的水泵效率曲线）。

图2不同恒压时的水泵效率曲线

（3）控制系统中元器件和电气线路的自身电能损耗大幅度减少。把变频器和控制器集为一体，取消接触器、热继电器等传统主要开关电器，变频器直接驱动电机；也没有了体积庞大的控制柜，使控制系统中元器件及电气线路的自身能耗大幅度降低。

（4）配置小型水泵和气压罐更加合理。

当用户用水量不均衡且持续时间较长、系统低谷用水量偏离单台工作泵高效区较多且又超过设备配置的小型气压水罐供水能力时，増加配置小型水泵（小型水泵的额定流量可为工作泵流量的1/3-1/2，供水扬程应与工作泵相同），在低谷用水量时变频辅助运行，以避免工作泵频繁启动，保证系统供水平稳，进一步降低设备整机运行能耗。

当用水量很小，水泵停止运行时，全变频控制供水设备配置的小型气压水罐可维持系统的正常供水；在其设备运行过程中当水泵相互切换时，气压水罐有助于保持系统工作压力的稳定；气压水罐还有助于消除系统水锤现象。配置的气压水罐的有效容积可根据下面计算确定：气压水罐标准容积可以考虑微流量（1%设计流量）时，设备停机时间大于5分钟（启停1次周期大于6分钟），每小时起动次数小于10次。例如：设计流量60m3/h，微小流量=0.6m3/h=10L/m，气压水罐提供5分钟水量需要50升有效水容积，假设有效水容积是总容积的10%，则气压罐总容积应为500升。

总之，数字集成全变频供水设备采用同频等流、效率均衡运行模式，多工作泵运行时还可扩大水泵高效区范围，达到更加理想的节能效果。

数字集成全变频供水设备相应技术和产品在我们国内也日趋成熟，并得到很好的推广应用，在全国各地都有成功的示范工程案例。

可以预见，数字集成全变频供水设备将成为今后我国二次供水行业发展的主流趋势。

参考文献：

[1]赵云亮，王海东，浅谈二次供水泵房设备配置与节能探析，2017

[2悉地国际设计顾问（深圳）有限公司，数字集成全变频控制恒压供水设备应用技规程，北京：中国计划出版社，2015

[3]中国建筑标准设计研究院，变频调速供水设备选用与安装（图集号16S111），北京：中国计划出版社，2016