终端节能：既有建筑变频供水降耗改进

中国工程院院长徐匡迪于2010年1月曾重点提到终端节能的重要意义：“用煤发电，5份的能量，通过转换、运输，到用户那里，只剩下1份。节约一度电，等于节省了5份能量。终端节能，特别重要。” 减低能耗、崇尚节能是走向低碳经济的第一步。目前我国建筑能耗约占全社会终端能耗总量的27.5%，随着城镇化进程的加快，建筑能耗还会日益增长。建筑能耗指建筑使用能耗，其中以建筑采暖和空调能耗为主，但在高层建筑中变频供水能耗也占不小的比例，本文主要阐述既有建筑变频供水能耗的评估和改进。

建筑变频供水系统的由来

建筑供水方式大致经过这样几个阶段：

1、工频泵加水塔供水

工频泵加高位水塔供水是最初的供水方式，最为常见也最可靠，至今还用，优点是无节流损耗，供水效率高。缺点是用水舒适性差、水质会再次受污染，有时会影响建筑美观。

2、工频泵无水塔恒压供水

随着对用水舒适性的要求提高，出现了工频泵无水塔供水方式。它使用范围不广，主要有两种类型设备。一种是工频泵恒压供水，采用流量调节阀调节用水量，达到恒压，但有大量的能量损耗在节流阀上，能耗较大。另一种是工频气压罐供水设备，设定水压的上限和下限，能耗得到大大地改善，但水压不稳定，影响用水舒适性，还有更为严重的缺陷是水泵工频启停频繁，产生有害的水锤效应，影响电器设备的寿命。

3、变频泵恒压供水

为了减低能耗和保障用水舒适性，自动化程度较高的变频恒压供水设备应运而生，随着电机变频调速技术的成熟以及制造成本的降低，变频恒压供水设备在高层建筑供水中使用越来越广泛，它具有诸多优点，特别是水压恒定、软启软停为人们所喜爱。

既有建筑变频供水的能耗评估

变频供水的优点经过使用检验，唯有“节能效应”得不到体现。为此2005年在修订《中国节能技术政策大纲》征求意见稿中具体地提出“对风机、泵、压缩机进行系统节能改造，提高用能效率。”后来在颁布稿中提到“研究分析既有建筑现状，建立既有建筑节能改造评估体系”，可以理解既有建筑变频供水能耗评估和改进也包含其中。

参照对象和评估指标

对一个系统进行评估时，首先需确定与之相比较的参照对象和评估指标。变频供水方式是从工频无水塔供水改进而来的，理应与之比较，但与之相比具有明显的节能效应，比较也就失去了意义。为此选定工频有水塔供水方式为参照对象，从舒适性、用水安全性和能耗(主要是能耗指标)三个指标进行评估，评估结论都是与工频有水塔供水方式相比而言的。

评估结果

舒适性和安全性都绝对优越于工频有水塔供水，这是由于变频调速技术成熟而带来的效果。

能耗指标则很糟糕，同时还出现许多负面影响：设备磨损大、噪音大、机械寿命低。我们从供水系统配置和流量设计两个方面抽取了16套具有代表性的设备机组进行评估，发现能耗普遍是工频供水的210﹪以上，有的地方甚至达到760﹪以上，每吨水消耗电能需要7.5～10千瓦时，出现电费比水费还多的“倒挂”现象，供水能耗竟然占一个家庭总电能耗的20﹪以上。不仅如此，供水机组不停地运转，没有睡眠状态，必然产生磨损快、噪音大、机械寿命低等后果。有一个小区3套变频供水机组共9台供水主泵，2年内大修了4台;还有一座大楼，6年内供水泵全部更换，而工频有水塔供水泵则运行了10年还保持性能良好。由此得出变频供水的电能浪费确实应引起重视。

供水系统能耗规律：在评估过程中我们发现配置齐全(有小泵、气压罐)的能耗相对较低，设计额定供水量与大楼实际用水量比值小的能耗也较低。但是令人遗憾的是，配置齐全的只占37﹪，而设计额定供水量则全部远远大于大楼实际用水量，是它的几十倍，导致供水流量与用水流量平衡困难，由于供水系统“恒压”的需要，供水机组大部分时间运行在“不平衡”状态中。按供水机组设计思路，当用水量大时，机组多泵并联运行供水，以平衡用水量的变化，而实际使用中，始终只有一台泵在运行，其他泵由“流量备用”变成了“设备备用”，更说明存在大量的节流损耗，这就是系统供水效率低下的根本原因。因此对变频供水的改进关键是减低节流损耗，做到流量平衡，为此可以从“配置”和“流量”两个方面考虑对变频供水系统进行改进。

建筑变频供水系统的改进

在改进前有以下两个问题需要搞清，以利于指导改进方法和节能效果评估。

变频供水节能效应问题。变频供水与工频有水塔供水相比，到底有没有节能效应呢?我们应当先从理论上搞清，不然节能改进也是行不通的。两种供水方式电机运行的时间和功率都不同，变频供水运行时间长，功率随时在变化;工频供水时间短，功率恒定。但水最终是供给用户的，无论何种供水方式，最终用水分布规律是相同的，因此可以从系统所做的“有用功”上进行对比。笔者做了一个模型进行分析，推算出变频供水有用功是工频有水塔供水的65﹪左右，意味着如果两种供水方式供水效率相同的话，变频供水的总功可节省35﹪左右，即所说的“节能效应”。进一步分析系统效率，发现变频供水系统效率总是低于工频供水，随着系统效率的减低直接影响到节能效果，当减低到65﹪时，两者能耗相等，如果进一步减低，则能耗就会大于工频有水塔供水。

因此可以认为变频供水具有节能效应的空间，随着系统效率的减低，节能空间被缩小，甚至变得更为耗能。提高系统效率的关键是减低节流损耗，完善设备配置和流量设计合理性。

变频供水不妥的改进方法。目前有种改进方法不从变频供水的运行机理出发，没有分析耗能大的原因，改进时完全否定了变频技术的节能效应，于是乎就废弃了变频控制，利用现成的气压罐改成了前面所说的工频气压罐设备供水方式，这不是一个上策的改进方法，会带来工频供水的许多弊端。

从配置齐全方面考虑改进，由于投入大，再则如果流量设计不合理的话也难以体现节能效应，因此改进时重点从“流量”着手。大家都知道变频空调具有明显的节能效应，原因是它能够做到“流量平衡”，在空间一定的情况下，“制冷量”是由空调器决定的，输送出的冷量都能被空间所接受。而变频供水的流量是由用户用水量决定的，从零到最大值，变化很剧烈，供水量和用水量很难做到平衡，虽然考虑到了配置小流量泵和气压罐，但只能做到改善，不能做到保证流量平衡。

于是我们想到了在供水系统内建立“蓄电池”式功能的改进思路——把多余的“供水量”存放在某个地方，当供水机组睡眠的时候再取用，最佳的地方当然是低位气压罐内，但它能存放的量太少，按照理想气体状态方程式，气压罐需做到容积2立方米以上才能体现效果，而我们常见的只有0.36立方米，因此存放在气压罐内的方法行不通。存放在高位小水箱内简单可行，此时的小水箱犹如充当了“蓄电池”的功能，当系统供水量大于用水量时，可以将剩余的供水量储存放在水箱内(相当于充电)，合理调整变频器的参数，当供水泵睡眠时，用水量从水箱内取用(相当于放电)，这样可保障供水系统“流量”平衡。有个缺陷是水箱位置不够高时放水压力明显减小，影响用水舒适性，为此我们又开发了管道泵增压自动控制技术，成功实现了系统压力平稳，不影响用水舒适性，意味着“蓄电池”式的改进方法不受任何条件的限制，可以普遍推广。

自2009年以来，笔者所在公司为了落实终端节能，相继采用“蓄电池”式的改进方法改进了5个小区(总建筑面积23万平方米左右)，实践证明可以起到18﹪～26﹪的节能效果(由于高、低区合一供水，在减压阀上存在节流损耗，故没有达到理论的35﹪)，如果与无负压供水技术相结合，则可进一步达到29﹪～32﹪的节能效果，据统计全年可降耗和节能80多万千瓦时电能，折算成标准煤同样也是相当可观的。

总结

目前建筑变频供水系统普遍存在极大地浪费电能和设备资源的问题。根本原因是“流量”不平衡。影响流量平衡主要有两个因素，系统配置不齐备和流量设计不合理，使用场合的分时用水量变化范围大，系统因“恒压”的需要，绝大部分时间运行在“供”大于“求”的状态，造成相当大的节流损耗，系统整体效率低下，出现“三大”、“一低”现象也就在所难免。

实践证明在供水系统内建立“蓄电池”式的功能，实现流量平衡，可收到明显的节能效果。高位小容量水箱犹如起到了“蓄电池”功能的作用，可以大幅度提高供水系统的整体效率，体现变频技术的节能效应，从几个小区改造后的供水能耗统计显示可体现18﹪～26﹪的节能效果。

终端节能需要全社会的关注和参与，对变频供水节能改进，物业服务企业责无旁贷，同时也需要政府有关部门的保障，对在建的项目，明确规定变频供水设备配置必须齐备合理，特别是流量设计要参照既有建筑的实际用水量，不能再闭门造车。另外还需建立当节能效果不明显时的后续改进措施，比如实行阶梯泵组合、建置小水箱等，供以后改进之用。

(原载于《现代物业·新业主》2010年06期)