高层建筑中稳压供水系统能效优化研究

高层建筑因其结构特点与用水需求的复杂性，对供水系统提出了更高要求，稳压供水系统成为保障其正常运行的重要基础设施。然而，受限于设计理念滞后与设备技术水平限制，不少高层建筑供水系统存在能耗偏高、调节不灵敏、运行波动大等问题，给建筑运营方带来了不必要的经济负担与环境压力。在节能减排政策日益严格的背景下，如何提高稳压供水系统的能效水平，已成为建筑领域亟需解决的关键课题。

一、稳压供水系统的工作原理与能效特性

（一）高层建筑稳压供水系统基本组成

稳压供水系统主要由变频水泵组、稳压罐、压力传感器、控制柜及管网组成。多台离心泵或多级泵并联运行，稳压罐平衡压力波动，压力传感器实时监测并反馈至 PLC 控制系统，实现变频调速与人机界面操作。管网设计需结合建筑高度与用水点布局，常用 304 不锈钢管，以兼顾耐腐蚀性与使用寿命。

（二）稳压供水系统能效影响因素

影响因素包括设备选型、管网设计、控制策略与负荷波动。泵组需与实际流量、扬程匹配，以免效率下降；管径设计应控制在DN100–DN150，保持 0.9-1.5m/s 流速，减少阻力与能耗；控制策略应优化启停逻辑与 PID 参数，避免频繁启停；系统还需具备良好调节能力，以应对早晚用水负荷变化。

（三）现有供水系统能效存在的问题

当前多数高层建筑稳压供水系统存在如下问题：首先，设备选型常存在“以大代小”现象，考虑到一次性投资安全裕度，实际运行中负荷长期处于额定值 30%-50% 区间，造成效率偏低。其次，仍有部分建筑采用恒速泵或普通工频泵，无法根据实际用水需求动态调整功率。第三，管网设计阶段未充分考虑用水负荷分布，部分管径过大或过小，导致水力不平衡或能量浪费。第四，系统缺乏有效的能耗监测与管理手段，维护与管理依赖人工经验，存在响应滞后与管理漏洞。

二、稳压供水系统能效优化技术路径

（一）泵组选型与优化

应优先选用高效节能型离心泵或多级泵，推荐采用符合中国能效等级 1 级标准产品，泵效一般不低于 75%-85% 。选型时通过工况曲线与泵效曲线叠加分析，确保常用工况位于高效区，并根据建筑物层高、管网阻力以及用户用水特性，精准确定泵扬程与流量[1]。对于大楼设计日供水量在 1000m³ 以上的项目，采用 3 台主泵 +1 台备用泵配置较为合理，通过自动切换控制策略实现泵组轮换，降低单泵长期运行导致的设备疲劳与能效降低。同时，为提高系统运行灵活性，可选配带内置变频器的一体式泵组。泵体材质建议选用铸铁或不锈钢混合结构，以兼顾耐腐蚀性与经济性，并结合水泵噪声控制需求，设置减震基础及隔音措施，确保机房噪声低于75 dB(A)，满足城市建筑噪声限值标准。

（二）管网系统设计优化

管网设计优化应从以下两方面入手：一是合理确定主干管及分支管管径。例如，20 层以上建筑主干管宜采用 DN150 不锈钢管，分支管为 DN80–DN100，以保证末端水压符合建筑给水排水设计规范要求。选型时应结合瞬时流量计算与最不利点水压判定，避免管径设计过小导致供水不足，或过大增加初投资与占用空间，并注意兼顾美观与设备布置协调。二是减少水力损失。应避免不必要的弯头与阀门安装，选用流阻小的阀门，如软密封闸阀或弹性座封闸阀，并控制管网流速在 0.9--1.5 m/s 之间，既保证输水效率，又避免水锤现象。对于复杂系统，可采用EPANET 或 CAD 水力模拟软件进行动态仿真，优化各支路流量与压力分布，预判系统异常点，提升整体运行稳定性与能效水平。

（三）变频调速与智能控制技术

在供水系统中，变频调速技术通过改变水泵电机频率控制转速，实现动态匹配用水需求，降低无效能耗[2]。推荐采用ABB、施耐德等品牌工业级变频器，设置频率范围 30Hz-50Hz ，确保在不影响供水压力的前提下最大限度节能。系统应结合压力传感器设置PID 控制逻辑，压力设定值通常为 0.35-0.40MPa ，并根据建筑实际需求微调。智能控制方面，可通过 PLC₊ 人机界面集成方式实现多泵轮换、夜间低负荷自动休眠、故障报警与远程监控。通过楼宇自控系统（BAS），利用 MODBUS 或BACnet 协议实现与暖通、消防等系统的数据互联，构建完整能源管理平台。部分项目已采用基于云平台的能耗监测系统，结合机器学习算法对用水规律进行数据分析，自动优化供水调度。例如，某甲级写字楼采用 AI 调度系统后，实现水泵能耗降低 12% ，同时设备使用寿命平均延长 15% 。

（四）辅助系统与节能措施

在优化供水系统能效过程中，应同步考虑以下辅助措施：一是设置能量回收装置，如在高区回水管路中安装微型水力发电机，回收部分能量供控制系统或照明设备使用，单体发电功率可达 500W_⨀ 。二是建立完善的设备维护计划，实施基于状态监测的维护方式，采用振动分析仪、红外测温仪和超声波检漏设备定期检查水泵、电机及管网状态，及时发现隐患，降低突发故障概率。三是通过用户用水行为分析与大数据统计，优化供水时间段策略，合理分配高峰与低谷供水模式 [3]。例如，将夜间压力设定值适当下调 0.05MPa ，每年可节约电能约 3%-5%_⨀ 。此外，建议结合雨水回收与中水利用系统，进一步降低整体水资源消耗与运行成本。

三、高层建筑稳压供水系统能效优化实证分析

（一）案例分析准备

以某 40 层商业综合体为案例，建筑总用水量约 1500m^3/ 日，原供水系统采用2 台 75kW 工频泵与1 台备用泵，供水系统长期处于高能耗运行状态。通过安装在线能耗监测系统，持续采集改造前后30 天水泵运行数据，包括电力消耗、启停次数、负荷变化情况及瞬时流量和压力波动，便于全面评估系统性能差异。

（二）优化措施实施过程

针对该项目，首先将原有工频泵更换为 3 台 55kW 变频泵，泵组为丹麦格兰富 CR 系列，具有高效区宽、耐久性强等特点，并配备进口机械密封与高性能轴承，提高运行稳定性；其次，改造管网主干管由DN125 提升至 DN150，并新增两路旁通支管，以优化流量分布和降低系统阻力；再次，控制系统升级为西门子 S7-1200 PLC 控制柜，配套 7寸彩色触摸屏，并接入云平台实现远程监控和历史数据分析。施工周期15 天，调试过程包括 PID 参数整定、流量平衡调试与用户体验反馈，确保系统长期高效运行。

（三）效果评估与对比分析

改造后，系统水泵平均能效比由改造前的 2.8kW⋅h/m³ 降低至 2.0kW⋅h/m³ ，节能率约 28.5% 。同时，供水压力波动由原先的 ±0.08 MPa缩小至 ±0.03MPa ，显著提升用水舒适度与系统响应灵敏度。经济效益方面，总投资约为 45 万元，预计投资回收期 2 年以内，长期运营成本明显降低。此外，系统运行稳定性提高，设备维护频次由每月 4 次减少至每月1 次，降低了人工成本和备件消耗，提高管理效率。

总结：

高层建筑稳压供水系统的能效优化，关键在于高效泵组选型、合理管网布局、变频调速控制与智能管理的有机结合。通过实证案例分析可见，系统性优化措施能够有效降低能耗 20% 以上，提升运行稳定性与用户体验。随着建筑能耗标准的不断提高，推广成熟的能效优化技术对降低运营成本、实现绿色建筑目标具有重要现实意义。

参考文献

[1] 刘敏香 , 崔洁 . 超大管径虹吸供水稳压罐与连通排气孔的配置优化 [J]. 河南水利与南水北调 ,2024,53(12):20-21.

[2] 姚福来 . 城市水厂能效优化调度和调速泵的选取法则 [J]. 城镇供水 ,2021,(06):6-10.

[3] 黄李泽 . 恒压供水系统能效优化控制策略的研究 [D]. 广东工业大学 ,2021.001633.