表3 改造前泵箱聯合供水設備型號及參數

（3）在工頻供水模式下，由屋頂蓄水裝置的液位信號控制水泵的啟停，當蓄水裝置液位下降到設置值時水泵啟動對裝置進行補水，達到水位設置上限時水泵關閉停止補水；在采用變頻供水的模式下，通過水泵出口管道上設置的電接壓力表與工控系統調節水泵電機轉速保證恒壓供水。兩種供水模式共用一套工控系統，并設置手動切換開關。兩種供水模式下的最不利用水點水量與水壓符合《建筑給水排水設計標準》（gb 50015-2019）相關要求，并保證兩種供水模式下各樓層水量水壓基本相同。

（4）在水泵吸水管設計量水表，控制柜里設共用電表對用水量與用電量進行統計。

（5）將生活與消防用水分開，將原有屋頂水箱作為消防專用水箱，生活用水采用兩個新型密閉可伸縮蓄水容器，該裝置的容積計算參考《建筑給水排水設計標準》（gb 50015-2019）對水箱容積的規定，并結合以往工程經驗與現場實際改造空間，最終按照最大時用水量的20%~30%來確定，每個蓄水容器的容積為3 m3，共計6 m3。

（6）屋頂水箱間供水管道改造，屋頂水箱間供水設蓄水容器跨越管，即地下水泵變頻供水時可以不通過屋頂蓄水裝置，直接供給用戶水龍頭；工頻供水時則通過密閉儲水單體重力供水至用戶水龍頭。

（7）水泵選型依據：①計算設計秒流量［按式(4）］和最大時用水量［按式（2）］；②監測記錄原有水泵啟動次數和水泵啟動后的運行時間，分析水泵的供水流量和實際用水量之間的關系校核計算數據；③變頻控制時2臺水泵互為備用或同時運行。

改造后設備型號見表4。

表4改造后設備型號及參數

改造前后供水原理見圖2。

圖2 改造前后供水原理

3.3 實驗設計

保證變頻供水與工頻供水模式下起點壓力相同，即都設計疊壓或都設計從水池抽水；選用同型號同參數水泵；采用同一條供水管路。通過工控柜對變頻供水方式和工頻供水兩種模式進行切換，設置水表、電表分別計量用水量與耗電量。采用變頻供水模式設定運行壓力為0.87 mpa，工頻供水模式運行壓力為0.96 mpa；在3月22日與3月23日分別為變頻與工頻供水模式下的試運行；3月24日—30日采用變頻供水模式，3月31日—4月12日采用工頻供水模式。

4 實驗結果與討論

4.1 兩種供水模式

白天與夜間單位供水能耗對比圖3、圖4分別為變頻、工頻兩種供水模式下白天與夜間的單位供水能耗。

圖3 采用變頻與工頻兩種不同模式下白天單位供水能耗

圖4 采用變頻與工頻兩種不同模式下夜間單位供水能耗

從圖3和圖4可看出，變頻供水能耗白天與夜間單位供水能耗都高于工頻供水；采用變頻供水模式白天與夜間單位供水能耗波動較大；采用工頻供水模式白天與夜間單位供水能耗波動較小。

4.2 兩種供水模式單位供水能耗與用水量的關系

圖5與圖6記錄了兩種供水模式下單位供水能耗與用水量之間的關系。

圖5采用工頻供水模式下單位供水能耗與其用水量

圖6采用變頻供水模式下單位供水能耗與其用水量

從圖5和圖6可看出，采用工頻供水模式下，白天、夜間單位供水能耗與白天、夜間用水量變化并不相關，包括在4月3日與4月10日夜間用水量分別達到35 m3、55 m3左右的異常情況；而變頻供水白天、夜間單位供水能耗與白天、夜間用水量呈負相關，當用水量較小時單位供水能耗會顯著上升，在白天與夜間用水量差別不大時，其單位供水能耗也并無顯著差別。分析其主要原因，是因為在變頻供水模式下，無論用水量多少，水泵電機需要一直運行來維持系統所需要的水壓，當在白天用水量較大時，單位供水能耗則可以有效減少，而在夜間用水量較少時，則單位供水能耗即會顯著上升。而采用工頻供水模式下，由于采用新型密閉儲水容器，具有水量調節功能，水泵電機只在水位至設計啟停位置時工作，所以供水單位能耗基本維持在一個相對較低的水平。

4.3 兩種供水模式平均單位供水能耗對比

3月22日至4月12日運行的基礎數據見表5。

表5 運行基礎數據

對兩種供水模式運行期間內在白天、夜間及全天運行的平均單位供水能耗如圖7所示。在采用變頻供水模式下，白天與夜間平均單位供水能耗分別為2.95、4.36 kw·h/（m3·mpa），而采用工頻供水模式平均單位供水能耗分別僅為0.67、0.64 kw·h/（m3·mpa），工頻供水模式相對變頻在白天與夜間分別節能77.29%、85.32%，并且在采用變頻供水的模式下，變頻供水白天與夜間的平均單位供水能耗相差較大，但在工頻供水模式下白天與夜間的平均單位供水能耗相差很小且維持在較低水平。采用工頻供水全天運行平均單位能耗較變頻供水相對節能79.2%。

圖7 采用變頻供水與工頻供水兩種不同模式下白天、夜間、全天平均單位供水能耗對比

圖8 采用變頻供水模式白天、夜間用電量及用水量的關系

4.4 變頻供水模式白天夜間耗電量與用水量的關系

圖8反映了變頻供水模式下白天、夜間耗電量及用水量之間的關系，發現在采用變頻供水模式下，白天與夜間的耗電量基本相等，約為25 kw·h左右，耗電量與用水量之間并不線性相關。這也說明了變頻供水模式下單位供水能耗與與用水量呈負相關的原因。

4.5 設備選型對數據分析結果的影響

（1）由于變頻供水與工頻供水模式共用一套機組設備，所以水泵的選型參數需要兼顧兩種供水模式，即水泵選型技術參數需介于最大時供水量與設計秒流量之間。本實驗中，工頻模式2臺泵1用1備，按常規工程設計計算；變頻運行為2臺泵，沒有備用泵，以設計秒流量選泵。在工頻模式下，水泵能耗只跟實際做功相關，即同時間與功率的乘積相關；對變頻水泵來說，工程經驗計算按設計秒流量選型的水泵流量是按最大時選泵水泵流量的2~6倍，本研究中因采用一套水泵機組，所以在選型方面需要以滿足變頻供水為主，即所選水泵功率對于工頻供水模式偏大，所以節能數據相對保守。

（2）變頻水泵的揚程設定小于工頻運行的揚程，對于工頻水泵來說，水泵揚程隨型號確定而確定，揚程是垂直高度與系統水頭損失之和，水泵運行會處在高效區（水泵特性曲線）；對于設計秒流量水泵來說，實際控制壓力小于工頻揚程，變頻控制器會調整水泵頻率時刻處在水泵高效區（水泵特性曲線）運行，能耗會相對減少，這也將導致工頻相較于變頻節能數據相對保守。

5 結論

（1）變頻供水夜間供水水泵頻率不降低的原因是需要維持系統水壓克服重力做功，重力勢能決定頻率值，而不是用水量。即變頻供水節能的重要前提是克服提升水的重力做功的多少，市政二級泵站使用變頻供水技術節能；二次供水泵站使用變頻供水能耗較大。

（2）在屋頂設置調節水量是節能的關鍵，同時供水泵采用工頻模式；另一個關鍵因素是密閉可伸縮蓄水裝置的密閉正壓，相當于放大式管道供水，也稱駝峰供水，這是可在屋頂設置調節水量的前提。工頻水泵在一天24 h內累計運行時間僅約3~4 h，通過工頻與變頻供水模式水泵機組的運行時間比也可從另一個角度解釋相對節能數據。

（3）理論計算單位供水能耗與規范認證的能耗之間還有70%的空間，工頻供水能耗與變頻供水能耗差值大，二次供水仍具有較大的節能潛力。

（4）對于目前高品質水市場大力發展的形勢，尤其是高品質水的供水量較小，設計用水量約是生活用水量的1%，實際直飲水用水量約是生活用水量的2%，這也是直飲水單位能耗比生活二次供水單位能耗相對較大的原因所在，但直飲水供水水質更為重要，循環與循環流量是保證水質的關鍵，全循環能耗與流量無關，只與系統本身有關，這為直飲水的安全運行提供保證。