无负压供水系统深度节能设计

王春水

（深圳招商建筑科技有限公司）

【关键字】无负压；二次供水；技术节能；PID 调节；变频技术

1 引言

中国采用的楼宇给水增压系统大致经历了三个阶段：

1）采用“储水池+水泵+高位水箱”的方法

市政来水进入储水池，然后由水泵加压后送至高位水箱，由高位水箱向用户供水，蓄水池起到高峰用水时调节作用；缺点是设备布置分散，多个水池，占用面积大，管理不便;水泵设在楼层，对防震、隔噪音要求高;低区供水受到高区使用情况的限制，供水可靠性差，难避免二次污染等。

2）采用“储水池+恒压变频供水系统”的方法

设定了系统的供水压力后，在控制的作用下，水泵的转速和投入运行的水泵数量随供水量的变化而改变，输出压力的恒定，一定程度上节省了电耗。缺点是设备占地面积大，水泵效率低，能耗高；水泵运行噪音大，共振噪音引起低层业主投诉，水池需要定期清洗才能避免二次污染等问题。

3）管网叠压（无负压）的方法

设备直接连接在市政来水管网上，不需要修储水池，充分利用了市政来水管网的压力，设备具有高效节能、环保无二次污染、自动化程度高、易维修等特性，逐步成为现代建筑的理性的供水方式。

本文从系统设计的角度介绍在原有系统的基础上进行无负压改造，深挖节能空间达到增效降本的方法。

2 无负压供水系统

1）二次供水系统改造图（见图1）

2）二次供水系统设备选择

本系统采用南方泵业SJ 系列不锈钢多级深井潜水泵组，不锈钢叶轮间隙小效率高（79%）、寿命长，通过水冷方式对电机进行冷却，噪音小，立式安装，占地面积小。借助原有的稳压罐，安全阀等装置，节省了成本。

3 深度节能设计和智能化运行

3.1 运行工况分析

根据供水系统设备的运行工况，对控制程序进行分时段恒压控制，一天划分2 个用水高峰期，2 个用水低峰期4个时间段，低峰期基本无用水，仅需要维持一定的压力，压力可以比原有系统压力低0.4 kg ～0.6 kg，高峰期用水量大，需要设定压力与原有系统设定压力一致（见表1）。

默认供水方式为市政供水，市政压力为2.5kg ～5kg，水泵仅需要在现有市政压力的基础上叠压很少功就能达到供水压力。在市政停水或市政压力小于2kg 的情况下，通过检测市政压力自动切换到水池供水方式，确保不对市政给水管道产生负压影响。

表1 供水压力对比表

图2 系统原理图

压力超限冗余保护设计，一般是设定压力值的基础上增加2kg 作为软压力高限值；另外电接点压力表提供硬件极限压力保护，在压力表指示的压力基础上增加2kg，任意一种条件满足，新系统报警停机并自动切换到原有系统运行。

新旧系统互为备用，为保证原有水泵能正常工作，保证水池水质，增加定时启动原有水泵抽水同时让水池定时补充流动水。

3.2 硬件配置

根据以上对运行工况和需求分析，需要的主要设备包括：

1）主要设备清单

2）电气系统图

其中PLC 与变频器通讯仅读取数据（9600，n，8，1），变频器启停通过PLC输出（DO），频率给定通过PLC 模拟量输出（AO）控制。

3）PLC 地址分配表

3.3 控制程序设计思路

①手动/ 自动运行：手动定频运行，输入频率范围限定30-42HZ；自动运行采用PID 恒压控制，频率调节范围0-50HZ。

②压力采集和标定功能块：把采集的数字量（0-32000）转换成0-16 公斤压力（标定函数Y=2000X+B，B 为偏差值），远传压力表采集压力与现场压力表显示压力存在误差，需要校正才能作为控制点使用。

③系统时钟校正功能块：读取PLC时钟，设置PLC 时钟。

④供水压力与时段处理功能块：因每天运行时段都一样，仅需要把当前时间转化成分钟（Y=60A+B，A 为小时，B为分钟，1440 分钟/天），若输出时段不连续，控制压力为上一个输出时段的压力。

（2）实验内容的开放。即学生在实验室所做的实验内容是随意的。学生除了完成基本的验证性实验内容外，经指导教师审核同意，可以自由做实验。包括：计划规定内容的补充，进一步完善课堂实验内容，仪器设备的使用练习，自己的小发明、小设计以及小家电的维修等。学校设置的课程设计、毕业设计、专业实习等教学内容也可以在开放实验室完成。

⑤PID 恒压控制：利用PLC 内部的PID 功能，对不同时段的设定压力进行恒压调频控制，压力采集和标定模块中标定后的压力作为反馈压力。

⑥新旧系统切换：定时自动切换到原有系统运行，运行设定时间自动切换到新系统继续运行。处理思路与供水压力与时段模块处理一样。

变频器通讯功能块：通过MODBUS RTU 协议读取变频器运行数据并在人机界面呈现，方便观察运行情况。

序号 名称 信号类型 数据范围 PLC 地址1 高区新/旧切换 DI 数字量输入 I 0.0 2 中区新/旧切换 DI 数字量输入 I 0.1 3 低区新/旧切换 DI 数字量输入 I 0.2 4 高区变频器故障 DI 数字量输入 I 0.3 5 中区变频器故障 DI 数字量输入 I 0.4 6 低区变频器故障 DI 数字量输入 I 0.5 7市政压力低限 DI 数字量输入 I 0.6 8高区压力高限 DI 数字量输入 I 0.7 9中区压力高限 DI 数字量输入 I 1.0 10 低区压力高限 DI 数字量输入 I 1.1 11 备用 DI 数字量输入 I 1.2备用 DI 数字量输入 I 1.3高区启/停 DO 数字量输出 Q 0.0中区启/停 DO 数字量输出 Q 0.1低区启/停 DO 数字量输出 Q 0.2备用 DO 数字量输出 Q 0.3高区新/旧系统切换 DO 数字量输出 Q 0.4中区新/旧系统切换 DO 数字量输出 Q 0.5低区新/旧系统切换 DO 数字量输出 Q 0.6电柜风机 DO 数字量输出 Q 0.7高区压力 第1 路AI(0-10V) 0～32000 AIW0中区压力 第2 路AI(0-10V) 0～32000 AIW2低区压力 第3 路AI(0-10V) 0～32000 AIW4市政压力 第4 路AI(0-10V) 0～32000 AIW6高区变频器AO 第1 路AO(0-10V) 0～32000 AQW0中区变频器AO 第2 路AO(0-10V) 0～32000 AQW2低区变频器AO 第3 路AO(0-10V) 0～32000 AQW4

⑦安全保护功能：变频器故障或压力超限时停机切换到原有系统，市政压力低限2Kg 时关闭市政电动阀打开水池电动阀。

3.4 人机界面设计（见图3）

主要包含封面，控制画面，运行参数、系统参数等页面。

封面包括各区压力值显示，水泵状态显示，日期/时间，以及菜单（点击相关菜单条进入相关页面）。

1）控制画面

①水泵控制

手动模式：模式显示手动，按启动按钮，按输入的手动给定频率运行；

自动模式：模式显示自动，任何按钮不按的情况下，按各区分时段设定的不同压力PID 自动调节频率控制(默认模式)。

②数据显示

当前频率：变频器运行频率；电机转速：电机当前的转速；输出电压：变频器输出电压；输出电流：变频器输出电流；输出转矩：变频器输出转矩。

2）运行参数

按24 小时制分时段，根据高峰，低谷时段各区设定不同的供水压力，时间段、设定压力值根据现场实际情况修改。

当PLC 系统时钟与实际时钟不符时，可以校正系统时间。

校时：输入年月日时分秒，按校时按钮，PLC 内部时钟被修改成设定值。

保存参数：输入的所有参数被保存到PLC 掉电保持区域。

3）系统参数（在调试时已设置好，此页面严禁修改）

该页面主要设定底层控制参数，PID参数和模拟量标定。

4）PID 参数

P：比例(1.4)

I:积分时间（单位：分钟，0.1 分钟）

D:微分时间（单位：分钟，0.0 分钟）

5）模拟量压力标定

采集值：实时采集的裸数据

偏移值：与压力表显示值的误差

校正值：控制压力值的显示值

图3 供水能效控制系统面板示意图

图4 控制画面面板示意图

图5 系统参数面板示意图

6）原系统定时设置

设置每周切换老系统的时间

起始时间：启动老系统的时间

结束时间：停止老系统的时间

起始星期：从星期几开始，根据具体的泵台数确定。

4 结语

本系统经过大量项目改造应用，成本低，节电率60%以上。解决了常规恒压供水的弊端的同时，提高了设备智能化水平，实现了设备的自动运行和无人值守，有利于降低能耗，同时减少人力成本。

本系统适用于改造的住宅楼、住宅小区、办公楼、宾馆、饭馆、学校、部队、机关、集体宿舍等用水比较密集场合。工厂、加压泵站、开发区等大流量供水需要二次加压供水的场所。