某超高层建筑生活给水系统方案比选分析

作者:顾燕燕 黄河鱼
单位:中国建筑西南设计研究院有限公司
摘要:生活供水设备作为日常高频率运行设备, 其长期运行能耗是设计方案的重要考虑内容, 简单、能耗更低、管理维修方便的系统对后期物业管理成本的降低和建设绿色建筑具有重要意义, 而且机组运行对环境的影响也应充分考虑。以某超高层城市综合体为例, 比较水泵-高位水箱重力供水系统和水泵-中间水箱重力供水系统与变频供水系统结合的两种供水方案的优缺点, 认为前者具有投资省、系统稳定、节能、系统调控及管理维修简单等优势, 推荐采用。
关键词:水泵-高位水箱供水 恒压变频调速供水 节能 运行维护 环境影响
作者简介:顾燕燕, 通讯处:610042成都市天府大道北段866号中国建筑西南设计研究院有限公司; 黄河鱼, 通讯处:610042成都市天府大道北段866号中国建筑西南设计研究院有限公司;

 

1 工程概况

   本项目为超高层城市综合体, 地下共6层, -2~-6层为车库, 9层以下除核心筒外与裙房连成商业用房。裙房以上的塔楼为甲级写字楼, 从10~46层, 标准层每层建筑面积约为1 500 m2, 在竖向9层、24层、39层分别设置避难层, 建筑高度221.3m。

   裙房部分由于业态不同, 其生活给水系统独立设置。本文主要比较塔楼部分 (10~46层) 生活给水系统方案。

   用水量:办公人员5 250人, 用水定额50L/ (人·班) , 时变化系数1.5, 使用时间8h, 最高日用水量262.5m3

   方案一:采用水泵-高位水箱重力供水系统。给水分区如下:10~20层为3区, 采用重力供水;21~35层为4区, 采用重力供水;36~46层为5区, 采用重力供水。给水系统原理如图1所示。

   方案二:采用水泵-中间水箱重力供水系统与变频供水系统结合的方式。给水分区如下:10~15层为3区, 采用变频供水;16~29层为4区 (其中16~20层采用重力供水, 21~29层采用变频供水) ;30~46层为5区 (其中30~35层采用重力供水, 36~46层采用变频供水) 。给水系统原理如图2所示。

2 主要设备及造价分析

2.1 方案一主要设备材料

   (见表1)

2.2 方案二主要设备材料

   (见表2)

   表1 塔楼给水系统方案一主要设备材料   

表1 塔楼给水系统方案一主要设备材料

2.3 初次投资

   初次投资包括供水设备、管材、阀件、水池、水箱及相应施工费用。本初次投资费用比较仅计算竖向分区前主管网, 两个方案分区内管网布置基本相同, 故不计入比较;由于两方案设备机房所占面积基本一样, 故未包含土建投资比较。由于变频调速供水系统的变频泵及变频控制柜的高造价, 以及变频系统水泵台数的增加, 使得方案一的造价 (约119.17万元) 低于方案二 (约132.32万元) 。

图1 塔楼给水系统方案一

   图1 塔楼给水系统方案一

    

3 运行费用分析

   由前所知, 最高日用水量:Qd=262.5m3/d, 总用水楼层35层 (不计避难层) , 每层最高日用水量:Qc=262.5/35=7.5 (m3/d) 。

3.1 方案一运行费用计算

3.1.1 3区转输泵耗电量计算

   3区转输泵负担楼层数:11层;日供水量:Q3=Qc×11=7.5×11=82.5 (m3/d) ;故3区转输泵日耗电量:W3=82.5/18×11=50.4 (kW·h) 。

3.1.2 4区转输泵耗电量计算

   4区转输泵负担楼层数:24层;日供水量:Q4=Qc×24=7.5×24=180 (m3/d) ;故4区转输泵日耗电量:W4=180/40×37=166.5 (kW·h) 。

3.1.3 5区转输泵耗电量计算

   5区转输泵负担楼层数:10层;日供水量:Q5=Qc×10=7.5×10=75 (m3/d) ;故5区转输泵日耗电量:W5=75/19×5.5=21.71 (kW·h) 。

图2 塔楼给水系统方案二

   图2 塔楼给水系统方案二

    

   综上, 方案一每天总耗电量:W3+W4+W5=50.4+166.5+21.71=238.61 (kW·h) , 商业用电价格:0.85元/ (kW·h) , 则方案一日电费:238.61×0.85≈203 (元/d) , 年电费:203×365=7.41 (万元/年) 。

3.2 方案二运行费用计算

3.2.1 5区转输泵耗电量计算

   5区转输泵负担楼层数:16层;日供水量:Q1=Qc×16=7.5×16=120 (m3/d) ;故5区转输泵日耗电量:W1=120/23×11=57.4 (kW·h) 。

3.2.2 4区转输泵耗电量计算

   4区转输泵负担楼层数:29层;日供水量:Q2=Qc×29=7.5×29=217.5 (m3/d) ;故4区转输泵日耗电量:W2=217.5/42×30=155.35 (kW·h) 。

   表2 塔楼给水系统方案二主要设备材料   

表2 塔楼给水系统方案二主要设备材料

3.2.3 变频供水设备耗电量计算

   由于变频泵供水量随实际使用情况时刻变化, 为简化计算, 设:高峰用水量为日用水量的30% (流量为平均时流量的3倍) , 用水时长1h;日常用水量为日用水量的50% (流量为平均时流量) , 用水时长5h;低谷用水量为日用水量的15% (60%平均时流量) , 用水时长2.5h;小流量用水量为日用水量的5% (流量为辅泵流量) , 用水时长1.5h;日总用水时间10h, 夜间自动进入休眠模式。

3.2.3. 1 3区变频供水设备耗电量计算

   3区变频供水设备负担楼层数:6层;其日供水量:Q3=Qc×6=7.5×6=45 (m3/d) ;平均小时流量:4.5m3/h。故各时段流量:高峰为Q=4.5×3=13.5 (m3/h) ;日常为Q=4.5 m3/h;低谷为Q=4.5×0.6=2.7 (m3/h) 。

   由于为变频恒压供水, 故各时段扬程均为H=122m。

   查水泵特性曲线及等效率曲线, 可得各时段水泵-电机综合效率:高峰为η=61.6%;日常为η=51.3%;低谷为η=40.5%。

   根据轴功率计算公式N=9.8QH/ (3 600η) 可分别计算出各时段水泵功率:高峰为N=5.5+2.21=7.71 (kW) ;日常为N=2.91kW;低谷为N=2.21kW。

   故3区变频供水设备日耗电量:W3=7.71×1+2.91×5+2.21×2.5+1.5×1.5=30.03 (kW·h) 。

3.2.3. 2 4区变频供水设备耗电量计算

   4区变频供水设备负担楼层数:8层;其日供水量:Q4=Qc×8=7.5×8=60 (m3/d) ;平均小时流量:6 m3/h。故各时段流量:高峰为Q=6×3=18 (m3/h) ;日常为Q=6m3/h;低谷为Q=6×0.6=3.6 (m3/h) 。

   由于为变频恒压供水, 故各时段扬程均为H=54m。

   查水泵特性曲线及等效率曲线, 可得各时段水泵-电机综合效率:高峰为η=58.2%;日常为η=56.6%;低谷为η=47.6%。

   同上, 分别计算出各时段水泵功率:高峰为N=3+1.56=4.56 (kW) ;日常为N=1.56kW;低谷为N=1.11kW。

   故4区变频供水设备日耗电量:W4=4.56×1+1.56×5+1.11×2.5+0.75×1.5=16.26 (kW·h) 。

3.2.3. 3 5区变频供水设备耗电量计算

   5 区变频供水设备负担楼层数:10层;其日供水量:Q5=Qc×10=7.5×10=75 (m3/d) ;平均小时流量:7.5m3/h。故各时段流量:高峰为Q=7.5×3=22.5 (m3/h) ;日常为Q=7.5 m3/h;低谷为Q=7.5×0.6=4.5 (m3/h) 。

   由于为变频恒压供水, 故各时段扬程均为H=63m。

   查水泵特性曲线及等效率曲线, 可得各时段水泵-电机综合效率:高峰为η=59.5%;日常为η=49.1%;低谷为η=37.8%。

   表3 水泵-高位水箱和水泵-高位水箱+变频两种供水方案优缺点对比汇总   

表3 水泵-高位水箱和水泵-高位水箱+变频两种供水方案优缺点对比汇总

   同上, 分别计算出各时段水泵功率:高峰为N=4+3.02=7.02 (kW) ;日常为N=2.62kW;低谷为N=2.04kW。

   故5区变频供水设备日耗电量:W5=7.02×1+2.62×5+2.04×2.5+1.1×1.5=26.87 (kW·h) 。

   综上, 方案二每天总耗电量:W1+W2+W3+W4+W5=57.4+115.35+30.03+16.26+26.87=245.91 (kW·h) , 商业用电价格:0.85元/ (kW·h) , 则方案二日电费:245.91×0.85≈209 (元/d) , 年电费:209×365=7.63 (万元/年) 。

   综合前面的分析计算可知, 水泵-高位水箱供水系统的水泵流量和扬程固定, 设计选泵时总是控制在高效段运行, 而变频供水系统当实际流量比选泵流量低到一定程度, 机组运行效率脱离高效段, 在低效段运行, 造成消耗增加, 经比较方案一的运行费用 (约7.41万元) 低于方案二 (约7.63万元) 。

4系统优缺点比较汇总

   (见表3)

5 结论

   相对于恒压变频调速供水系统, 水泵-高位水箱供水系统具有省投资、系统稳定、节能、系统调控及管理维修简单等优势。经比较, 设计采用方案一。

   生活供水设备作为日常高频率运行设备, 其长期运行能耗应是设计方案的重要考虑内容, 简单、能耗更低、管理维修方便的系统对后期物业管理成本的降低和建设绿色品牌具有重要意义;此外机组运行对环境的影响也应充分考虑。

  

 

    

参考文献[1]中国建筑设计研究院主编.建筑给水排水设计手册 (上册) .第2版.北京:中国建筑工业出版社, 2008

[2] 建设部工程质量安全监督与行业发展司, 中国建筑标准设计研究院主编.全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇---给水排水.北京:中国计划出版社, 2007
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